Electro- érosion
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ÉLECTROÉROSION Doc. SEIBU Electroérosion: ça bouge un peu partout dans le secteur par Jean D. CYSSAU, Président du Conseil de Rédaction Pour certains, l’arrivée de l’usinage par enlèvement de copeaux à très grande vitesse, ce que l’on nomme couramment l’UGV, a représenté l’annonce de la mort de l’usinage par électroérosion. Même si, chez beaucoup d’utilisateurs de l’électroérosion comme c’est le cas des moulistes et des fabricants d’outillages, cet UGV a déjà conquis certains travaux, notamment d’ébauche d’empreintes dans les aciers à haute résistance, il n’en reste pas moins vrai que l’électroérosion - surtout avec les récents progrès effectués en matière de vitesse et de qualité de travail allant jusqu’à supprimer les opérations de polissage - conserve un avantage inégalable, par exemple en finition de formes mais, aussi, pour une immense variété d’usinages complexes de haute précision sur des pièces, grandes ou très petites réalisées dans des matières à haute ré- sistance réputées difficiles à usiner à l’outil de coupe. Et, il semble bien que le défi posé par la perte réelle ou potentielle de travaux réalisés ou réalisables par électroérosion ait contribué à renforcer les efforts des constructeurs afin de faire progresser toujours plus, non seulement la productivité et la qualité des usinages aussi bien par enfonçage que par découpage par fil électrode mais, également, la facilité de mise en œuvre et de conduite des machines les plus récentes. On en a eu la preuve, une fois de plus, à la récente exposition JIMTOF de Tokyo, comme on va le voir. Brother se veut l’égal des grands Tout en restant spécialisé dans le découpage à fil avec des machines de capacités moyennes, BROTHER a perfectionné aussi bien A la toute récente exposition JIMTOF de Tokyo, les constructeurs de machines d’électroérosion ont fait la preuve que les développements dans ce secteur de la machine-outil n’avaient pas atteint leur terme. Fig. 1 (gauche) Dernier modèle de machine d’électroérosion à fil sorti chez BROTHER, le Big Compact qui offre des courses X-Y de 410 x 260 mm. Fig. 2 (droite) Démonstration chez BROTHER sur sa dernière née, la Big Compact, de la découpe de dépouilles à ±15 degrés, en dehors de multiples autres fonctions. TRAMETAL - Décembre 2000 - 53 ÉLECTROÉROSION Fig. 3 (à gauche) - Un spécialiste de la machine de perçage par électroérosion pour travaux de production, la firme Ellenix, propose un modèle CT500F à broche porte-électrode verticale dotée d’un magasin changeur d’électrodes. Fig 4 (à droite) Il est fréquent que, pour des travaux de production sur des pièces spécifiques comme des aubes de réacteurs, il soit nécessaire de procéder à des perçages multiples de grande précsion sous des angles variés. Pour ces travaux, Ellenix offre une machine à broche porteélectrode orientable, bien entendu équipée d’un magasin changeur d’électrodes. 54 la construction même des ses plus récents modèles pour leur apporter robustesse et haute précision durable - par exemple en montant des règles linéaires optiques - une quasi totale universalité avec la présence de cinq axes plus éventuellement un axe supplémentaire destiné à un diviseur, qu’une rapidité de découpe, une qualité des états de surface et une parfaite maîtrise des paramètres d’usinage et des parcours - notamment pour les découpes d’angles vifs - grâce à un générateur de très haut de gamme. C’est ainsi que le tout dernier modèle sorti chez ce constructeur, le Big Compact (fig. 1), est une machine à fil pouvant accepter des pièces de 580 x 350 x 170 mm et d’une masse jusqu’à 100 kg avec des courses de travail X, Y et Z de 410 x 260 x 170 mm, des courses U et V de ±32,5 mm permettant de couper des dépouilles de ±15°, plus un axe d’indexage B en cas d’utilisation d’un diviseur pour des usinages de surfaces multiples ou de configurations complexes tridimensionnelles en un seul montage. Le générateur à hautes performances permet une vitesse de coupe atteignant 300 mm3/mn et des finis de surface poussés à 0,5 µm Ra. Une banque de données est prévue pour autoriser un réglage automatique des conditions d’usinage pour des fils de 0,1 à 0,3 mm de diamètre dont la vitesse de défilement est programmable entre 40 et 250 mm/s. Deux fonctions de commande S et T servent à contrôler automatiquement les conditions de travail en temps réel en fonction des changements d’épaisseur de la pièce usinée et à empêcher les ruptures de fil. Enfin, une fonction de contrôle des parcours d’angles évite tout risque d’arrondi en usinage rapide, donc élimine la nécessité d’une passe supplémentaire de reprise. Bien entendu, il est prévu un enfilage automatique à jet d’eau avec nouvel essai en cas d’échec, l’utilisation de bobines de fil de 5 kg - Décembre 2000 - TRAMETAL et une découpe automatique du fil usé en sortie machine au moyen d’une lame rotative, ainsi qu’une option de refroidissement éventuel du diélectrique, aussi bien en travail sous immersion qu’avec arrosage. Perçage par électroérosion de haute précision avec Ellenix Afin de réaliser en production le perçage de très haute précision de minuscules trous dans des pièces exigeantes stratégiques comme les aubes de réacteurs, un spécialiste des machines de perçage par électroérosion du nom de ELLENIX propose, entre autres dans une vaste gamme de modèles, une machine à broche porte-électrode verticale avec magasin d’électrodes et changeur automatique type CT500F (fig. 3) à table de 550 x 400 mm à courses d’usinage de 550 x 380 x 300 mm offrant un col de cygne de 335 mm. Les électrodes peuvent avoir un diamètre de 0,3 à 3 mm, 0,1 à 0,3 mm ou 3 à 6,5 mm et une longueur jusqu’à 450 mm. Les courses X et Y sont réglées manuellement et la descente Z est assurée par servomoteur. La puissance électrique est de 4 kW et 30 A, l’intensité de travail étant réglable entre 3 et 57 A. Le fluide diélectrique utilisé est de l’eau déionisée en circulation par une pompe à partir d’un bac d’une capacité de 150 litres. Pour des travaux exigeant le perçage d’un très grand nombre de trous positionnés avec grande précision, il est prévu une commande numérique trois axes à incréments de commande de 1 µm, assurant des compensations de jeu et d’usure d’électrodes. Pour les travaux nécessitant une orientation angulaire de l’électrode, le constructeur propose une machine type CT900FX (fig. 4) à broche oreintable de caractéristiques voisines mais avec commande numérique cinq axes et, bien sûr, avec magasin changeur d’électrodes. La démonstration des améliorations et développements les plus récents apportés sur ses machines de découpage par fil était effectuée par FANUC sur le modèle α0iA (fig. 5). Tout d’abord, il est fait état des performances exceptionnelles de la toute dernière CNC Série 18i-W, notamment en découpe de précision à grande vitesse. Le générateur iPulse, de son côté, garantit une précision de profil de 5 µm, voire mieux, une rectitude sur une épaisseur de 60 mm d’au moins 1 µm, une rugosité de 3 à 4 µm Ry avec un fil de 0,25 mm de diamètre, ainsi qu’une vitesse de découpe en condition de non électrolyse jusqu’à 300 mm3/mn avec fil de cuivre de 0,3 mm de diamètre. L’usage d’un fil revêtu porte cette vitesse à 330 mm3/ mn en fabrication de moules. L’assurance de la précision des angles n’est plus une originalité mais doit, tout de même, être mentionnée du fait de son efficacité. Enfin, une commande adaptative détecte l’épaisseur de la pièce en temps réel et en tient compte en ajustant les paramètres de coupe, ceci avec l’avantage de réduire les temps d’usinage de trente pour cent. Outre la rigidité de la structure de la machine, sa table de grande précision et l’élimination de la présence des boues d’usinage sur les mécanismes d’entraînement durant la coupe grâce à la mise en jeu d’un bain pré-pressurisé flottant sur le dessus du bac de travail au-dessus du diélectrique, la précision peut encore être accrue par l’usage de règles de mesure en verre proposées en option. On n’insistera plus sur le mécanisme d’enfilage et de réenfilage qui a largement fait ses preuves, y compris en travail sous immersion complète, avec un cycle de seulement 15 s pour du fil d’un diamètre de 0,2, 0,25 ou 0,3 mm de diamètre. Un équipement proposé en option permet d’optimiser la programmation et, bien sûr, les paramètres de travail en fonction des matières de pièce et de fil en faisant appel à une bibliothèque de données éprouvées. Enfin, outre diverses autres options, un système de gestion en réseau permet de surveiller en permanence les conditions de travail et, éventuellement, de les modifier à distance. 790 x 730 x 300 mm ou, en option, 1000 x 730 x 300 mm. Les courses sur les trois axes de coordonnées sont de 520 x 370 x 310 mm (ou 410 mm en option). Celles sur U et W atteignent ±60 mm permettant la découpe d’angle jusqu’à ±30° sur 80 mm de hauteur ou jusqu’à ±45° en option. Le diamètre de fil accepté va de 0,1 à 0,3 mm. La température ambiante de fonctionnement s’étend sur une plage de 5 à 40° C mais doit être maintenue autour de 20° ±1° C en cas de nécessité de travail de très haute précision. Un équipement de refroidissement peut être intégré en option. Cellule automatique d’usinage par enfonçage chez Makino Il ne fait aucun doute que l’électroérosion étant entrée depuis déjà plusieurs années véritablement dans les travaux de production de pièces les plus diverses et les constructeurs des machines de découpage par fil comme d’enfonçage ayant perfectionné la technologie à un point tel qu’elle garantit une fiabilité Fig. 5 - Le modèle d’entrée de gamme α0iA des machines à fil FANUC servait à mettre en évidence les développements et les progrès réalisés récemment, tant en ce qui concerne la construction mécanique que les performances du générateur, l’enfilage et le réenfilage en un cycle de 15 s, la programmation optimisée ou l’ensemble des fonctions de “monitoring” de plus en plus intelligentes. Fig. 7 - La facilité de mise en œuvre d’une cellule autonome automatisée de production était mise en évidence avec une machine à fil modèle α 1iA de FANUC. Toutes ces caractéristiques s’appliquent, bien entendu, également au modèle de machine à fil α-1iA ayant servi à la présentation d’une cellule enièrement automatisée au moyen d’un robot industriel (fig. 6) qui assure automatiquement les changements de pièces et d’électrodes en fonction d’une programmation globale spécifique. Ce modèle de machine accepte des pièces faisant TRAMETAL - Décembre 2000 - 55 ÉLECTROÉROSION Course à l’automatisation intégrale avec les machines à fil Fanuc ÉLECTROÉROSION Fig. 7 Cellule d’usinage par enfonçage entièrement automatisée avec alimentation des pièces et des électrodes à partir de magasins dédiés. Cette cellule a été construite autour d’une machine d’électroérosion MAKINO modèle Edge2S. Fig. 8 (droite) Détail du magasin de réserve des électrodes de type tambour venant présenter les postes porteélectrodes directement à la broche de la machine. Fig. 9 - A l’occasion de la récente JIMTOF de Tokyo, Mitsubishi a étendu sa gamme de machines de découpage par fil avec un modèle FA10 plus compact et de capacité plus limitée que le modèle maintenant immédiatement supérieur FA20 destiné à des pièces qui pouvaient atteindre jusqu’à 1 m de longueur ou à des séries de pièces importantes traitées à la fois. 56 quasi totale, ils ne pouvaient que chercher à pénétrer encore plus leurs marchés par une automatisation intégrale de leur environnement. Cette automatisation s’est traduite par la conception de cellules d’usinage aujourd’hui devenues presque des installations “sur catalogue”. Parmi les constructeurs les plus dynamiques dans ce domaine, MAKINO a tenu à démontrer une fois de plus son savoir-faire en proposant une solution hautement performante élaborée autour dun modèle Edge2S de sa gamme de machines d’enfonçage (fig. 7). Machine convenant parfaitement pour une large catégorie d’ateliers de mécanique, elle dispose de courses sur ses trois axes de coordonnées de 300 x 250 x 250 mm, son bac de travail escamotable verticalement offrant un volume de 650 x 450 x 300 mm avec une hauteur de diélectrique pouvant atteindre 250 mm. La table porte-pièces présente une surface de serrage de 500 x 350 mm et accepte une masse jusqu’à 500 kg. Ses déplacements rapides se font 5 m/mn. Les retraits rapides sur l’axe Z atteignent une vitesse de 10 m/mn. Le générateur d’impulsions de 30 A peut at- - Décembre 2000 - TRAMETAL teindre, sur option, 60, 120, 230 ou 400 A pour répondre le plus précisément possible aux besoins de l’utilisateur, avec en standard l’ensemble des fonctions de faible usure d’électrode, d’usinage finition d’ultra-fin à poli miroir, d’autres options concernant les circuits spéciaux d’usinage du carbure. Selon les usinages à réaliser, il est possible d’intégrer d’origine en option un axe C. Un magasin carrousel changeur d’électrodes est prévu (fig. 8), soit à réserve de quatre ou huit électrodes d’un diamètre jusqu’à 80 mm, soit à réserve de seize ou vingt-quatre électrodes d’un diamètre jusqu’à 60 mm. Sur la cellule automatique, une réserve convoyeur de pièces palettisées est associée à une unité de permutation pièces finies-pièces à usiner, toutes facilités de programmation étant prévues pour assurer les coordination machine et permutations d’électrodes et de palettes porte-pièces, ainsi que l’appel des programmes correspondant aux variétés de pièces faisant partie du travail prévu tout au long de l’exploitation sans surveillance d’un opérateur de la cellule. Perfectionnement permanent des machines à fil chez Mitsubishi qui propose un modèle pour ateliers de mécanique Dans sa série FA de machines à fil, MITSUpropose un modèle de capacités plus courantes pour des fabrications mécaniques, désigné FA10 (fig. 9), dont la plus grande course d’usinage se tient à 350 mm au lieu de 500. Hormis le gain de compacité ainsi obtenu, les caractéristiques générales de la machine restent identiques à celles des modèles supérieurs tout en bénéficiant, bien sûr, des derniers perfectionnements que ne cesse d’apporter le constructeur comme, par exemple, un accroissement très sensible de la rigidité obtenu par une augmentation de la masse de la structure et une optimisation des composants en fonte, plus le recours à des vis à billes de plus grand diamètre positionnées de BISHI Ultra-précision en découpage par fil proposée par Seibu ÉLECTROÉROSION manière optimale et directement accouplées à des servosystèmes numériques à très hautes performances qui améliorent le maintien de la précision à long terme et assure une résolution minimale de 0,05 mm sous la commande d’une CNC 64 bits. Cette dernière a bénéficié, elle-même, de perfectionnements particulièrement sensibles en usinages à grande vitesse de découpe mais, aussi, de fonctions complémentaires telles qu’une visualisation graphique 3D, une surveillance en temps réel et une grande facilité de mise en réseau lorsque l’on souhaite travailler en commande numérique directe à partir d’un bureau de programmation (fig. 10). Pour l’usinage, une fonction PM2 (Power Master 2) optimise les conditions d’érosion en tenant compte des variations d’épaisseur de la pièce, ce qui évite des ruptures de fil, notamment lors de la pénétration de départ dans la surface extérieure du métal. En outre, la technologie de découpe à grande vitesse jusqu’à 325 mm2/mn a été étendue à l’utilisation des fils revêtus, permettant ainsi d’accroître jusqu’à quarante pour cent la vitesse de travail par rapport à l’usage de fils non revêtus. On peut désormais, aussi, usiner sans difficulté l’aluminium et le titane. De son côté, le système d’enfilage automatique doté d’un moyen de détection ultra-sensible du trou et d’une fonction de ré-essayage en cas d’échec d’enfilage assure l’insertion de fils de cuivre d’un diamètre de 0,2 à 0,25 mm de diamètre en seulement 10 s, ainsi que l’enfilage aisé sous immersion. A mentionner encore la surveillance permanente de la pression du fluide diélectrique afin d’être certain de conserver la précision d’usinage lors des découpes à grande vitesse ou la possibilité d’utiliser un diamètre de fil de cuivre de seulement 0,1 mm. emprisonné sous un carter de protection en acier inoxydable. Enfin, la conception sans joint d’étanchéité du bac de travail élimine tout risque d’accumulation de boues d’usinage qui risqueraient de dégrader la précision. Question travail d’érosion, le générateur à récupération d’énergie qui assure une découpe à grande vitesse est doté d’une fonction adaptative tenant compte en permanence de l’épaisseur de la pièce en cours d’usinage pour moduler l’énergie et la fréquence des impulsions, ce qui aboutit à une très grande régularité d’état de surface et élimine les risques de rupture intempestive de fil. De multiples fonctions de la CNC ont été prévues pour faciliter au maximum l’exploitation et la maintenance dans les meilleures conditions possibles. Travaillant sous immersion, cette machine accepte des pièces jusqu’à 400 x 300 x 120 mm et d’une masse pouvant atteindre 100 kg. Les courses X et Y sont de 300 x 200 mm, les déplacements rapides ayant lieu à 900 mm/mn. Fig. 10 - Afin d’attirer l’attention sur la facilité de mise en réseau de ses machines de découpage par fil, Mitsubishi a exposé une de ses machines ainsi reliée qui procédait à des travaux dont les appels de programmes agissaient directement dans la mémoire d’un poste de programmation installé à distance. Fig. 11 - Sur un modèle de machine de découpage par fil EWP-B3S3, Seibu faisait la démonstration du niveau de précision qu’il est possible d’atteindre en exploitant une technologie développée spécifiquement pour des utilisateur souhaitant sortir des pièces totalement finies. C’est une machine de découpage par fil d’ultra-précision destinée aux ateliers de mécanique de précision qui a été mise en avant par SEIBU lors de la dernière exposition JIMTOF de Tokyo, désignée EWP-B3S3 (fig. 11). Sa structure étudiée spécifiquement pour assurer durablement une haute précision fait appel à une base fortement caissonnée en fonte Meehanite dont les puissantes entretoises assurent une rigidité maximale, une haute stabilité thermique et l’absorption des vibrations. Sa table également de rigidité élevée est, en plus, thermiquement isolée par des éléments en céramique interposés entre elle et les glissières. Par ailleurs, le bras guide-fil inférieur est lui-même isolé thermiquement par une circulation d’eau et la présence d’un coussin d’air TRAMETAL - Décembre 2000 - 57 ÉLECTROÉROSION Fig. 12 Déroulement du cycle complet de pré-perçage automatique et de travail de découpage d’une machine à fil Seibu pourvue d’un équipement approprié susceptible d’être intégré lors de la construction de la machine. Fig. 13 Elargissant sa gamme de machines d’enfonçage série AQ, Sodick a lancé un modèle de capacité supérieure désigné AQ750L, bien entendu entièrement équipé de moteurs linéaires. Le réglage selon Z atteint 140 mm. Les électrodes utilisables peuvent avoir un diamètre de 0,07 à 0,2 mm. Parallèlement à ce modèle, le constructeur faisait la démonstration d’un travail de découpe à grande vitesse sur un modèle plus courant EW-C3S acceptant des pièces jusqu’à 600 x 550 x 220 mm. On soulignera que ce type de machine peut être équipé d’un système de perçage automatique des trous de départ (fig. 12) associé à un magasin d’électrodes saisies directement par déplacement de la broche. Machine à fil Sodick à moteurs linéaires de capacité accrue Dans la gamme de ses machines de découpage par fil série AQ, désormais équipées de moteurs linéaires sur tous les axes de déplacement, SODICK vient de sortir un modèle de plus grande capacité AQ750L (fig. 13) de 750 mm de course Z. Offrant des caractéristiques générales identiques à celles des autres modèles de la série (voir TRAMETAL numéro 49 d’Octobre 2000, pages 61 et 62), le concept constructif le plus “avant-gardiste” est bien l’adoption systématique de moteurs linéaires sur les trois axes de coordonnées, essentiel- Fig. 14 (à droite) - Construction de la broche à moteur linéaire des machines d’enfonçage Sodick de série AQ, montrant la disposistion des aimants et bobinages, ainsi que du vérin d’équilibrage. 58 - Décembre 2000 - TRAMETAL lement pour tirer parti de l’excellente précision qu’ils permettent par rapport à l’usage de vis à billes. En effet, la simplicité du mécanisme est telle que c’est le moteur lui-même qui se déplace, impliquant un risque de vibration nul ou si faible qu’il est négligeable mais offrant l’énorme avantage de pouvoir être commandé par les servo-mécanismes habituels avec une précision de positionnement de 0,1 µm à une vitesse de déplacement de 36 m/mn, vitesse déjà considérable pour une machine d’électroérosion. La première application chez Sodick de ce type de moteur remonte déjà à 1997 pour la construction de la broche d’un modèle AM35L. Toutes les machines de série AQ exploitent cette broche construite selon le schéma de la figure 14 pour tirer parti, non seulement de la haute précision mais, aussi et surtout, de la possibilité d’effectuer automatiquement des cycles de retrait quasi instantané pour l’évacuation des boues d’érosion lorsque la nécessité en est détectée par une analyse permanente des paramètres de courant. Cette broche exploite une colonne en céramique technique, matériau dont Sodick est expert de longue date, pour sa légèreté, sa rigidité et sa quasi insensibilité à toute déformation thermique. Deux rangées d’aimants sont disposées de part et d’autre de cette colonne, tandis que les bobinages complétant ce qui représente deux moteurs linéaires leur faisant face développent la force magnétique qui assure un mouvement doux ne risquant pas d’engendrer une quelconque déformation. Seulement, ces bobinages sont source d’un fort échauffement automatiquement évacué par la présence d’une circulation forcée d’eau. De manière à éviter le moindre risque de descente inopinée de la broche en cas de rupture de courant, il a été prévu une action d’équilibrage dans le sens de la gravité au moyen d’un piston pneumati- ÉLECTROÉROSION Fig. 15 - Construction d’un des moteurs linéaires Sodick monté pour les déplacements sur l’axe X. Simplicité de construction, compacité et incorporation le long du bobinage d’un circuit de refroidissement évitant tous inconvénients de diffusion thermique figurent parmi les caractéristiques de base de cette conception spécifique pour machines d’électroérosion. que. L’avantage de cette conception originale, outre la précision, la haute vitesse de déplacement et un coefficient d’accélération élevé, réside dans la valeur de l’effort développé qui atteint 500 N de chaque côté, soit 1000 N au total, avec une pointe jusqu’à 3000 N. On comprend aisément l’efficacité obtenue pour assurer, outre un usinage de précision par l’excellent positionnement de la broche sur son axe Z, une qualité de “pompage” supérieure des boues hors du gap d’usinage par le puissant effet de succion toujours identique résultant d’un retrait à très haute vitesse avec retour exactement à la position de départ, d’où une bien plus grande facilité d’usinage de pièces de formes parfois très complexes à l’intérieur desquelles ont normalement tendance à s’incruster les résidus d’érosion. Cette fonction, outre le fait d’assurer une qualité d’usinage supérieure, offre l’énorme avantage de pouvoir atteindre un haut niveau d’automatisation. Pour les déplacements linéaires, Sodick a étudié et développé une gamme de moteurs linéaires spécifiques à diverses applications, notamment une série ST (fig. 15) de onze modèles de courses de 420 à 2220 mm développant une poussée de 250 ou 330 N avec des vitesses de 180 ou 40 m/mn selon la longueur de course et une accélération de 12 g. Tribune exceptionnelle de l’électroérosion Il est évident que le déroulement rapproché de grandes expositions de machines-outils au cours des années paires contribue au lancement sur le marché de nouveaux modèles - voire de développements technologiques importants - dans le secteur de l’électroérosion, ce qui explique la fréquence d’analyse dans ces pages des caractéristiques de ces machines. Dans l’intervalle, TRAMETAL se place comme la revue technique de l’usinage par électroérosion avec la publication d’articles de base exclusifs et de rapports d’expériences pratiques d’exploitation de cette technologie dans des entreprises possédant, de fait, une expérience remarquable qu’elles acceptent de confier à l’équipe rédactionnelle de la Revue au bénéfice de ses Lecteurs. Le témoignage spontané de beaucoup d’entre eux démontre l’intérêt qu’ils y portent, ce qui ne manque pas d’inciter à développer toujours plus ce type d’information dans ces pages. ❑ TRAMETAL - Décembre 2000 - 59