Problèmes courants et méthodes de résolution du découpage au fil CN de pièces en aluminium

Lors de l'usinage à commande numérique de pièces en aluminium, des problèmes tels que l'usure importante, les courts-circuits, les ruptures de fil, les distorsions de piste et les déformations de la pièce surviennent fréquemment, entraînant parfois la mise au rebut de certaines pièces. Fort de nombreuses années d'expérience, l'auteur résume ici les principaux problèmes techniques rencontrés lors de cet usinage.
Premièrement, le problème de la rupture facile des fils lors de la coupe des pièces en aluminium
La pièce en aluminium coupée avec un seul fil est facile à casser.
Lors de la découpe au fil d'aluminium, la tendreté du matériau rend l'évacuation des copeaux difficile. De plus, à haute température, l'aluminium forme facilement une pellicule dure, ce qui entraîne l'adhérence d'une grande quantité de résidus d'alumine ou d'aluminium sur le fil de molybdène. Au contact des pièces du bloc d'alimentation, le fil de molybdène creuse rapidement des rainures. Le mélange d'aluminium tendre et d'abrasif dur remplit ces rainures, et une fois introduites, elles finissent par s'écraser, provoquant la rupture du fil.
2 solutions
Le fil de molybdène est pincé au niveau du bloc d'alimentation, ce qui pose problème lors des réglages de position du bloc d'alimentation du cadre de fil, afin d'éviter l'usure du bloc de rainure d'alimentation qui entraîne une faible efficacité, les coupes multiples de la surface de traitement dues à la baisse de la qualité des matériaux et le gaspillage de fil cassé.
Lorsque l'épaisseur du matériau à usiner dépasse 40 mm, l'usinage classique dure 3 à 4 heures. Après une légère rotation du bloc d'alimentation (voir figure 1b), la rotation initiale s'effectue dans le sens indiqué sur la figure 1a, suivie d'une seconde rotation dans le sens indiqué sur la figure 1b après 8 heures d'usinage. Ce processus, répété toutes les 8 heures, permet d'ajuster la position du bloc d'alimentation et de réduire ainsi le risque de rupture du fil. En pratique, cette méthode permet de réduire considérablement les coûts d'usinage et d'améliorer la rentabilité. Il est à noter que la distance entre le bloc d'alimentation et le fil d'électrode est généralement de l'ordre de 0,5 à 1 mm. Lorsque trois points d'une surface présentent des rainures de coupe, le bloc d'alimentation est pivoté de 90 degrés, et ainsi de suite jusqu'à ce que les quatre faces soient rainurées. Ensuite, près de la ligne d'échantillonnage, un joint de 1 à 2 mm est placé sur le patin latéral. En déplaçant le bloc d'alimentation vers la gauche, on obtient un bloc d'alimentation neuf, ce qui permet de réaliser des économies.
Par exemple : pour une épaisseur de 2 mm de chaque pièce d’aluminium, et pour un total de 8 pièces traitées simultanément, il faut environ 8 heures pour ajuster la surface de contact du bloc d’alimentation. Le traitement se poursuit pendant 8 heures par jour, jusqu’au sixième jour sans rupture de fil. On utilise alors un fil de molybdène micrométrique de seulement 0,125 mm de diamètre (contre 0,18 mm pour le fil de molybdène d’origine). Un ajustement précis de la position du bloc d’alimentation permet d’éviter ce problème de rupture de fil.

Bien entendu, il convient de noter que lorsque les exigences de précision dimensionnelle de la pièce sont relativement élevées, il est nécessaire de mesurer le diamètre du fil de molybdène et de modifier en temps opportun le taux de compensation afin de garantir le respect des exigences de précision dimensionnelle.

Deuxièmement, déformation de la pièce
1. Raisons de la déformation de la pièce
Lors de la fabrication de l'ébauche, de l'usinage, du traitement thermique, du chauffage non uniforme, des forces internes et de la déformation liée à la transformation de la structure, des contraintes résiduelles internes se forment. Pendant une certaine période, en l'absence d'influence extérieure, la distribution des contraintes est relativement équilibrée. Cependant, le procédé d'électroérosion à fil (WEDM), du fait des nombreuses passes de coupe et d'enlèvement de matière, modifie également la distribution des contraintes. Celle-ci tend progressivement à s'équilibrer avec le temps, ce qui entraîne une déformation de la pièce. Ce phénomène de déformation est plus marqué pour les pièces en alliage d'aluminium.
2 solutions
(1) Le processus de découpe, avant le premier traitement thermique des zones de contrainte, permet d'éliminer les contraintes internes et d'éviter ainsi d'importantes déformations, tout en stabilisant les dimensions des pièces. Bien entendu, les méthodes de traitement varient selon les matériaux.
(2) La méthode d'usinage du contour extérieur, généralement sans perçage, permet de découper la pièce brute côté ébauche (voir figure 2a). Cette méthode est fragile et sujette à la casse, car l'ébauche subit une déformation due à la relaxation des contraintes, ce qui diminue la précision d'usinage. Pour éviter et réduire ces déformations, il est possible d'utiliser une méthode de découpe par perçage, permettant de conserver le contour brut fermé (voir figure 2B) et de minimiser ainsi les contraintes et les déformations lors de l'usinage.
(a) découpe extérieure (b) pour jouer à travers le traitement du trou de fil
(3) en utilisant la méthode de coupe à deux voies pour la précision d'usinage des pièces, il est préférable d'utiliser la méthode de coupe à deux voies.
Comme illustré sur la figure 3, une queue de balle est fixée à une pince en fer en forme de V de 8 mm de diamètre à une extrémité, l'autre extrémité étant suspendue. Après usinage classique et mesure au micromètre, la dimension usinée près de la pince en V est de 2,00 mm, tandis qu'à l'autre extrémité, elle n'est que de 1,86 mm. Il s'agit d'un procédé de découpe en continu, car la découpe du matériau modifie la distribution des contraintes et induit une déformation de la pièce.
La méthode d'amélioration consiste à augmenter l'épaisseur de la première passe intermédiaire de 2 mm à 2,4 mm, en conservant une marge de 0,2 mm sur la première face de coupe (avec un fil de molybdène de 0,18 mm de diamètre lors de l'ébauche). Après une première passe, l'équilibre des contraintes internes des ébauches est rompu, puis un nouvel équilibre est atteint. Une seconde passe de finition est ensuite effectuée, permettant d'obtenir une épaisseur de 1,99 mm et de vérifier la conformité aux dimensions requises.
Troisièmement, les pièces en aluminium se coupent facilement, ce qui provoque des courts-circuits et des problèmes de distorsion des pistes de coupe.
1. Analyse des causes du problème
Dans le traitement quotidien, la découpe de pièces de grande épaisseur est difficile en raison des limitations des conditions d'érosion par électroérosion, de l'épaisseur limitée de la pièce, du manque de liquide de refroidissement, de l'absence d'élimination des produits d'érosion électrique, de l'instabilité du traitement et de l'absence de courant jusqu'à l'apparition d'un court-circuit de décharge. Ce phénomène est plus susceptible de se produire lors de la découpe de l'aluminium.
Habituellement, les machines-outils de découpe hors chaîne de montage sont équipées d'une protection contre les courts-circuits. En cas de court-circuit, le banc de la machine s'arrête immédiatement et reste immobile en attendant la fin de l'usinage. Cependant, lors de l'usinage de l'aluminium, ce matériau mou et léger rend l'évacuation des copeaux difficile. Il arrive parfois qu'après un court-circuit, la zone d'usinage soit transférée vers le bloc d'alimentation. Ce bloc et le fil de molybdène sont alimentés par décharge d'étincelles. Bien qu'un court-circuit se produise entre la pièce et l'électrode, l'état de décharge de la machine reste normal. Par conséquent, la protection contre les courts-circuits n'est pas activée et la machine continue d'usiner selon les procédures normales. L'évacuation de la pièce ne permet pas d'obtenir une forme et des dimensions correctes, le fil de molybdène formant une rainure dans la pièce d'aluminium. Ceci entraîne une déformation de la piste de coupe et la mise au rebut de la pièce. Comme illustré sur la figure 4, les deux premières étapes de l'usinage présentent une déformation de la piste de coupe et entraînent la mise au rebut de la pièce.
2 façons de résoudre
(1) La première étape consiste à optimiser les paramètres de procédé en fonction de l'épaisseur du fil. De nombreuses expériences ont montré que, pour le traitement des alliages d'aluminium, il est préférable de réduire la largeur d'impulsion. En effet, une diminution de la largeur d'impulsion réduit l'énergie par impulsion, la taille des marques de décharge, ainsi que la quantité et la taille des particules d'alumine, et limite l'usure du bloc d'alimentation. À l'inverse, un intervalle entre les impulsions plus long favorise l'évacuation des copeaux, réduit le collage du fil, améliore la stabilité de la coupe et la rugosité de surface de la pièce. Cependant, un intervalle trop court ne permet pas d'éliminer complètement les produits de décharge, et l'ionisation est trop tardive, ce qui rend le procédé instable et peut entraîner la rupture du fil ou la déformation du tracé de coupe.
La vitesse d'avance programmée est inférieure à la vitesse de corrosion réelle de la pièce, l'usinage se fait en circuit ouvert et la vitesse de coupe est faible. Le point de fusion et le point de vaporisation de l'alliage d'aluminium étant bas, l'énergie de décharge nécessaire est accrue et l'écartement entre les électrodes est important. Cet écartement empêche la décharge pulsée dans le milieu liquide, réduisant considérablement le taux d'utilisation des impulsions. Par ailleurs, une distance excessive entre les électrodes entraîne une augmentation de l'amplitude, rendant le processus instable et pouvant même provoquer la rupture des fils. Lorsque la vitesse d'avance dépasse la vitesse d'érosion potentielle (appelée vitesse de suivi), le risque de court-circuit est élevé. La vitesse d'avance et de coupe réelle diminue, sans pour autant éliminer l'érosion électrique de l'aluminium. Le court-circuit et la rupture des fils conducteurs peuvent alors provoquer l'asphyxie. Un réglage précis de l'avance à fréquence variable est donc nécessaire pour optimiser l'usinage. Le circuit de commande de l'avance à fréquence variable comporte de nombreux points de réglage, la plupart étant situés dans l'armoire de commande de la machine-outil et ne devant généralement pas être modifiés. Un bouton est monté sur le panneau de la console et peut être positionné correctement en fonction des circonstances spécifiques afin de garantir que la lecture de l'ampèremètre, du voltmètre et le jitter du fil de molybdène soient faibles, assurant ainsi un suivi optimal.
Lors de l'usinage de pièces épaisses, notamment au début (5 mm), la tension du fil d'électrode étant élevée et la concentration du liquide de refroidissement importante, il convient d'augmenter l'énergie de chaque impulsion et l'intervalle entre les impulsions (rapport largeur d'impulsion/intervalle d'au moins 1:8). Ceci garantit une énergie d'impulsion suffisante et un intervalle de temps adéquat pour limiter l'érosion électrique, tout en réduisant le courant d'usinage, généralement en dessous de 2 A. Une fois l'usinage stabilisé, on réduit l'intervalle entre les impulsions, ce qui augmente le courant à environ 3 A et la tension à environ 75 V. La valeur moyenne de la décharge du fil de molybdène n'étant pas augmentée, la capacité à former une étincelle est renforcée et la force explosive de cette étincelle est accrue. Par conséquent, les paramètres électriques doivent être adaptés et suffisamment élevés pour éviter une instabilité de l'usinage et une baisse de la qualité des pièces usinées.
La vitesse de coupe et la rugosité de surface sont les deux indices technologiques requis ; il est donc nécessaire de rechercher une vitesse de coupe élevée afin de satisfaire aux exigences de rugosité de surface.
(2) Selon l'épaisseur de la pièce, un écartement de décharge trop faible est inadapté, car il risque de provoquer un court-circuit et la décharge nuit au refroidissement et à la corrosion du matériau ; un écartement trop important affecte la rugosité de surface et la vitesse d'usinage. Lors de la coupe de pièces épaisses, il convient d'utiliser un fil de molybdène de plus grand diamètre et une largeur d'impulsion importante afin d'augmenter l'écartement de décharge, d'améliorer l'évacuation des copeaux et d'accroître la stabilité de la coupe.
(3) Maintenir la propreté du liquide de refroidissement et le remplacer régulièrement. Éliminer les impuretés et les reflux du liquide de refroidissement à l'aide d'un filtre. Placer ensuite une couche d'éponge absorbante à la sortie du liquide de refroidissement pour une meilleure absorption. Pour améliorer l'évacuation des copeaux, éviter les obstructions, ajouter du détergent et du savon au liquide de refroidissement afin d'optimiser le lavage, l'évacuation des copeaux et les conditions d'extraction. Ajuster régulièrement la position du bloc d'alimentation rotatif ou le remplacer, nettoyer les copeaux au niveau de l'alimentation et assurer un contact optimal entre le bloc d'alimentation et le fil de molybdène pour éviter les fuites et les déformations dues à la coupe.
Quatre, la conclusion
L'analyse du fonctionnement réel d'une ligne de découpe, dans le cadre du traitement de l'aluminium, révèle la production fréquente de particules d'alumine. Celles-ci entraînent une diminution de la conductivité, l'usure du bloc d'alimentation, la rupture des fils et des courts-circuits, ce qui affecte considérablement la qualité et l'efficacité du traitement. Ces problèmes, ainsi que les solutions pratiques proposées, sont présentés. Les méthodes et mesures décrites ici sont efficaces et réalisables ; elles permettent d'améliorer la qualité du traitement par découpe au fil, en réduisant la rupture des fils, les courts-circuits et la déformation des traces de coupe sur les pièces en aluminium.