Qu'est-ce que l'usinage par électroérosion (EDM) ?

L'usinage par électroérosion (EDM) est une méthode de façonnage de pièces par enlèvement de métal par érosion. Cette érosion est provoquée par la température extrêmement élevée générée instantanément par une décharge pulsée entre une électrode-outil et une électrode-pièce.

Le schéma illustre le principe d'un système d'électroérosion. Les deux pôles d'un générateur d'impulsions sont respectivement reliés à l'électrode-outil et à la pièce à usiner. Lorsque ces deux pôles sont rapprochés dans le fluide de travail, la tension à leurs bornes provoque l'électrolyse du fluide, créant une décharge électrique. Cette décharge génère instantanément une chaleur intense dans le canal de décharge, atteignant des températures très élevées (plus de 10 000 °C). Cette chaleur intense provoque la fusion, voire la vaporisation, de minuscules zones localisées de la pièce et de l'outil, entraînant une érosion qui laisse un minuscule cratère.

Ce processus de décharge se répétant de nombreuses fois, la surface de la pièce se couvre d'innombrables micro-cratères. L'électrode est acheminée en continu vers le bas, et son contour est reproduit fidèlement sur la pièce, achevant ainsi son usinage.

Composants d'une machine EDM

Une machine EDM se compose d'une alimentation électrique à impulsions, d'un système de contrôle d'avance automatique, du corps de la machine (la structure principale) et d'un système de circulation et de filtration du fluide de travail.

Alimentation à impulsions

Le rôle de l'alimentation par impulsions est de convertir le courant alternatif standard de 50 Hz en courant pulsé haute fréquence. Ce courant est appliqué à l'électrode-outil et à la pièce à usiner afin de fournir l'énergie nécessaire à la décharge électrique. Le générateur d'impulsions représenté sur le schéma est un modèle simple, composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Une source d'alimentation CC (E) charge le condensateur (C) à travers la résistance (R). Lorsque la tension aux bornes du condensateur augmente, elle atteint un seuil critique où l'espace entre l'électrode-outil (cathode) et la pièce à usiner (anode) est rompu, provoquant une étincelle. Lors de cette étincelle, le condensateur libère son énergie emmagasinée, la tension entre les électrodes chute brutalement et le fluide de travail retrouve ses propriétés isolantes. L'alimentation se met alors immédiatement à recharger le condensateur. Ce cycle se répète continuellement, générant des milliers, voire des dizaines, d'impulsions de décharge par seconde.

L'usinage par électroérosion (EDM) nécessite l'utilisation de décharges pulsées. Durant l'intervalle entre chaque impulsion, le fluide isolant entre les électrodes doit avoir le temps de retrouver son état isolant. Ceci est essentiel pour que l'impulsion suivante rompe l'entrefer et provoque une décharge en un point différent, relativement proche, évitant ainsi une décharge continue au même endroit, qui formerait un arc électrique stable. Un arc électrique stable dure trop longtemps, crée une couche fondue plus épaisse et ne permet que le soudage ou le découpage, rendant impossible l'obtention de la précision et de la finition nécessaires à l'usinage dimensionnel.

Lors de l'usinage par électroérosion (EDM), la pièce et l'électrode-outil s'érodent. Cependant, la vitesse d'érosion diffère entre l'anode (reliée à la borne positive) et la cathode (reliée à la borne négative). Ce phénomène est appelé « effet de polarité ». Afin de réduire l'usure de l'électrode-outil et d'améliorer la précision d'usinage et la productivité, il est essentiel de maximiser cet effet : la pièce doit s'éroder le plus rapidement possible, tandis que l'outil doit s'éroder le plus lentement possible. C'est pourquoi une alimentation en courant continu pulsé est indispensable pour l'EDM. Avec une alimentation en courant alternatif pulsé, la polarité de la pièce et de l'outil s'inverserait constamment, annulant ainsi l'effet de polarité. Ce dernier dépend généralement de facteurs tels que la largeur d'impulsion, le matériau de l'électrode et l'énergie d'une impulsion, qui déterminent collectivement la polarité optimale pour une application donnée.

Système de contrôle d'alimentation automatique

Le système de contrôle automatique de l'avance ajuste la vitesse d'avance de l'électrode-outil afin de maintenir l'écart de décharge requis entre l'outil et la pièce, garantissant ainsi le bon fonctionnement du processus de décharge pulsée.

Corps de la machine

Le corps de la machine est le dispositif mécanique utilisé pour fixer, attacher et déplacer l'électrode-outil et la pièce à usiner.

Système de circulation et de filtration du fluide de travail

Le système de circulation et de filtration du fluide de travail propulse ce dernier sous pression à travers l'espace entre l'électrode-outil et la pièce à usiner. Ce procédé élimine rapidement les particules d'érosion, puis filtre le fluide pour une réutilisation continue. Le kérosène ou l'huile de machine sont les fluides de travail les plus couramment utilisés aujourd'hui.

Les machines d'électroérosion sont disponibles dans une large gamme de produits. Selon la méthode d'usinage, elles peuvent être classées en deux grandes catégories :

1. L'électroérosion par enfonçage (EDM par enfonçage) est un procédé de fabrication qui utilise une électrode-outil de forme spécifique pour usiner les caractéristiques correspondantes sur une pièce. Ce procédé exploite l'effet électro-érosif de décharges pulsées entre une électrode-outil et une électrode-pièce, au sein d'un milieu diélectrique particulier. L'électrode-outil est généralement une électrode profilée en cuivre électrolytique ou en graphite, pouvant être façonnée selon la géométrie souhaitée. La forme ainsi usinée dans la pièce est la cavité négative correspondante.
2. L'électroérosion à fil (EDM) est une machine qui utilise un fil-électrode pour usiner des profils bidimensionnels sur une pièce. Fonctionnant selon le principe fondamental de l'usinage par électroérosion à fil (EDM), elle utilise un fil métallique fin en mouvement continu (fil-électrode) pour enlever du métal et façonner la pièce grâce à des décharges d'étincelles pulsées.
3. Le procédé est généralement classé en deux catégories : l’électroérosion à fil à basse vitesse et l’électroérosion à fil à haute vitesse. Il utilise généralement des électrodes de fil d’un diamètre compris entre 0.1 mm et 0.3 mm pour usiner des pièces à surface réglée traversante, telles que des pièces poinçonnées ou des cavités de matrices.

L'électroérosion à fil (EDM) consiste à usiner une pièce par érosion électrique, grâce à une décharge pulsée entre un fil métallique en mouvement continu (l'électrode-outil) et la pièce à usiner. Le fil-électrode utilisé est très fin (généralement de 0.04 mm à 0.25 mm de diamètre) et est composé de molybdène, de tungstène ou de cuivre. Ce procédé offre une grande précision, avec des tolérances aussi faibles que ±0.005 mm et une rugosité de surface (Ra) comprise entre 3.2 µm et 1.6 µm. Il permet d'usiner des cavités précises, étroites et complexes et est utilisé pour la fabrication de moules et d'outils de formage.

Le schéma représente une machine d'électroérosion à fil. La bobine de fil alterne son sens de rotation pour alimenter la pièce. L'alimentation par impulsions fournit l'énergie d'usinage, provoquant des décharges entre le fil en mouvement continu et la pièce à usiner. La table de travail CNC supportant la pièce peut se déplacer indépendamment selon les axes X et Y, dont la combinaison permet de créer différentes trajectoires et d'usiner la pièce selon la forme souhaitée.

Comparée à l'électroérosion par enfonçage, l'électroérosion à fil ne nécessite pas d'électrode-outil spécifique. De plus, le fil métallique, qui sert d'électrode, est en mouvement constant pendant l'usinage, ce qui élimine quasiment toute usure. Pour l'usinage d'une même pièce, la quantité totale de matière enlevée par électroérosion à fil est inférieure à celle obtenue avec l'électroérosion par enfonçage classique, ce qui se traduit par une productivité accrue et une consommation d'énergie réduite.

Caractéristiques et applications de l'électroérosion

L'usinage par électroérosion (EDM) convient aux matériaux métalliques bons conducteurs d'électricité, indépendamment de leur résistance, dureté, ténacité ou point de fusion. Il s'agit donc d'une méthode efficace pour l'usinage de matériaux difficiles à travailler par les procédés traditionnels, tels que l'acier réfractaire, l'acier trempé et le carbure cémenté.

L'absence de contact direct entre l'outil et la pièce élimine les forces de coupe. L'électrode-outil peut ainsi être fabriquée à partir de matériaux plus tendres comme le cuivre pur ou le graphite. Ce procédé permet également l'usinage de pièces à parois fines, de petits trous et de rainures étroites sans se soucier de la rigidité de l'outil ou de la pièce. De plus, il est possible d'usiner en une seule étape des cavités complexes et des surfaces courbes tridimensionnelles sans craindre des forces de coupe excessives sur une grande surface usinée.

Dans l' service d'usinage par électroérosionUn ensemble de paramètres électriques ajustés, tels que la tension, le courant, la fréquence et la largeur d'impulsion, est appelé spécification d'usinage. Ces spécifications se divisent en deux types : ébauche et finition, afin de répondre aux différents besoins de traitement. Le choix de la spécification d'usinage est étroitement lié à la précision dimensionnelle et à la rugosité de surface requises de la pièce. Généralement, l'erreur dimensionnelle pour le perçage de trous avec la spécification de finition peut atteindre 0.05 mm, et environ 0.1 mm pour l'usinage de cavités, avec une rugosité de surface (Ra) comprise entre 3.2 µm et 0.8 µm. L'électroérosion (EDM) possède un très large éventail d'applications, notamment :

• Usinage de différents types de trous, tels que des trous pour matrices de poinçonnage, des filières de tréfilage et des filières d'extrusion.
• Usinage de cavités courbes tridimensionnelles, telles que les cavités dans les matrices de forgeage, les moules de fonderie sous pression et les moules en plastique.
• Réalisation de découpes, de sections, de renforcements de surface, de gravures et de marquages ​​sur plaques signalétiques et étiquettes.

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