Leçon 6.7CouperChapitre 6 · Découpe et usinage non conventionnel

Usinage électrochimique (ECM)

L'électrolyse dissout le métal selon la forme de l'outil

L'usinage électrochimique (ECM) enlève du métal en le dissolvant, atome par atome, avec du courant électrique et de l'eau salée. Il fonctionne comme le dépôt électrolytique à l'envers : l'outil façonné ne touche jamais la pièce, ne s'use jamais, et ne laisse ni dégâts thermiques ni bavures. Les fabricants de moteurs d'avions l'utilisent pour façonner des aubes dans des alliages de nickel difficiles.

Photo : Alkanchik, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

Usinage électrochimique · la cellule ECM et un gros plan de l'espaceLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; la bande du bas agrandit l'espace sous la pointe de l'outil.

Comment ça marche

Câbler le circuit. Une alimentation en courant continu fait de la pièce l'anode (côté positif) et de l'outil façonné la cathode (côté négatif). Elle fonctionne sous basse tension, typiquement 5–25 V, mais avec des milliers d'ampères.
Fermer l'espace. L'outil, généralement en cuivre, en laiton ou en acier inoxydable, est amené à quelques dixièmes de millimètre de la pièce. Les deux ne se touchent jamais.
Pomper l'électrolyte. Un électrolyte (un liquide qui conduit l'électricité), typiquement du chlorure de sodium ou du nitrate de sodium dans l'eau, est pompé vite à travers l'outil et sur l'espace.
Dissoudre le métal. Le courant traverse l'électrolyte, et les atomes de la surface de la pièce partent sous forme d'ions métalliques (atomes chargés électriquement). Des bulles d'hydrogène se forment sur l'outil, qui ne s'use jamais.
Avancer et copier. L'outil avance régulièrement. Le métal se dissout le plus vite là où l'espace est le plus étroit, donc les points hauts disparaissent et la pièce prend la forme de l'outil en négatif.
Rincer et filtrer. Le flux emporte le métal dissous sous forme de boue (hydroxyde métallique), ainsi que le gaz et la chaleur. L'électrolyte est filtré, refroidi et réutilisé.

Chiffres clés

Matériaux: Tout métal conducteur d'électricité, surtout les alliages difficiles à usiner : superalliages de nickel, titane, alliages de cobalt, acier trempé. La dureté n'a pas d'importance.
Pièces typiques: Aubes de turbines et disques aubagés monoblocs, rayures de canons, trous de refroidissement profonds, ébavurage de trous transversaux internes dans les corps de vannes et d'injecteurs
Taille de pièce: De trous transversaux d'environ un millimètre de large à des pièces de moteurs de plusieurs centaines de millimètres
Précision: Typiquement environ ±0,05 mm ; l'ECM pulsé (PECM) peut tenir environ ±0,01 mm
État de surface: Lisse et souvent brillant, sans bavures, fissures ni couche abîmée par la chaleur ; rugosité Ra (hauteur moyenne des aspérités) typiquement 0,1–2 µm, presque miroir avec le PECM
Taille de série adaptée: Volumes moyens à élevés de pièces de grande valeur : l'outil ne s'use pas, mais sa mise au point se fait par essais et erreurs
Coût d'outillage et de machine: Élevé : machines souvent de plusieurs centaines de milliers de dollars ou plus, plus des outils sur mesure et un grand système de traitement de l'électrolyte
Vitesse: Fixée par le courant : environ 2 cm³ d'acier dissous par minute pour chaque 1 000 A ; l'outil avance typiquement d'une fraction de millimètre à quelques millimètres par minute

Atouts et limites

Atouts

Pas d'usure de l'outil : un outil peut faire des milliers de pièces
Usine tout métal, aussi dur soit-il, sans dégâts thermiques
Pas d'effort de coupe ni de bavures ; surfaces lisses et sans contraintes
Rapide sur les formes 3D complexes dans des alliages difficiles

Limites

Ne fonctionne que sur les métaux conducteurs d'électricité
Machines coûteuses et mise au point de l'outil lente, par essais et erreurs
Les angles intérieurs vifs et les détails fins sont difficiles : l'espace les arrondit
De grands volumes d'électrolyte et de boues métalliques à filtrer et à éliminer en toute sécurité

Où on l'utilise

AéronautiqueAubes et disques aubagés de turbines en alliages de nickel et de titane ; trous de refroidissement
DéfenseRayures (rainures en spirale) à l'intérieur des canons
AutomobileÉbavurage de trous transversaux dans des injecteurs de carburant, des corps de vannes et des pièces de transmissions
Production d'énergieAubes de turbines à gaz et à vapeur
Fabrication d'outillagesEmpreintes de matrices de forgeage dans l'acier trempé

Comment le reconnaître

Des surfaces lisses, souvent brillantes ou satinées, sans marques d'outil, sans bavures et sans décoloration due à la chaleur.
Des arêtes et des angles intérieurs légèrement arrondis, jamais tranchants comme un rasoir.
Des formes courbes complexes, comme des profils d'aubes, dans des alliages très durs sans traces d'usinage visibles.
Des trous transversaux à l'intérieur d'une pièce avec des bords proprement arrondis et sans bavures.

À comparer avec

Électroérosion par enfonçage6.6copie aussi un outil façonné dans du métal dur, mais en le faisant fondre par étincelles ; plus lente, l'électrode s'use, et une fine peau refondue subsiste.Dépôt électrolytique11.5la même chimie à l'envers : la pièce est la cathode, et du métal est déposé au lieu d'être enlevé.Usinage chimique6.8dissout aussi le métal, mais avec un bain de gravure et des masques au lieu de courant électrique et d'un outil façonné.

À regarder

Piyush Singh · Une visite animée du circuit, de l'espace et du flux

MTDCNC · De vraies machines ECM et des pièces finies de près

EMAG · Comment fonctionnent les machines ECM et ECM pulsé industrielles

CamcraftInc · L'ECM dans un atelier de production qui fabrique des pièces de précision

Voir de vraies photos

Wikipédia : Usinage électrochimique — schéma de principe, histoire et applications
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

L'ECM dissout le métal avec du courant et de l'eau salée ; l'outil ne touche jamais la pièce et ne s'use jamais.
La pièce copie l'outil parce que le métal se dissout le plus vite là où l'espace est le plus étroit.
Il convient aux alliages difficiles et aux gros volumes ; cherchez des surfaces lisses sans bavures et des bords doucement arrondis.