Guide du procédé d'usinage par électroérosion (EDM)

Des étincelles électriques à haute tension érodent la surface de la pièce ou découpent son contour en évaporant la matière. Cela fait de l'usinage par électroérosion l'une des méthodes les plus précises pour l'usinage des métaux. Cette méthode permet d'enlever de la matière de la pièce tout en créant une texture.

Introduction au processus

L'usinage par électroérosion (EDM) a révolutionné la fabrication de moules et le prototypage métallique. Ce procédé est d'une grande précision et permet d'usiner des métaux et de créer des textures de surface. Le EDM est la méthode idéale pour la fabrication de moules destinés au moulage par injection et à d'autres procédés de moulage de plastique. La fabrication de moules constitue le principal domaine d'application de ce procédé.

Il existe deux types de procédés EDM : l'électroérosion par enfonçage EDM (également appelée « électroérosion par enfonçage ») et l'électroérosion à fil EDM (également appelée « électroérosion à fil »). Le premier peut être utilisé pour percer des trous, créer des textures de surface et usiner des géométries complexes en profondeur dans des pièces métalliques. Le second fonctionne de manière similaire à la découpe de mousse polymère à l'aide d'un fil chauffé et sert à usiner des contours internes et externes présentant des arêtes parallèles ou coniques. Ensemble, ces procédés offrent aux métallurgistes de nombreuses occasions de mettre en valeur leur savoir-faire.

Applications typiques

Les équipements DEM étant très coûteux, leur utilisation se limite aux applications nécessitant un usinage de haute précision, notamment l'usinage de l'acier trempé et d'autres métaux qui ne se prêtent pas à l'usinage CNC. Ils ont été largement adoptés par l'industrie de la fabrication de moules pour le moulage par injection, la fonderie et le forgeage. Il est également utilisé dans la fabrication de maquettes, le prototypage et la production en petites séries, généralement ne dépassant pas 10 pièces.

Processus connexes

L'usinage EDM est souvent associé à l'usinage CNC. Les électrodes (moules) utilisées pour l'électroérosion par enfonçage EDM sont usinées à l'aide de techniques traditionnelles de travail des métaux (figure 1).

Figure 1 : Sur ces moules destinés à l'électroérosion par enfonçage EDM, l'éclat du métal noir vaporisé permet d'identifier la zone d'usinage.

Cependant, les moules complexes sont parfois découpés à l'aide d'un fil – EDM, et ces deux procédés peuvent également être combinés (figure 2).

Figure 2 : Ce très petit moule pour l'électroérosion par enfonçage EDM a été usiné selon le procédé d'électroérosion à fil EDM. Comparée à l'usinage traditionnel, cette pièce est trop petite et trop complexe.

Dans les domaines d'application nécessitant des caractéristiques internes précises et complexes, l'usinage par électroérosion à enfonçage EDM a remplacé l'usinage CNC. Le procédé EDM est utilisé car il permet de créer des formes géométriques difficiles, voire impossibles à obtenir avec d'autres procédés. L'usinage des caractéristiques internes des pièces, en particulier celles en métaux durs, est pratiquement irréalisable avec l'usinage CNC. En effet, cela nécessite des outils de coupe très précis, qui s'usent rapidement.

Parmi les alternatives au fil EDM, on peut citer la découpe au jet d'eau, la découpe au laser et le soudage par faisceau à haute énergie pour certains procédés de formage et de perçage. Tous ces procédés impliquent des coûts d'équipement élevés ; le choix dépend donc principalement des équipements disponibles. Le fil EDM convient aux pièces d'une épaisseur maximale de 200 mm et nécessite également une grande précision dimensionnelle, des parois coupées parallèlement et des textures de surface contrôlables.

Qualité

La qualité des pièces usinées par le procédé EDM est très élevée. Elles peuvent être utilisées pour fabriquer des moules d'injection sans nécessiter d'autres opérations de finition. La rugosité de surface est mesurée selon l'échelle VDI de l'Association allemande des ingénieurs (figure 3). L'échelle VDI correspond à une rugosité moyenne (Ra) comprise entre 0,32 et 18 μm. De nombreux produits en plastique qui nous entourent aujourd'hui sont fabriqués à l'aide de moules formés et traités en surface par le procédé EDM.

Figure 3 : L'échelle VDI sert à mesurer la texture de surface.

La qualité de la surface et la texture qui en résulte sont déterminées par la vitesse de découpe et la tension. Une tension élevée et une vitesse de découpe élevée produisent une texture rugueuse. Une tension plus faible, une vitesse de découpe plus lente et un plus grand nombre de passes permettent d'obtenir une texture de surface plus fine. Les pièces peuvent être produites avec une précision pouvant atteindre 5 μm.

Possibilités de conception

Pour les concepteurs, le principal avantage de ce procédé réside dans la possibilité de découper le métal et d’appliquer une texture simultanément. Les textures, qu’elles soient mates ou brillantes, sont généralement appliquées après l’usinage à l’aide de techniques de sablage ou de photogravure. Les textures fines générées par le procédé EDM sont déterminées par les réglages de la machine et ne nécessitent aucun traitement supplémentaire. Ces procédés permettent de réaliser des géométries impossibles à obtenir par usinage traditionnel. Par exemple, les têtes de guidage de nombreuses machines à fil EDM peuvent se déplacer indépendamment pendant la découpe. L'avantage est de pouvoir découper des cones complexes pouvant atteindre 30° avec une extrême précision, ce qui est impossible avec d'autres techniques d'usinage.

L'électroérosion par enfonçage EDM permet de réaliser des géométries internes de pièces que l'usinage traditionnel ne peut pas obtenir. En effet, l'électrode négative en cuivre peut être usinée selon une forme qui ne correspond pas à la cavité. L'électrode négative (le moule) est reproduite dans la pièce à usiner, ce qui permet d'obtenir des angles vifs et des formes complexes. La corrosion de l'électrode en cuivre (l'outil) est bien plus lente que celle de la pièce (0,1%) ; ainsi, les petits rayons internes et les formes complexes sont reproduits avec la même précision que les géométries simples.

Le fil EDM s'utilise de manière très similaire à la découpe de mousse polymère au fil chaud, bien qu'il offre une plus grande précision et que son cycle de traitement soit plus long. L'utilisation de cet équipement nécessite un haut niveau de compétences opérationnelles.

Au cours du processus, aucune contrainte n'est exercée sur l'électrode (moule ou fil) ni sur la pièce à usiner, car le métal n'est pas formé par la force. Il est au contraire formé par évaporation à partir de la surface sous l'effet d'étincelles à haute tension. Outre cet avantage évident, cette technologie de traitement présente également de nombreux avantages en termes d'usinage. Par exemple, plusieurs pièces à parois minces peuvent être empilées pour le fil EDM, ce qui permet de réduire le temps d'usinage.

Description technique de l'électroérosion par enfonçage EDM

Dans le procédé d'électroérosion par enfonçage EDM, l'électrode (moule) et la pièce à usiner sont immergées dans une huile légère semblable à de la paraffine. Ce fluide circule en continu. Il permet de maintenir la température de la pièce à usiner à un niveau stable et d'évacuer les matériaux évaporés. Il possède également des propriétés isolantes, ce qui permet d'isoler la zone de travail et de confiner les décharges électrostatiques à l'intérieur.

L'électrode en cuivre (outil) et la pièce à usiner entrent en contact étroit, ce qui déclenche l'usinage par électroérosion. Des étincelles électriques à haute tension jaillissent de l'électrode vers le métal. Ces étincelles font des allers-retours entre les points les plus proches de l'électrode et de la pièce à usiner, ce qui entraîne un enlèvement continu et uniforme de matière en surface.

Description technique du fil – EDM

Dans ce procédé, le fil-électrode, généralement en cuivre ou en laiton, est placé entre la bobine d’alimentation et la bobine réceptrice. Il est alimenté en haute tension, et des décharges électriques se produisent lorsque le fil-électrode traverse la pièce à usiner. À l'instar de l'électroérosion par enfonçage EDM, les étincelles électriques se produisent au niveau de l'espace le plus étroit entre les métaux. Des milliers d'étincelles sont générées chaque seconde, évaporant une très petite quantité de métal de la surface de la pièce. Le fil-électrode n'est pas recyclé ; il est au contraire remplacé en continu afin de maintenir la précision du processus d'usinage.

Ce processus est réalisé par immersion dans de l'eau déionisée à une température constante de 20 °C. L'eau s'écoule en continu pour évacuer les déchets et est recyclée via un système de filtration.

Le guide-fil supérieur peut se déplacer le long des axes x et y, ce qui permet d'obtenir un angle de coupe maximal de 30°.

Considérations relatives à la conception

Même si ces procédés permettent d'obtenir des rayons internes aussi petits que 30 μm, on utilise souvent des rayons plus grands. Cela permet d'éviter la concentration des contraintes. Dans la plupart des applications, le diamètre intérieur n'a généralement pas besoin d'être supérieur à 500 μm. Le diamètre intérieur minimal dépend de l'épaisseur du fil d'électrode. Le diamètre du fil d'électrode varie généralement entre 50 et 300 μm.

L'épaisseur des matériaux pouvant être usinés par électroérosion à fil (EDM) varie de 0,1 mm à 200 mm. Cela dépend des capacités de l'équipement. Pour les machines d'électroérosion par enfonçage EDM, la profondeur pouvant être atteinte est limitée par la facilité avec laquelle le métal vaporisé (poudre noire) peut être éliminé par rinçage. La profondeur maximale est donc liée au rapport entre la profondeur et le diamètre. Il est possible de réaliser des contours très profonds, mais cela nécessite un rinçage supplémentaire, ce qui allonge le cycle d'usinage.

Pendant le fonctionnement, aucune pression n'est nécessaire. L'électrode s'enfonce lentement dans la pièce à traiter. La vitesse de traitement dépend du traitement de surface requis. Pour un traitement de surface très grossier, la vitesse peut varier de 2 mm³ par minute à plus de 400 mm³ par minute. Lorsque la matrice s'enfonce dans la pièce, elle effectue un mouvement de rotation constant et descend en spirale. Ce mouvement évacue les matériaux évaporés de la zone de coupe et garantit un enlèvement uniforme et efficace de la matière.

Matériaux appropriés

De nombreux métaux peuvent être façonnés par le procédé d'estampage en creux EDM. La dureté du matériau n'a aucune incidence sur l'utilisation de cette méthode. Des métaux tels que l'acier inoxydable, l'acier à outils, l'aluminium, le titane, le laiton et le cuivre sont souvent façonnés de cette manière.

Frais de traitement

Fil – Le procédé EDM ne nécessite pas de moule. Cependant, le fil d'électrode s'use progressivement au cours du processus et doit donc être remplacé.

Les matrices pour l'électroérosion par enfonçage du EDM sont généralement fabriquées à partir d'alliages de cuivre. Elles peuvent être réalisées par usinage traditionnel ou par électroérosion à fil – EDM. Ces matrices ne sont pas très coûteuses, mais pour les pièces de précision, il faut une nouvelle matrice pour chaque opération.

Différents facteurs peuvent influencer le cycle d'usinage de l'électroérosion par enfonçage EDM. En ce qui concerne l'électroérosion à fil EDM, le cycle dépend de l'épaisseur du matériau. Les matériaux plus épais nécessitent davantage de puissance et consomment plus de fil-électrode. Par exemple, si une pièce de 36 mm en acier trempé est découpée à une vitesse de 1,5 mm par minute, on obtiendra une finition mate uniforme. Ralentir la vitesse de découpe ou effectuer davantage de passes de découpe permettra d’obtenir une texture plus fine. Raccourcir le cycle d’usinage entraînera une surface plus rugueuse.

De même, le cycle d'usinage de la matrice en creux EDM est déterminé par la zone d'usinage et la rugosité de surface requise. En général, lorsque la vitesse d'usinage est comprise entre 4 mm³ et 400 mm³ par minute, la géométrie interne est grossière, ce qui signifie que la surface obtenue sera rugueuse. Si un nouveau moule est utilisé par la suite, le cycle d’usinage sera beaucoup plus long. Lorsque la vitesse d’usinage est de 2 mm³ par minute, il est possible d’obtenir une surface très fine. Ainsi, les textures de surface fines sont préférables pour les petites surfaces.

Impact sur l'environnement

Ce procédé nécessite une grande quantité d'énergie pour vaporiser la pièce métallique et ne requiert aucun traitement supplémentaire, tel que le sablage ou la photogravure.

Le fluide diélectrique peut être recyclé en continu, et les électrodes métalliques se prêtent également au recyclage. Toutefois, le processus de fonctionnement génère de la fumée, ce qui peut présenter certains risques.

Étude de cas

Boîte de matrices – EDM

Ce procédé est largement utilisé dans la fabrication de moules. Outre l'usinage de l'ensemble de la cavité pour le moulage par injection, il sert souvent à modifier des moules existants. Il peut également être utilisé pour percer des trous ou graver des textures et des motifs en surface. Dans le cas présent, RAPID PROTOS crée une cavité directement formée à la surface d’un acier à haute teneur en carbone (Figure 1). Sans recourir à l’électroérosion par enfonçage EDM, il est impossible de réaliser des cavités complexes et précises dans des métaux durs.

L'électrode en alliage de cuivre (moule) est insérée dans le mandrin (figure 2). La machine d'électroérosion par enfonçage EDM est programmée avec les paramètres requis pour le moule. La zone noire indique la partie du moule exposée à l'érosion par étincelage. Chaque moule peut être utilisé 5 fois avant d'être remplacé. Si un niveau de précision élevé est requis, de nouveaux moules doivent être usinés pour chaque opération d'électroérosion par enfonçage, y compris les moules d'ébauche et les moules de finition.

Le moule et la pièce à usiner sont placés et immergés dans un fluide diélectrique similaire à la paraffine (figure 3). En effet, la paraffine était autrefois utilisée comme liquide isolant jusqu'à la mise au point de ce fluide diélectrique.

Au cours du processus de découpe grossière, des étincelles électriques et de la fumée sont émises (figure 4). Les électrodes en cuivre sont traversées par un courant électrique. Lorsqu’elles se trouvent très près de la pièce à usiner, le courant passe vers celle-ci, qui est de charge opposée. Il y a des milliers d’étincelles par seconde. Chaque étincelle évapore un petit fragment de matière en surface.

L'arc électrique franchit la distance la plus courte entre l'électrode et la pièce à usiner, garantissant ainsi un enlèvement uniforme de la surface métallique. Lors de l'étape d'ébauche, environ 400 mm³ de métal sont enlevés par minute, et la surface obtenue est très rugueuse (figure 5).

La deuxième étape du traitement est beaucoup plus lente. Dans ce cas, 50 mm³ de métal sont évaporés par minute (figure 6). Cela permet d'obtenir une texture de surface plus fine (figure 7). Il s'agit d'une cavité relativement peu profonde. Le moulage par électroérosion EDM peut également être utilisé pour former des cavités très profondes.

Boîte de câbles – EDM

Contrairement à l'outillage de découpage EDM, utilisé pour former des rainures internes, le fil EDM sert à découper aussi bien des contours internes qu'externes. Le fil utilisé pour le EDM est maintenu sous tension afin de découper des lignes droites. Les têtes de guidage se déplacent côte à côte et d'avant en arrière le long des axes x et y pour former les contours. Elles se déplacent également de manière indépendante le long de l’axe x et d’un autre axe (il s’agit probablement d’une erreur de frappe ; il pourrait s’agir de l’axe z dans le contexte du 3D) pour former des coniques. Le fil fonctionne comme le moule en cuivre utilisé dans le EDM à matrice enfonçable, et il est généralement constitué d’un alliage de cuivre.

Dans ce cas, les opérations de découpe sont nombreuses. Cette série d'illustrations présente l'une de ces opérations, dont le principe peut être appliqué à toutes les autres opérations de découpe au fil – EDM. La pièce en acier à haute teneur en carbone partiellement usinée (figure 1) est placée dans le dispositif de serrage et solidement maintenue. Un petit trou est percé afin que le fil-électrode puisse passer automatiquement (figure 2).

La tête de guidage s'approche de la pièce à usiner pour un positionnement précis. La pièce à usiner et le fil-électrode sont tous deux immergés dans de l'eau déionisée qui sert d'isolant (figure 3). Une fois immergés, le processus de découpe commence (figure 4). Il s'agit d'un processus de longue durée. Dans ce cas précis, la découpe d’une pièce de 36 mm à une vitesse d’usinage de 15 mm par minute permettra d’obtenir l’effet de surface souhaité.

L'ensemble du processus de découpe dure environ 2 heures. Ensuite, la pièce est retirée et nettoyée (figure 5). La précision de la pièce peut être mesurée à l'aide d'un micromètre (figure 6). Sur le produit fini, on peut identifier la trace de la découpe, c'est-à-dire depuis le trou pré-percé jusqu'à l'endroit où le fil a été sectionné sur la surface de coupe (Figure 7). À gauche se trouve la pièce avant découpe, au milieu la pièce finie, et à droite la matière enlevée.