Types d'usinage par électroérosion : Guide de l'usinage par électroérosion

Dans l'industrie de l'usinage, les fabricants sont souvent confrontés à des pièces trop résistantes, trop fines ou tout simplement trop complexes pour les méthodes d'usinage conventionnelles. C'est précisément là que l'usinage par électroérosion (EDM) révèle toute sa valeur. En enlevant de la matière par décharges électriques contrôlées plutôt que par force, cette technique d'usinage CNC permet de respecter des tolérances strictes dans les aciers à outils, les carbures, le titane et autres alliages exotiques.

Ce procédé d'usinage par décharge électrique peut être classé en de nombreuses variantes en fonction de la méthode d'usinage ; les plus couramment utilisées sont l'électroérosion à fil, l'électroérosion par enfonçage et l'électroérosion par perçage.

Électroérosion à fil (WEDM)

Principe de fonctionnement et configuration

L'électroérosion à fil utilise un fil électriquement chargé et tendu en continu, généralement en laiton ou en laiton revêtu, comme électrode mobile. Le fil n'entre jamais en contact avec la pièce. Un espace contrôlé est maintenu tandis que la CNC guide le fil le long d'une trajectoire programmée. La pièce est immergée dans de l'eau déionisée, qui agit comme diélectrique et évacue efficacement les débris. Les guide-fils supérieur et inférieur permettent d'incliner ou d'effiler le fil pour créer des angles.

Le générateur de la machine module l'énergie, la durée et la fréquence des impulsions lors des passes d'ébauche et de lissage. Les ébauches privilégient la vitesse, laissant la place aux lissages successifs qui ajustent la tolérance et l'état de surface. Le bridage est essentiel : une configuration solide et thermiquement stable, des références précises et des trajectoires de rinçage performantes ont un impact direct sur la précision et le rendement.

Applications et matériaux typiques

Les machines d'électroérosion à fil sont généralement utilisées pour les profils complexes : matrices, poinçons, engrenages, cannelures, composants médicaux et contours 2,5D complexes difficiles, voire impossibles, à usiner. Elles sont particulièrement performantes sur les aciers à outils trempés (A2, D2, H13), le carbure de tungstène, le titane, l'Inconel et autres superalliages. L'usinage est un exemple courant. matrices de moulage sous pression à partir d'un bloc, produisant des inserts de précision, sectionnant des pièces cassantes ou durcies sans induire de contraintes et créant des bandes minces ou des éléments délicats sans distorsion.

Avantages et limites

• Précision et finition:Le maintien de ±0,0001–0,0002″ est courant sur les configurations stables, et les finitions de surface inférieures à 1 μm Ra sont réalisables avec plusieurs passes d'écrémage.
• Contrainte mécanique minimaleL'absence d'effort de coupe permet de préserver les parois fines et les détails fins. Les zones affectées thermiquement sont réduites et les couches de refonte sont fines.
• Adapté à l'automatisation:Le filetage automatique, la récupération des fils cassés et le sondage intégré permettent des exécutions fiables en mode veille, en particulier sur les profils plus longs.

LimitesLe fil doit accéder physiquement au contour, ce qui signifie qu'il est impossible de réaliser des contre-dépouilles ou des cavités fermées. L'entrée nécessite un trou de départ, sauf si le point de départ est situé sur une arête. Les pièces hautes peuvent nécessiter un rinçage minutieux afin de maintenir la stabilité et de minimiser l'érosion et les ruptures du fil.

EDM par enfonçage (EDM par enfonçage/conventionnelle)

Électrodes, outillage et formation de cavités

L'électroérosion par enfonçage, aussi appelée enfonçage, utilise une électrode profilée, généralement en graphite ou en cuivre, montée sur un coulisseau. L'électrode est placée sur le négatif de la cavité, puis « enfoncée » dans la pièce sous servocommande, tandis que la décharge d'étincelles érode le matériau. L'huile à base d'hydrocarbures est un diélectrique courant. L'orbitation (petits mouvements programmés comme des orbites circulaires ou vectorielles) améliore le rinçage, l'état de surface et garantit des dimensions finales sans surchauffe des coins.

Le choix des électrodes est déterminant : le graphite assure une vitesse plus élevée, résiste à la chaleur et convient aux cavités plus grandes ; le cuivre conserve bien les détails et permet d'obtenir des finitions plus fines. Les fabricants expérimentés utilisent souvent plusieurs électrodes : une électrode d'ébauche pour l'usinage, une électrode de semi-finition pour la stabilisation des parois et une électrode de finition pour les tolérances et les Ra les plus serrés.

Applications, tolérances et finition de surface

L'électroérosion par enfonçage est une option incontournable pour les empreintes de moules 3D, les gaufrages, les nervures, les poches profondes, les logos et les géométries inaccessibles à un fil droit. Des tolérances de ± 0,0002 à 0,001 pouce sont réalistes selon la taille et la configuration, avec des états de surface inférieurs à 1 μm Ra possibles lors des brûlures de finition. L'électrode conférant la géométrie, les assemblages complexes et les formes libres sont courants. moules d'injection et des outils de moulage sous pression.

Avantages et limites

• Véritable capacité 3D : Sa principale force réside dans la création de cavités aveugles, de contre-dépouilles et de formes tridimensionnelles complexes impossibles à produire par électroérosion à fil.
• Finition de surface supérieure : Capable de produire des finitions de surface exceptionnellement fines sur des contours complexes, éliminant souvent le besoin de polissage manuel.

LimitesCette érosion constante nécessite une compensation d'usure lors de la programmation et nécessite souvent la fabrication de plusieurs électrodes pour une même tâche. Le taux d'enlèvement volumétrique est généralement plus lent que celui de l'électroérosion à fil, ce qui le rend moins efficace pour l'enlèvement de matière à grande échelle. De plus, chaque cavité nécessite une électrode dédiée, et les empreintes profondes et étroites présentent souvent des difficultés de rinçage diélectrique, ce qui peut compromettre la vitesse et la précision.

Perçage de trous par électroérosion (EDM pour trous rapides/petits trous)

Mécanique des procédés

Le cœur de l'électroérosion par perçage est une électrode tubulaire rotative à grande vitesse, généralement en laiton, en cuivre ou en cuivre-tungstène résistant à l'usure. Ce tube creux fait généralement office de cathode et la pièce d'anode. Un générateur délivre des impulsions électriques haute fréquence dans l'espace entre les deux, créant une série d'étincelles contrôlées qui vaporisent et érodent le matériau.

Le fluide diélectrique sous pression – généralement de l'eau déionisée – pompé au centre de l'électrode en rotation est essentiel au processus. Il remplit deux fonctions essentielles : il chasse avec force les particules érodées de l'espace étroit pour éviter les courts-circuits, et il déionise le canal pour maintenir un état d'étincelles stable. La rotation de l'électrode assure une usure uniforme et contribue à obtenir un trou plus droit en stabilisant le tube. Un système d'asservissement ajuste en permanence la position de l'électrode pour maintenir un espace d'étincelles précis à mesure que le trou s'approfondit, permettant ainsi la création de trous profonds et de petit diamètre dans les matériaux trempés sans la déflexion de l'outil qui constituerait un danger en usinage traditionnel.

Cas d'utilisation : trous de démarrage et de refroidissement

Il est courant pour les fabricants de recourir au perçage par électroérosion pour les trous d'amorçage avant l'électroérosion à fil, lorsque le profil commence loin d'un bord. C'est également la norme pour les petits trous de refroidissement à rapport d'aspect élevé dans les aubes de turbine, les motifs de refroidissement par effusion et par film, et les trous précis dans les composants médicaux ou microfluidiques. Les superalliages à base de nickel, le titane et les aciers trempés sont tous des candidats appropriés, à condition qu'ils soient conducteurs.

Vitesse, précision et limites

• Vitesse de perçage des trous : Le perçage par électroérosion est exceptionnellement rapide pour la création de petits trous profonds, notamment dans les matériaux conducteurs et résistants, où le perçage conventionnel est lent, voire impossible. La vitesse dépend principalement de la pression diélectrique, du matériau de l'électrode et de l'alliage spécifique à percer, ce qui permet des trous d'amorçage rapides et des motifs de perçage à haut débit.
• Précision du diamètre : Ce procédé excelle en termes de précision de positionnement et de production de trous droits à rapport hauteur/largeur élevé avec des diamètres aussi petits que 0,015 pouce.

Limites: La spécialisation en matière de précision implique également des compromis. La finition de surface des trous est généralement plus rugueuse que celle obtenue par électroérosion à fil ou par passes de finition par électroérosion par enfonçage. De plus, le procédé est limité à des trous principalement droits et ne permet pas de créer des formes cintrées. Enfin, la chaleur intense et localisée peut laisser une couche de refonte et de petites bavures aux points d'entrée et de sortie, ce qui peut nécessiter une seconde finition pour les applications critiques.

Machines EDM spécialisées et procédés hybrides

EDM à poudre mélangée (PMEDM)

En suspendant des poudres conductrices ou semi-conductrices dans le diélectrique, cette technique permet d'élargir le canal de décharge, de réduire la densité énergétique et d'améliorer l'état de surface tout en réduisant l'usure des outils. Le PMEDM est précieux pour les passes de finition sur les moules ou les composants où l'intégrité de la surface est importante. Il nécessite une filtration et un contrôle du procédé pour maintenir une concentration constante.

Fraisage/orbitation EDM pour formes 3D

Également appelée fraisage par électroérosion à piston, cette approche utilise une petite électrode qui suit un parcours 3D et orbite pour créer des formes complexes, à la manière d'une fraise à boulets, sans les efforts de coupe. Elle est efficace pour les pièces délicates ou difficiles d'accès et permet de réduire le nombre d'électrodes dédiées.

Comparaison des performances des différents types de machines d'électroérosion

Vitesses de coupe et facteurs de temps de cycle

• EDM à filVitesse relative élevée pour les coupes périphériques, notamment sur les profils longs à hauteur constante. Le temps de cycle dépend de la hauteur de la pièce, de la longueur du contour, du nombre de passes et du rinçage.
• Machine à impulsions électro-magnétiques (EDM)Taux d'enlèvement moyens : surface de l'électrode, stratégie orbitale et temps de rinçage. La fabrication des électrodes augmente les délais.
• Forage de trous:Rapide pour les petits trous profonds : le débit dépend de l'usure de l'électrode, de la pression diélectrique et de l'alliage.

Précision, tolérances et état de surface (Ra)

• EDM à fil: Très haute précision : ±0,0001–0,0002″ courant, <1 μm Ra réalisable avec plusieurs écrémages.
• Machine à impulsions électro-magnétiques (EDM):Haute précision : ±0,0002–0,001″ typique : <1 μm Ra sur les brûlures de finition avec énergie réglée et orbite.
• Forage de trous:Haute précision de positionnement pour l'emplacement des trous ; la finition de surface est modeste par rapport au fil/plomb.

Effets thermiques : couche de refonte, microfissures et ZAT

Tous les procédés d'électroérosion produisent une fine couche de refonte potentiellement microfissurée, bien que la zone affectée thermiquement (ZAT) soit généralement peu profonde. Ce phénomène peut être atténué par des passes de finition à faible énergie, des paramètres d'impulsion optimisés, un rinçage adéquat et un polissage ou une rectification légère post-traitement lorsque l'intégrité de la surface est critique (par exemple, pour les composants aéronautiques sujets à la fatigue).

Sélection pour vos besoins en usinage par décharge électrique

Maintenant que vous connaissez les différents types d'électroérosion, il est temps de les résumer pour vous aider à choisir votre procédé d'usinage. Les critères de sélection peuvent être divisés en quatre aspects.

Considérations sur la géométrie et les caractéristiques

• Contours ouverts et profils traversants: Choisissez l'électroérosion à fil. C'est idéal lorsque le fil peut accéder à l'intégralité du parcours sans contre-dépouilles.
• Cavités fermées et véritables formes 3DChoisissez l'électroérosion par enfonçage. Elle crée des formes inaccessibles aux fils et transfère une géométrie complexe depuis une électrode.
• Petits trous profonds et droits: Choisissez le perçage par électroérosion. C'est la solution la plus rapide pour obtenir des trous de départ et des fonctions de refroidissement à rapport d'aspect élevé.

Matériau, dureté et état de traitement thermique

Tous les types d'usinage par électroérosion nécessitent une conductivité, mais la dureté n'est pas un facteur limitant, car l'électroérosion s'adapte parfaitement aux aciers à outils traités thermiquement, aux carbures, au titane et aux alliages de nickel. Si la stabilité dimensionnelle après traitement thermique est importante, l'électroérosion après trempe élimine le risque de déformation due aux forces d'usinage. Pour les carbures ou les matériaux délicats, privilégiez le fil ou des paramètres de fraisage soigneusement réglés afin de minimiser les microfissures.

Taille des lots, coût et économie de l'outillage

• Prototypes et petites séries:L'électroérosion à fil minimise l'outillage initial et nécessite peu d'électrodes, ce qui la rend rentable pour les pièces uniques et les petites séries.
• Moules à grand volume ou cavités répétéesL'électroérosion par enfonçage devient économique lorsque la conception et la fabrication des électrodes sont amorties sur plusieurs pièces. Des stratégies d'électrodes efficaces (ébauche/finition, géométries partagées) réduisent le coût total.
• Cellules de forage de trous:Pour les modèles de trous de refroidissement récurrents, le perçage EDM dédié avec automatisation fournit un débit prévisible.

Automatisation, montage et surveillance des processus

L'électroérosion moderne permet une production sans surveillance. Les enfileurs automatiques, les changeurs d'outils, le palpage en cours de fabrication et la surveillance des machines réduisent les temps d'arrêt et les rebuts. Priorités :

• Diélectrique propre et filtration stable pour maintenir la stabilité de l'étincelle.
• Fixation rigide avec des références fiables pour garantir la répétabilité sur les écrémages ou les électrodes.
• Générateurs adaptatifs et contrôle des angles pour protéger la précision sur un rayon interne serré.
• SPC et enregistrement de jeux de paramètres pour la traçabilité sur l'usinage de précision réglementé dans la production de pièces médicales et aérospatiales.

Conclusion

L'usinage par décharge électrique permet des conceptions complexes en utilisant des Usinage CNC et surmonter la dureté des matériaux grâce à des méthodes complémentaires : électroérosion à fil pour les profils, électroérosion par enfonçage pour les cavités et électroérosion par perçage pour les trous profonds.

Équipé des connaissances de nos articles, vous serez en mesure de prendre des décisions éclairées dans le choix de l'EDM pour améliorer la qualité des pièces et la compétitivité dans la fabrication de pointe !

Questions fréquemment posées

L'électroérosion est-elle réservée au métal ? Puis-je l'utiliser sur des matériaux tendres et non trempés ?

Pas exactement. Par définition, l'électroérosion est exclusivement destinée aux matériaux conducteurs d'électricité, excluant les isolants comme le plastique, le verre, la céramique classique ou les matériaux composites. Cependant, des matériaux comme le graphite, le carbure de silicium, le diborure de titane et certains composites polymères sont également conducteurs d'électricité. Bien qu'ils constituent le créneau de l'électroérosion, ils peuvent également être usinés par usinage.

De plus, si les matériaux tendres concernés sont des métaux tendres comme l'aluminium ou l'acier doux, l'électroérosion est tout à fait viable, même si elle est couramment utilisée sur des matériaux plus durs. Cependant, les méthodes d'usinage traditionnelles sont souvent plus rapides et plus économiques, sauf si la géométrie est extrêmement complexe ou délicate.

Comment la taille des pièces limite-t-elle l'EDM ?

Chaque type d'électroérosion présente des contraintes de taille inhérentes. Les électroérosions à fil sont limitées par leur course et la taille de leur cuve. Les électroérosions par enfonçage sont limitées par la capacité de la cuve de travail et la capacité pondérale des électrodes. Pour les composants de très grande taille, comme l'hélice d'un navire, des machines d'électroérosion dédiées et imposantes sont nécessaires.

Qu'est-ce qui cause la couche de refonte et est-ce toujours un problème ?

La couche de refonte est une fine couche de matériau resolidifié, fondue mais non éliminée par le fluide diélectrique. Bien que toutes les techniques d'électroérosion la produisent, son importance dépend de l'application. Pour de nombreux moules et outils, elle est soit négligeable, soit éliminable. traitement de surfacePour les composants aérospatiaux fortement sollicités et sujets à la fatigue, il s’agit d’un facteur critique qui doit être minimisé ou supprimé.

L'EDM est-il considéré comme un processus lent ?

L'électroérosion n'est généralement pas un procédé d'enlèvement de matière à grande vitesse, contrairement à l'usinage conventionnel. Son intérêt réside dans sa capacité d'usinage de précision, et non dans sa vitesse brute. La vitesse « efficace » est élevée si l'on considère qu'elle permet d'éliminer plusieurs étapes (par exemple, l'ébauche, le traitement thermique, l'usinage de finition) et de produire une pièce finie à partir d'une ébauche trempée en une seule opération.