et la technique de l`étincelage - ETH E

Prom. Nr. 2922
L'arc
électrique
et la
court à
plasma réduit
technique de l'étincelage:
électro-érosion et traitements
superficiels
Thèse
présentée
à l'Ecole
pour l'obtention du
Polytechnique Fédérale, Zurich
grade
de Docteur es Sciences
Techniques
par
GEORGES FISCHER
ing. dipl. de l'Ecole Centrale des Arts
et
Manufactures de Paris
citoyen français
Rapporteur:
Professeur Ed. Gerecke
Corapporteur:
P.-D. Dr. W. Rieder
Juris-Verlag,
1959
Zurich
5
-
technique de l'étincelage groupe
superficiel
intermittentes.
le durcissement
superficiel
Les
vibrante,
au
point
nous avons
ques des différents
un nouveau
d'une
technique
par électro-éro¬
"désintégration"
la
de forêts
son
domaine d'application, et
procédé: celui du dépôt de carbures
sur¬
par électrode
de
a
physico-chimiques
et
suscep¬
l'étincelage.
ces
procédés, l'industrie envisage leur utilisa¬
formulé le
problême
du bureau d'études machine
du durcissement
superficiel
termes:
électrique
"Par voie
en
et étendre
quelque temps déjà, le directeur
Voici
grande entreprise française
en ces
et de traitement
succession de dé¬
l'usinage
sont:
vibrante,
phénomènes électriques, physiques
Intéressée par les résultats de
généralisée.
connus
une
déterminé expérimentalement et théoriquement les caractéristi¬
tibles d'intervenir dans la
tion
procédés d'usinage
pièce usinée.
perfectionner cette technique
tout pour mettre
plus
par électrode
et tarauds cassés â l'intérieur d'une
Pour
tous les
de corps conducteurs et semi-conducteurs utilisant
charges électriques
sion,
DES RESULTATS OBTENUS
APERÇU
1. BUT DE L'ETUDE ET
La
-
acier
(acier
au
on se
carbone,
propose d'obtenir â la surface de
acier
allié...)
très mince de carbures métalliques
ou
et
après
leur
pièces mécaniques
usinage définitif,
de martensite très
dure,
une
dans le but
couche
d'augmenter
la résistance â l'usure des surfaces ainsi traitées.
La couche durcie doit être
La couche
0,5
mm en
durcie,
homogène
et
parfaitement adhérente.
éventuels,
pour résister â des chocs
ne
doit pas excéder
profondeur.
La structure du métal de base
(généralement
acier
non
trempé)
ne
doit pas être
modifiée.
L'échauffement de la pièce doit être limité pour éviter les
déformations et la
formation de contraintes internes préjudiciables quant à la résistance mécanique de
la
pièce.
Le traitement
ne
doit pas modifier
beaucoup
les dimensions de la
La résistance à l'usure de la couche durcie doit être
frotte
une
sur une
surface
autre surface traitée
en
électriquement,
pièce.
grande, même lorsqu'elle
sur une
surface
en
carbure,
sur
acier...
Destiné â l'amélioration des outils de coupe et de
l'outillage
procédé doit réussir là où le rechargement dur par soudage à
en
général,
ce
l'arc laisse â désirer.
"
6
-
L'usinage par électro-érosion est
et
en
carbure fritte.
ques sont
Pour
ces
est maintenue à
procédé d'usinage de pièces
un
matériaux très
impossibles à l'exception
A l'aide d'un
-
de
l'usinage par meules diamantées.
distance de l'ordre du
outil
de
décharges
généralement
un
Eg
liquide diélectrique
successives produites par
un
cuivre,
en
constituée par la
et
sous
générateur d'impulsions
courant, l'électrode outil pénètre dans la pièce â. usiner. Voir figure 1.1.
L'
usure
de la
dureté de cette
n'est pas
pièce â usiner est prépondérante et cela indépendamment de la
pièce,
mais pour les machines
circuit de
h
Fig. 1.1
Schéma de
circuit de
l'usure de l'électrode outil
z
impédance de charge
condensateur
décharge
1
principe d'une machine â
c
usiner par électro-érosion
de courant continu
électrode mobile
électrode fixe
(pièce
à
usiner)
servo-moteur de l'électrode mobile
G.
glissière
B
bac contenant le
Contrairement à l'idée
un arc
liquide diélectrique
généralement admise par les techniciens
décharge électrique utilisée
est
:
^+*
source
S.M.
soit
charge
S
E1
E?.
secondes,
classiques
négligeable.
.
la
Ep
de l'électrode
um
pièce à usiner. Ces électrodes sont immergées dans
l'action d'une suite de
trempé
tous les modes d'usinages classi¬
durs,
servo-mécanisme, l'électrode
une
acier
en
en
électro-érosion,
électrique stable,
du
type
dont la durée
arc court
le diélectrique qui baigne les électrodes, cet
arc
â
de
l'étincelage,
se mesure en
plasma
jaillit dans
réduit et
une
micro¬
quel que
atmosphère de
7
-
vapeurs
métalliques.
caractères des
par
émission froide et
la durée
de
la
Cet
qu'une très faible partie
reproductible et
lisé par
court â
arc
exemple
1 um,
0,1...
précises
mesures
ont montré
que
plasma réduit
cathodique
et
tunnel,
secondes;
répète identiquement â
durée de vie
dépend surtout
générateur.
classique tel qu'il
par la très faible distance entre les
par la très forte densité de
d'étendue de la tache
se
sa
différencie de l'arc
soudage à l'arc,
pour le
10
•
décharge. Ainsi, toutes choses
pas unique et
non
se
de la
électro-érosion
en
par effet
arc
transitoires est inférieure â 30
l'impulsion de courant fourni par le
de
des
la disparition de cet
pour
décharge utilisée
elle est
elle-même,
quelquefois
phénomènes
ces
ils n'intéressent donc
égales ailleurs,
décharge,
Pour cette
phénomènes transitoires apparaissent pour l'amorçage de l'arc
les
mais
-
courant, de l'ordre
anodique
et par
une
de 10
fi
A/cm
tension d'arc
est uti¬
électrodes,
9
l'égalité
par
,
indépendante de
l'intensité du courant.
L'étude
énergétique
essentiellement dû â
décharge polarisée,
produite
Cette
décharge
par
un
de conductivité
calorifique
préfèrent
Le
(i
au
germanium
inductif.
sans
et
et
A)
ou
et à
est
les électrodes
encore
d'autant
plus d'ailleurs
en
diminuée si l'on
de fusion
laiton
d'usinage
élevée,
aux
de l'électrode
électrodes
en
adopte pour
â fort coefficient
et de
vaporisa¬
outil, certains
cuivre, tungstène
mobile,
Le
en
a
pu être réalisé par
même
au
silicium,
Outre la
un
circuit oscillant associé â
et pour les
impulsions de
des redresseurs
propriété
de
de très forte
produire
des
a
un
intensité
redresseur
l'évolution de la
décharge
en arc
plus de l'importance
été contrôlée à l'aide d'un
shunt
impulsions de courant polarisées
nique:
voir
permanent par contact métallique
court par émission froide d'électrons
de la stabilité du servo-mécanisme de l'électrode
que la machine â usiner par
figure 6.8.
par
un
court
continu.
le court-circuit
décharge.
procédé de durcissement superficiel par électrode vibrante utilise
porte-outil étant remplacé
sec
courte durée utilisées
l'effet favorable d'une faible valeur de l'inductance du circuit de
plus simple
ou
fritte.
électrodes, l'étude de l'amorçage de l'arc
montré,
une
pour
polarisée,
courant
grande chaleur de fusion
de facilité
questions
Corrélativement, pour éviter
a
Ainsi,
perte notable d'énergie, les redresseurs contribuent à l'extinction de l'arc
empêchent
des
l'anode.
faible,
est très
température
électrique
électro-érosion, l'efficacité
en
non
de
générateur d'impulsions de courant polarisées
100 ...2000
=
sur
est plus courte.
corps conducteur â
tion. Néanmoins pour des
cuivre-tungstène
impulsion
une
(électrode outil)
relative de l'électrode outil est
usure
cette électrode
techniciens
montre que l'enlèvement de matière
des électrons arrivant
l'énergie
l'usure relative de la cathode
que la durée de la
décharge
de la
un
ensemble
électro-érosion, le servo-mécanisme du
vibreur
électromagnétique, pneumatique
ou
méca¬
8
-
généralement
L'électrode mobile
la
pièce à traiter. Cette
"avec"
pour
ou
carbure
plasma
de la
des électrodes:
décharge,
décharge
fait
une
profondeur
signal thermique long,
Par suite de
l'évaporation
^40 V,
(U
p. H
L^20pH)
généralement après le contact métallique
une
trempe superficielle due â réchauffement
intéressée par l'arc de courte
zone
en arc
électrodes par la valeur de
c'est l'arc de rupture.
Pour avoir
évolue
aux
V/
inférieure à 2
arc se
par
c
de
un arc
de
0,5
mm,
il faut
rupture de grande durée, voisine de 1
de l'électrode
mobile,
l'arc court â
la densité de courant dans la tache
plasma;
ra¬
rapide
pièce après interruption de l'arc.
trempe importante, de l'ordre
'est â dire
l'éloignement
avec
de
du refroidissement
durée,suivi
par conduction de la chaleur à l'intérieur de la
un
avec
corps conduc¬
court, d'abord "sans" plasma, puis
encore un arc
Le durcissement produit est
pide de la
contact
un
l'augmentation de la distance entre les électrodes. Mais
quotient, de la tension maximum
l'inductance du circuit de
l'amorçage
est
par suite de
valeur du
une
en
métallique.
décharge produite
La
cathode vient périodiquement
électrode est nécessairement constituée par
température de fusion généralement tungstène, quelquefois graphite,
teur â haute
molybdène
-
ms.
plasma réduit
anodique diminue,
du métal de l'anode aussi et le cratère résultant est étendu mais peu
profond.
La diffusion des atomes de l'électrode mobile dans la
pour le carbone
seulement,
et même dans
par la diffusion est inférieure à 10
L'intérêt du durcissement
froide dans
ensemble:
son
n'apparaissent pas,
de
traitée n'est décelable
cas, la profondeur de la
zone
influencée
um.
superficiel réside dans le fait que la pièce traitée reste
déformations,
plus,le
ce
pièce
contraintes internes et
traitement
peut
se
limiter à
tappures de trempe
partie seulement de la
une
surface.
Les
usinée
"désintégrateurs" utilisés pour éliminer des parties dures
sans
cet arc
sur
l'endommager
utilisent
la même surface
métallique
soluble) produit l'éloignement
mobile^â
la fois par
~
15
Le
en
milieu liquide
par destruction de la
(U
•*
12
V) peut
sur une
pièce
rupture. L'action répétée
(eau
de
additionnée d'huile
partie martelée par l'électrode
et effrittement. Pour
ces
appareils,
être inférieure à la tension de l'arc court
V).
procédé du dépôt de carbure
transformation
allotropique
ou
par électrode vibrante
chimique
celle-ci
pouvant être
en
ne
de la surface mais â
provenant de l'électrode mobile, généralement
traiter,
l'arc de
électro-érosion, oxydation
la tension de la source
(Ua
également
acier doux.
en
carbure
conduit pas à
un
fritte,
dépôt
sur
de
la
une
carbure,
pièce à
9
-
Ce transport de matière
pas assuré par l'arc
liquide
électrique
des électrodes
A
décomposition
durée de cet
arc
et
fait essentiellement de l'anode à la cathode. Il n'est
mais
courant le
dépôt
rupture, qui
si le
Voir
même de cet
Conformément
procédé
ou
dépôt
envisagé.
d'où
un
circuit de
aux
trempe superficielle utilise
Nous
arc.
En
effet,
les corps
un
composés
rupture dissymétrique
de la
expérimenté dans cette étude, n'avait
avons
sont
décomposés
carbure
en
sur
réalisé
ce
dépôt
théorique
avec
ont été vérifiées.
une
dépôt hétérogène.
zone
encore
des électrodes
de titane et de tantale et pour les différentes électrodes
duites de l'étude
une
publications d'un Professeur d'une Ecole allemande
de carbure par
et
décharge â
figure 6.10.
par
transport de matière dans l'arc d'une électrode
électrodes, décrit
courant,
ce
métallique, produise
rupture, le procédé de durcissement par dépôt de carbure né¬
pièce métallique conduit nécessairement à
de
est fonction de l'intensité de
courte, inférieure â 10 us,
procédé de durcissement
succession d'arcs de
par l'arc et le
de la rupture de la soudure
l'évaporation du carbure précédemment déposé, il faut que la
soit très
cessite l'absence
au moment
suit l'ouverture du contact
inductance nécessairement très faible.
Ainsi,
produit
se
qui accompagne l'ouverture du contact.
chaque rupture du
et pour éviter que l'arc de
la
se
-
en
[l],
de soudure
le
des
jamais été réalisé
carbure de
tungstène,
essayées les conclusions dé¬