L'usinage électrochimique

01/09/2017
Auteurs : Dominic Billaut
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19750
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Résumé

L'usinage électrochimique

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Repères 1 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L 1ELECTROCHIMIE (2ÈmE PARTIE) L'usinage électrochimique Dominic BILLAUT Lycée Jules-Haag L'usinage électrochimique, un procédé doux et rapide pour la mise en forme de matériaux difficiles à usiner. Mots clés Usinage électrochimique, Usinagedynamique, Usinagestatique, Électrodes, Électrolyte, Défonçage, Copiage, Ébavurage, Rectification. Introduction L'usinage électrochimique s'apparente,comme technologie, à l'électroérosion par enfonçage, du moins en apparence. En effet si les procédés possèdent des points communs essen- tiels comme : . les électrodes outil - pièce ; . le bain ; . l'enlèvement de matière par érosion ; . la réalisation de formes impossibles à obtenir autrement, d'autres points les distinguent comme le montrera l'article. Par contre, l'usinage électrochimique n'a rien à voir avec la gravure chimique. Celle-ci est réalisée sur les métaux en feuilles, par un autre procédé. Il s'agit là d'une tout autre technologie. Principe de l'usinage électrochimique Dans cette technologie, on parle d'usinage par défonçage. Ce procédé consiste à reproduire la fonne d'une électrode- outil dans la pièce à usiner. Pour cela, le métal de la pièce est enlevé par dissolution anodique selon le principe de l'électrolyse, les électrodes étant immergées dans l'électro- lyte selon la réaction : M M " "+ ne L'usinage se fait par déplacement de l'outil (mouve- ment de pénétration ou d'avance) à une vitesse donnée, de 1 à 30 mm/min (usinage dynamique). L'électrode-outil est reliée au pôle négatif d'un générateur à courant continu, tandis que l'électrode-pièce est reliée au pôle positif. Pendant l'usinage il n'y a pas de contact entre la pièce et l'outil, un intervalle "gap " de quelques dixièmes de milli- mètre sépare les deux éléments. Ce travail s'effectue sous basse tension (24 volts max.), avec des intensités variables de 500 à 20 000 A selon les machines et les usinages, avec une circulation de l'élec- trolyte allant de 1 à 50 m3/h sous une pression de 20 à 25 bars (figure 1). L'usinage électrochimique est également employé pour l'ébavurage des pièces lorsque les bavures sont inac- ESSENTIEL L'usinageélectrochimiques'opère pardissolutionanodiquerapide du métal de lapièce à usinerreliéeau pôlepositif d'un générateur de courant continu, l'outil d'usinage (cathode)étant relié au pôle négatif. Deux méthodes d'usinage sont envisageables,l'un dyna- mique paravancéede l'outil au fur et à mesureque la pièceprend forme (défonçage, copiage, rectification électrochimique, etc.), l'autre statique lorsque l'outil reste immobile (usinagede forme statique, ébavurage).Les principauxavantagesdu procédé sont les suivants : possibilité d'usiner les matériaux conducteurs les plus réfractaires, vitesse d'usinage élevée (quelques cm3/min), possibilitéde réaliserdes formes complexesen une seule passe, obtention d'un excellent état de surface,aucunealtération de la structure métallurgiquede la pièce et aucuneusurede l'outil ; par contre, le procédé requiert un matériel lourd (alimentationélec- trique de forte puissance, pompe à fort débit sous pression élevée),une mise au point délicate de l'outil et la gestion de pro- duits chimiqueset d'effluents. SYNOPSIS Electrochemicalmachiningoperates by rapidlyanodic dissolution of the pieceto factory; the piece is connectedat the positivepole of the direct currentgenerator,the machiningtool (cathode)to the negativepole.Twomachiningprocessesarepossible: the dynamic process basedon the progressionof the tool simultaneouslywith the materializingof the piece (breakdown,copying, electrochemi- cal regrinding, etc.), the static process operating with a mobile tool (machiningof static forms, chamfering).The principaladvan- tages of the electrochemical machining are: the possibility of machiningconductivemost refractory materials,a high machining efficiency (some cmi/min, a possibility to realize complicated forms in one pass,excellentsurfaceroughness,the conservation of the metallurgicalstructure of the piece and no abrasionof the tool; on the other hand, the process require an important equip- ment (highpower electricalgenerator,highflow and high pressure pump),a fastidiousdevelopmentof the tool andthe chemicalpro- ducts and effluents management. 66 REE N02 Fevrier2006 L'usinage électrochimique 1 , " r h'igiii-e 1. Schéma de principe de litsinage électrochimique. cessibles par des moyens conventionnels, pour la réalisa- tion de formes en surface. Ce principe est appelé usinage statique (sans déplacement de l'outil, figure 2). , : intervalle de départ 1 : intervalle en cours d'usinage El ectro de Ëxe lu Piëce El ectrode fiyp Elect Elect Electrolvte Début d Usinage En cours d'ugiilage Figure 2. Schéiiia de prit7cipe de litiiiiitige électi-ochitniqzie statiqite. par Faraday. Elles stipulent que : . la quantité de matière enlevée à l'anode est propor- tionnelle à la quantité de courant ayant traversé le bain électrolytique ; . la quantité de matière enlevée à l'anode est propor tionnelle à la valence-gramme du métal dissous. i J 11/ F z m : masseenlevéeà l'anodeen grammes 1 : intensité en ampères F : 96500 coulombs A : masse atomique du matériau Z : valence de dissolution A/Z : valence gramme du métal t : temps d'électrolyse en secondes La conductivité de l'électrolyte dépend essentiellement de : . sa température (l'augmentation de température entraîne une perte de conductivité et de rendement) ; . sa concentration (l'augmentation de concentration du bain entraîne un accroissement de conductivité) ; . sa nature (NaCl possède une meilleure conductivité que NaNO,). La loi d'Ohm : U = R 1 s'applique à une cellule d'électrolyse : U - AE = R 1 avec AE : chute de tension aux électrodes. La résistance électrique d'un conducteur est donnée par la relation : R L p p : résistivité en ohmmètres L : longueur en mètres S : section en mètres carrés L'électrolyte C'est le plus souvent une solution aqueuse d'un sel. II est injecté avec un fort débit permettant d'assurer le renouvel- lement du bain dans l'espace de travail. Les matériaux usinés s'évacuent sous forme d'ions qui précipitent dans l'électrolyte. Ce phénomène engendre la formation de boues brunes qu'il faut éliminer par filtration, décanta- tion. centrifugation. Bref rappel sur l'électrolyse C'est une méthode par laquelle on provoque des phé- nomènes d'oxydoréduction dans une solution d'un électro- lyte avec le passage d'un courant électrique continu. Une installation est constituée de deux électrodes : anode, cathode séparées par une solution électrolytique. Sous l'effet du champ électrique continu, les ions positifs migrent vers l'électrode négative, les ions négatifs migrent vers l'élec- trode positive. Le transport des charges électriques entre les électrodes est assuré par les ions. L'eau est utilisée comme solvant, elle a la propriété de séparer et disperser les ions. Dans le cas de l'usinage électrochimique, on utilise la dis- solution anodique. Les lois de ce phénomène furent établies Pour une cellule d'électrolyse, il faut connaître la densité de courant : J r \ E J : densitéde courant en ampères par mètre carré i : intervalle entre les électrodes (gap) en mètres y : conductivité 1/p en siemens par mètre Vitesse de régression de la surface anodique : 1'-- 1 * 1 - " - i'- -E- * Il,- F z i o : massevolumique du matériau il, : rendementde la dissolution anodique GAP d'équilibre en défonçage : (1 - - -\ E) ; le, : le1 <) F Z'-'r -il F v : vitesse d'avance de l'électrodeF L'autorégulation de la valeur de l'intervalle électrode-pièce est constante. En effet, il suffit d'imposer une vitesse donnée à l'électrode pour que l'usinage progresse à la même vitesse. Cependant on rencontre dans certaines REE No 2 Fevrier2006 Repères 1 v LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ELECTROCHIMIE (2 EME PARTIE formes d'usinage un phénomène de " surcoupe ". Dans l'usinage de " formes simples ", l'électrode se déplace en direction de la pièce à une vitesse V,,,, en même temps la surface usinée sous l'effet de la dissolu- tion régresse à une vitesse YI, La valeur de l'intervalle pièce-électrode est constante. Dans l'usinage de formes évolutives (sphère, par exem- pie), la valeur de ce même intervalle n'est pas constante. Elle varie en fonction de l'angle 0 de 0 à 90° (figure 3). On constate que la forme de l'électrode n'est pas exacte- ment reproduite. C'est le phénomène de " surcoupe " qui est inhérent à la dynamique du procédé. Il est possible de réduire ce défaut en utilisant comme électrolyte du nitrate de sodium, en diminuant la concentration du bain ou en augmentant la température du bain, en utilisant un cou- rant pulsé. Cinétique de dissolution anodique Les courbes de vitesse d'usinage sont classées en deux gran- des catégories, en fonction des propriétés des couples constitués par le matériau usiné et l'électrolyte employé (figure 4). Dans le cas de l'usinage des aciers à bas carbone dans des solu- tions de chlorure de sodium, la vitesse de dissolution est propoitionnelle à la densité de courant, le phénomène est régi par la loi de Faraday (courbe 1). Dans le cas de l'usinage des aciers à teneur en carbone élevée dans ces mêmes solutions, aux fortes densités de courant la courbe n'est plus linéaire car une réaction électro-chimique secondaire se développe à l'anode : c'est l'oxydation du chloru- re en hypochlorite (courbe l'). Dans le cas de l'usinage de la plupart des aciers dans des solutions de nitrate de sodium, la vitesse de dissolution n'est pas propoitionnelle aux faibles densités de courant. C'est dû à une réaction anodique secondaire qui est l'oxydation de l'eau (courbe 2). Electrolytes utilisés en usinage électrochimique Pour que l'électrolyte puisse assurer la dissolution ano- dique de la pièce, il faut tout d'abord que la réaction de dissolution anodique soit physiquement possible et qu'elle ait lieu à une vitesse acceptable, ce qui suppose que l'électrolyte ait une bonne conductivité électrique. \ lit 1 j y 1 is Il 11 (ig . tj 1 1 1 , \ 1 .'1 1-- ----- n, 1 lil, Il. Il 'lFma Fu + 46, 1 Figzn-e 3. Usinage deformes évolutives. ri 7 ? vtu ,.'.--- '/ ..- / / Figi,ii-e 4. Vitesse d'usinage en fonction d (y la densité de cotii-aiit. II doit être riche en ions pour que la vitesse de dissolution soit suffisante. Le solvant est le plus souvent de l'eau, les produits chimiques utilisés sont des sels de bases et d'acides forts. Industriellement on utilise des solutions aqueuses de chlorure de sodium et les solutions aqueuses de nitrate de sodium (tableau 1). II importe également de surveiller le pH (potentiel hydro- gène) de la solution, car il influe directement sur les résultats obtenus. Par exemple, une augmentation du pH améliore la précision en diminuant la vitesse d'usinage, mais détériore l'état de surface. Matériau usiné Electrolyte Concentrationdu bain Etat de surface NaCI 50 à 150g/I Bon NaNO 100à 200g/I Bonauxfortes densités Aciersalliés 30 à 80 g/I de courant.Moins bonauxfaibles Aciersréfractaires NACIou NaNO 100à 200g/I Excellentà toutes densitésde courant Aciersinoxydables Tungstène NaOH > 20 g/1 Bon Carburede tungstèneau cobalt NH4F 120 g/1 Son Alliages de titane NaCI 100à 200gll Médiocre Tableait 1. Electi-ol'i-tes iit-ilisés poiii@ l'i-isinage électi-ochiiiiiqite (le divel-s ilialéi-iallï 68 REE No 2 Fevrier2006 L'usinage électrochimique : il- 1- éle J. fi 0 (l-: I.Là t.àlc-i n iill-re CJ s f t-111) 11 I,'igiire 5. Isolation de la partie latérale de l'élec-trodc. 1VIHE- dE-rE-IE-dIOr! E- e-ler ci olvtePlefhOlstP f: _P latérl ____) ') HK T rr: ! ' ? ! . !.-pi 40 Commentaires Naissanced'une Variationdu GAP latéral Pas de défauts Ce mode évite contre-dépouillelatérale géométriques laformation au-delàde 40 mm quelleque soitla de carotte ou chambrage en fond profondeur ou de picots. d'empreintedus d'usinage aux pertesde charges. Obtentiondifficile de détails GAP latéral NANO, NACI NANO, NaC NANO, NaC en usinage 0,3à 1,2à 1,2à 1,2à prismatique 0,4mm 1,5mm 0,85à Imm 1,5mm 0,85à 1 mm 1,5mm Qualitégéométrique Bon Bon Trèsbon Trèsbon Trèsbon de la pièce usinée Qualitéde l'état Moyen Moyen Bon Excellent Trèsbon de surface Tableaii 2. Perforiiiaiices de l'iisinage électrochimiqiie en.foiiction du tyl-e d'écotilement de l'électrolyte. REE N 2 Fevi ier 2 006 L'usinage électrochimique Traitements des pièces avant et après usinage électrochimique Avant usinage électrochimique, les pièces doivent subir un lavage ou all moins un soufflage suivi d'un dégraissage afin d'éviter la présence d'huile de coupe et de copeaux. Après usinage électrochimique, les pièces doivent être obligatoirement traitées afin d'éliminer toute trace d'élec- trolyte, celui-ci pouvant continuer à contaminer la pièce. II est courant d'effectuer ensuite un traitement de passi- vation ou de neutralisation (tableau 3). Traitements aprèsusinage électrochimique Alliages légers Lavageabondant Séchage Oxydationanodique Alliages inox et réfractaires Décapage Lavageabondant Séchage Alliagesinox et réfractaires Lavageabondant Séchage Lespiècespeuvent subirune multitude de traitements en fonction de leur utilisation Tableau 3. Traitements des pièces avant usinage, Caractéristiques des machines d'usinage électrochimique par défonçage (photo 1) Le bâti assure le déplacement relatif à vitesse réglable de l'électrode par rapport à la pièce. II subit des efforts importants en raison des forces électromagnétiques, des forces hydrodynamiques, des forces hydrostatiques (les plus importantes) mises en jeu. En fonction des forces auxquelles ils sont soumis, on distingue les bâtis en col de cygne, utilisés pour des inten- sités inférieures à 5 000 A, les bâtis de type portique, utilisés pour des intensités supérieures à 5 000 A. Le dispositif d'avance de l'électrode assure un dépla- cement à vitesse constante dont la valeur est réglable par l'opérateur. Son entraînement est assuré par un ensemble vis-écrou mû par un système électromécanique ou par un système électro-hydraulique. Les vitesses de déplacement du dispositif vont de 0,2 à 100 mm/min. en avance travail, de 400 à 500 mm/min. en vitesses rapides. L'enceinte d'usinage doit être étanche afin d'éviter les projections sur les autres parties de la machine. Afin d'é- viter la corrosion des métaux constituant l'ensemble, plu- sieurs solutions existent : . utilisationd'acier inoxydable, de matériaux composites pour les parties anodiques en contact avec l'électrolyte; . mise au potentiel cathodique de l'ensemble bâti- enceinte de l'installation ; . emploi de peintures, de revêtements époxydes. ," ',, i . 1" "1 ! t Jt il 1 -..y:.'.-t'J"';: "':::.i, ;.'.,,-',,-,.r 1 y1 vl' t; ;'.1 :' ! C!"'o;,' " i'< ie ". j' ! : ' "''_.., a n· r p "',,j ! "' ! ! "',1.i ,, l'1 d " 2 itm t 6x '-_// r ... '-o. tI. i L3h'Y 1w ta 1 Mootage ECM pour l'ébavurage deE3ielles. Photo 1. Machiiie d'ii.yiiiëiue électi-oc-hiiiiitliie. Le générateur Sa fonction principale est de fournir le courant électrique nécessaire à l'usinage, cela sous une tension constante choisie par l'opérateur. Ces machines fonctionnent avec un courant continu sous basse tension (0 à 24 V). Les intensités maximales délivrées par le générateur vont de 500 à 1 500 A pour les petites machines, de 10 000 à 20 000 A pour les grosses. Si, en fonctionnement normal, il ne doit se produire ni étincelles, ni court-circuit, en phase de mise au point cela peut accidentellement arriver. Pour cela, un système de détection des défauts analyse les signaux de moyennes et R No 2 I-e\i ici 2006 m Repères 1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DE L'ELECTROCHIMIE (2 EME PARTIE hautes fréquences qui se superposent à la tension d'usinage à l'occasion de ces phénomènes transitoires. La coupure du courant d'usinage est immédiate en cas d'anomalie, cela permet d'éviter ou de réduire les dommages sur les électrodes. Le circuit électrolytique : Il comprend : . un ou plusieurs bacs de stockage de l'électrolyte selon l'importance de la machine, 1 à 4 m'de volume d'élec- trolyte sont courants ; . une pompe, qui assure la distribution de l'électrolyte sous un débit de 1 à 50 m "/h, sous des pressions de 20 à 25 bars ; . un échangeur thermique qui porte l'électrolyte à sa température de travail (30 à 40° C), assure sa régu- lation avec précision (la conductivité du bain dépend directement de sa température) ; . un dispositif de traitement des boues d'hydroxydes produites par l'usinage ; il s'agit essentiellement de filtres associés à une centrifugeuse. L'aspirateur : II récupère les brouillards salins et les gaz issus de l'usinage, notamment l'hydrogène qui constitue avec l'oxy- gène un mélange détonant dangereux si son taux est trop important. Applications industrielles Elles sont proches de celles pratiquées en électroéro- sion par enfonçage, c'est-à-dire dans le domaine de la réali- sation d'outillage, mais également pour la fabrication en série. On trouve couramment en usinage électrochimique la réalisation : . d'empreintes de moules pour verreries ; . de matrices d'estampage, de matriçage ; . de poinçons d'estampage, de matriçage. Plus généralement : . la réalisation de formes qui ne peuvent être obtenues par un moyen conventionnel (tournage, fraisage) ; . l'usinage de pièces trempées ; . la réalisation de formes délicates en série ; . la réalisation de pièces dont le matériau est difficile à usiner ; . la réalisation de pièces ne devant pas subir d'altéra tions métallurgiques de la surface ; . la réalisation de pièces déformables ; . l'usinage en série (petite ou grande, surtout répétitive) de pièces. Particulièrement, l'usinage électrochimique trouve toute sa mesure en usinage statique dans le domaine : . de l'ébavurage ; . de réalisation de chambrages ; . de réalisation de rainurages intérieurs ; . du polissage, du brillantage de cavités. L'ébavurage électrochimique II se réalise en usinage statique (sans déplacement de l'électrode). La proximité de l'électrode par rapport à la pièce suffit à dissoudre les bavures, ceci dans un temps très court (environ 30 secondes), par impulsions courtes de courant (5 secondes), sous un débit de 10 m/h. Il est nécessaire au préalable de procéder à des essais. Les principales applications sont : . l'ébavurage de trous sécants intérieurs (figure 10) ; . l'ébavurage de trous parallèles ; . le rayonnage (figure Il) ; . l'ébavurage de dentures d'engrenage. elq ? i ti 0 (1 ç , .1 "' ,,,.1 "' Il Il 1 1 1 ---- --él-t1qi - Figure 10. Ébaviii-age de trous sécarts intérieurs. 1,ivoii 0,2 éle « Iode 7 X e, %,,/ 1,2 . pièce - - flctioKte Figure Il. Ebavurage pour rayonnage. REE No 2 Fevrier2006 L'usinage électrochimique Figure 12. Réalisation de chambrages, de rainurages intérieurs. Réalisation de chambrages, de rainurages intérieurs (figure 12) En ce qui concerne les électrodes utilisées en usinage électrochimique, elles ont l'avantage d'être inusables. Elles offrent donc la possibilité d'être réutilisées à souhait. Par contre, il est nécessaire de les isoler latéralement pour éviter la création de dépouilles sur la pièce. Le tableau 4 permet la comparaison des caractéris- tiques et des performances de l'électroérosion par enfon- çage et de l'usinage électrochimique Une étude comparative a été faite entre l'usinage électrochimique et l'usinage par électroérosion par enfon- çage. Elle porte sur l'usinage d'une pièce en acier (16 NiCrMo 6), dans laquelle on réalise une ouverture de forme à partir d'un trou cylindrique. 7 : tY- -. <.', .f...'.%; ..' ',. ",. . 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