Chapitre IV : Etude des impacts obtenus à la surface d’un matériau massif, en couche mince IV. 2 – Principe physique de l’EDM En général, le fonctionnement d’une machine EDM consiste à utiliser un outil et une pièce. L’outil est l’électrode pointe sur laquelle la tension et/ou le courant sont appliqués. La pièce 121 c’est le matériau à usiner, c’est la contre-électrode qui sera liée à la masse du système. La distance interélectrodes dans une machine à EDM est souvent sub-millimétrique. Beaucoup d’études expérimentales et théoriques ont été effectuées pour mieux comprendre les mécanismes gouvernant un processus EDM. Nous représentons figure IV.1 la géométrie classique d’une machine EDM pour l’usinage des pièces et la géométrie retenue pour éroder la roche lors de l’exploitation des gaz de schiste. Figure IV.1 : Géométries d’une machine EDM classique a) pour usiner des pièces et b) pour éroder des roches [Tou2005]. L’usinage par EDM s’opère dans un milieu diélectrique liquide (EDM humide) ou gazeux (EDM sec). L’application de la tension et/ou du courant sur l’électrode pointe (l’outil) conduit au claquage du liquide et à la formation d’une étincelle qui va éroder les électrodes. En fait, la situation est beaucoup plus complexe, parce que beaucoup de phénomènes physiques ont lieu simultanément dans l’espace inter-électrodes et leur diagnostic n’est pas toujours facile à mettre en œuvre, ni même technologiquement possible [Yeo2007, Das2003, Hei1976]. Généralement, les processus physiques accompagnant la formation d’une décharge dans un liquide sont classés en fonction du temps de la manière suivante (fig. IV.2) : 1 – Le pré-claquage. Cette phase, correspondant à l’apparition d’une perturbation (de quelques µm de diamètre), est caractérisée par un indice de réfraction différent de celui du liquide environnant, au voisinage de l’électrode de faible rayon de courbure. Ceci est souvent décrit comme étant dû au passage d’un courant de faible intensité dans le milieu sans que ce dernier claque. Suivant la nature du liquide (polaire ou non-polaire) et les caractéristiques électriques appliquées, le courant de pré-claquage peut chauffer localement le milieu en formant une microcavité gazeuse où la décharge s’initiera. 2 – La deuxième phase est la phase d’initiation de la décharge, appelée aussi phase d’ionisation. Sous l’effet de la haute tension appliquée entre les électrodes, le plasma s’initie Pièce à usiner Ou tils Liquide diélectrique Plasma Tension-Courant HT Electrodes eau Surface à traiter Canal de décharge a b 122 au niveau de l’électrode de faible rayon de courbure où l’intensité du champ est maximale, et se développe progressivement en un canal de plasma. Cette phase ne dure qu’un temps très bref (10 à 100 ns) créant une onde de choc. Cette dernière se propage d’une manière isotrope dans le milieu, mais la présence de la pièce (électrode plane) absorbe et reflète cette onde dont l’un des premiers effets est de nettoyer la surface de l’électrode plane. 3 – Pendant la troisième phase, le plasma atteint la contre-électrode. Les flux de particules positives et négatives se dirigent respectivement vers la cathode et vers l’anode. La décharge est fortement concentrée dans un canal de petite section, et il en résulte des densités de courant très élevées et des radiations très intenses. Celles-ci entraînent des effets physico-chimiques et thermiques importants : chauffage local des électrodes, fusion et évaporation des matériaux, dégradation du liquide diélectrique, etc. Figure IV.2 : A gauche : description des processus physiques principaux lors d’une décharge électrique dans un liquide diélectrique. A droite : représentation illustrée d’après [OEL]. 4 – La quatrième phase est liée à la coupure du plasma. La relaxation du milieu conduit à une trempe des gouttelettes de métal fondu émise par le puits liquide. Simultanément, la température globale diminue et le milieu devient optiquement mince. 5 – La dernière phase se traduit par la formation d’une bulle de gaz dans l’espace inter-électrodes. Cette bulle se trouve entourée par le liquide et les électrodes elles-mêmes. Suite à la différence de température entre le liquide, les électrodes et la bulle, des phénomènes violents ont lieu. La décharge se termine par un effet hydrodynamique : la bulle croît jusqu’à ce que sa pression interne soit minimale puis, sous l’effet de la pression hydrostatique du 2 200 ns 10 ns P récl aq u ag e 500 ns Cl aq u ag e Plasma évanescent 2 µs 500 µs Oscillation de la bulle Ejection F in d u t em p s Préclaquage T en si o n Temps Onde de choc Plasma Bulle 123 liquide, son volume diminue. Plusieurs phases d’oscillations successives, d’expansion-implosion, peuvent être observées avant que la bulle soit évacuée de l’espace interélectrodes. Dans la communauté des utilisateurs d’EDM, beaucoup de travaux abordent le problème de la dissipation de l’énergie à la surface des électrodes [Izq2009, Sin1999, Pat1989, Erd1983, Ika1995, Mar2006]. Par conséquent, les données relatives à ce sujet sont nombreuses et montrent une divergence de résultats remarquable. Pour l’instant, le paramètre le plus étudié est la proportion d’énergie transmise du plasma vers les électrodes. La valeur de ce facteur est très mal connue et varie de quelques pourcents jusqu’à ~ 50 % [Yeo2001, Das2003]. La méconnaissance de cette grandeur conduit à des bilans d’énergie entre les différents mécanismes impliqués très approximatifs. Dans ce chapitre, nous allons tâcher de corréler l’énergie délivrée par le générateur avec les caractéristiques des impacts obtenus. Nous travaillerons toujours en fixant une distance inter-électrodes micrométrique afin d’éviter tout effet de filamentation. Nous allons notamment observer que l’énergie délivrée par le générateur ne peut pas être corrélée facilement avec l’énergie nécessaire à la création d’un impact. A travers ce chapitre, nous démontrerons notamment que la quantité de charges déposées est le paramètre le plus pertinent pour caractériser l’impact formé. Nous verrons enfin que les propriétés physico-chimiques de la surface influencent la morphologie de l’impact. Dans le document Microdécharges dans l'heptane liquide : caractérisation et applications au traitement local des matériaux et à la synthèse de nanomatéraux (Page 122-125)
