Usinage par ultrasons (USM) :mécanique, paramètres de processus, éléments, outils et caractéristiques

Dans cet article, nous discuterons de l'usinage par ultrasons :- 1. Usinage par ultrasons (USM) et outil d'usinage par ultrasons 2. Mécanique de l'USM 3. Paramètres de processus de l'USM et ses effets 4. Composants de l'usinage par ultrasons 5. Caractéristiques de Usinage par ultrasons.

Contenu :

1. Usinage par ultrasons (USM) et outil d'usinage par ultrasons
2. Mécanique de l'USM
3. Paramètres de processus d'USM et son effet
4. Composants de l'usinage par ultrasons
5. Caractéristiques de l'USM

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1. Usinage par ultrasons (USM) et outil d'usinage par ultrasons  :

L'utilisation des ultrasons dans l'usinage a été proposée pour la première fois par L. Balamuth en 1945. Le premier rapport sur l'équipement et la technologie est apparu entre 1951 et 1952. En 1954, les machines-outils, utilisant le principe des ultrasons, avaient été conçues et construites. À l'origine, l'USM était une opération de finition des composants traités par les machines à électro-étincelles. Cependant, cette utilisation est devenue moins importante en raison de l'évolution de l'usinage par électroérosion.

Mais ensuite, avec l'essor de l'électronique à l'état solide, l'usinage de matériaux électriquement non conducteurs, semi-conducteurs et cassants est devenu de plus en plus important et, pour cette raison, l'usinage par ultrasons est redevenu gagné en importance et en importance. Ces dernières années, divers types de machines-outils à ultrasons ont été développés. Bien sûr, la technique USM est encore loin d'être parfaite.

Le processus USM de base implique un outil (fait d'un matériau ductile et résistant) vibrant à très haute fréquence et un flux continu d'une boue abrasive dans le petit espace entre l'outil et la surface de travail . L'outil est alimenté progressivement avec une force uniforme. L'impact des grains abrasifs durs fracture la surface de travail dure et cassante, entraînant l'élimination du matériau de travail sous la forme de petites particules d'usure qui sont emportées par la boue abrasive. Le matériau de l'outil, étant dur et ductile, s'use beaucoup plus lentement.

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2. Mécanique de l'USM :

La physique de l'usinage par ultrasons n'est ni complète ni non controversée.

Les raisons de l'enlèvement de matière pendant l'USM seraient :

(i) Le martelage des particules abrasives sur la surface de travail par l'outil,

(ii) L'impact des particules abrasives libres sur la surface de travail,

(iii) L'érosion due à la cavitation, et

(iv) L'action chimique associée au fluide utilisé.

Un certain nombre de chercheurs ont essayé de développer des théories pour prédire les caractéristiques de l'usinage par ultrasons. Le modèle proposé par M.C. Shaw est généralement bien accepté et, malgré ses limites, explique raisonnablement bien le processus d'enlèvement de matière. Dans ce modèle, l'impact direct de l'outil sur les grains en contact avec la pièce (qui est responsable de la majeure partie de l'enlèvement de matière) est pris en considération.

En outre, les hypothèses émises sont les suivantes :

(i) Le taux d'enlèvement de matière à travailler est proportionnel au volume de matière à travailler par impact,

(ii) Le taux d'enlèvement de matière est proportionnel au nombre de particules ayant un impact par cycle,

(iii) Le taux d'enlèvement de matière est proportionnel à la fréquence (nombre de cycles par unité de temps),

(iv) Tous les impacts sont identiques,

(v) Tous les grains abrasifs sont identiques et de forme sphérique.

Considérons maintenant l'impact d'un grain abrasif rigide et sphérique de diamètre sur la surface de travail. La figure 6.9 montre l'empreinte causée par un tel impact à un instant donné.

Si D est le diamètre de l'empreinte à un instant donné et h la profondeur de pénétration correspondante, on obtient, à partir de la Fig. 6.9,

Les différentes positions d'outil au cours d'un cycle sont indiquées sur la figure 6.11. La position A indique l'instant où la face de l'outil touche le grain abrasif, et la période de mouvement de A à B représente l'impact. Les indentations, causées par le le grain sur l'outil et la surface de travail à la position extrême inférieure de l'outil sont illustrés à la Fig 6.12. Si la distance parcourue par l'outil de la position A à la position B est h (l'empreinte totale), alors-

Puisque la contrainte d'écoulement et la dureté Brinell H sont les mêmes, les équations (6.6) et (6.7) cèdent –

Ce taux d'enlèvement de matière est dû à l'action de martelage direct des grains due à l'outil vibrant. Certains grains, réfléchis par la face de l'outil en mouvement rapide, frappent également la face de travail, et nous pouvons estimer l'indentation causée par ces grains en mouvement libre. La figure 6.13 montre un grain réfléchi par l'outil. Pendant la vibration, la vitesse maximale de la face de l'outil est de 2πvA.

Comme la vitesse d'origine d'un grain abrasif est faible, sa vitesse maximale est évidemment de l'ordre de 2πvA. Ainsi, l'énergie cinétique maximale correspondante du grain abrasif est donnée par -

Où est la densité du matériau abrasif. Si nous supposons que pendant l'indentation causée par un tel grain incident, la force de contact augmente linéairement avec l'indentation, alors –

Comparaison des valeurs de h_w et h'_w dans des conditions normales, on voit que h'_w est très petit par rapport à h_w , et donc on peut conclure que la majeure partie du matériau est enlevée par les grains abrasifs impactant directement.

La relation (6.11) indique que le taux d'enlèvement de matière est proportionnel à d ^1/4 , mais en fait il est proportionnel à d. Cet écart entre la prédiction théorique et le fait observé a été expliqué par Shaw comme suit.

La forme réelle d'un grain abrasif n'est pas sphérique, comme le montre la figure 6.14. Au lieu d'avoir une surface lisse, il a des projections de diamètre moyen d₁ .

On constate que le diamètre moyen des saillies est proportionnel au carré du diamètre nominal du grain (d). Alors,

La relation (6.18) montre que le mrr est proportionnel à d, un fait également confirmé expérimentalement.

La théorie de Shaw a un certain nombre de limitations. Par exemple, il ne prédit pas correctement les effets de la variation de A, F et v. Lorsque F est augmenté, le mrr augmente, comme le montre la figure 6.15. Ceci est également confirmé par la relation (6.18). Cependant, en pratique, Q commence à diminuer après une certaine valeur de F parce que les grains abrasifs sont écrasés sous une forte charge.

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3. Paramètres de processus d'USM et son effet :

Les paramètres importants qui affectent le processus sont les :

(i) Fréquence :

Comme le montre la relation (6.18), le mrr augmente linéairement avec la fréquence. En pratique également, le mrr augmente avec la fréquence (voir Fig. 6.16a) mais la caractéristique réelle n'est pas exactement linéaire. Le mrr a tendance à être légèrement inférieur à la valeur théoriquement prévue.

(ii) Amplitude :

Lorsque l'amplitude de vibration est augmentée, le mrr devrait augmenter, comme le montre la relation (6.18). La nature réelle de la variation est indiquée sur la figure 6.16b pour différentes valeurs de la fréquence. Encore une fois, la caractéristique réelle est quelque peu différente de celle théoriquement prévue. La principale source de discordance vient du fait que nous avons calculé la durée de pénétration Δt en considérant la vitesse moyenne (=A/(T/4)). La caractéristique de variation de t, donnée par –

est assez différent de celui obtenu à partir de l'expression approximative, c'est-à-dire (h/A)(T/4).

(iii) Charge statique (force d'alimentation) :

Avec une augmentation de la charge statique (c'est-à-dire la force d'avance), le mrr a tendance à augmenter. Cependant, en pratique, elle tend à décroître au-delà d'une certaine valeur critique de la force au fur et à mesure que les grains commencent à s'écraser. La nature de la variation du mrr avec la force d'avance (pour diverses amplitudes) est illustrée à la figure 6.17a.

(iv) Rapport de dureté de l'outil et de la pièce à usiner :

Le rapport entre la dureté de la pièce et la dureté de l'outil affecte le mrr de manière assez significative, et la caractéristique est telle qu'illustrée à la figure 6.17b. Outre la dureté, la fragilité du matériau de travail joue un rôle très dominant. Le tableau 6.2 indique les taux d'enlèvement de matière relatifs pour différents matériaux de travail, en gardant les autres paramètres identiques. Il est clair qu'un matériau plus cassant est usiné plus rapidement.

(v) Taille du grain :

La relation (6.18) indique que le mrr doit augmenter proportionnellement au diamètre moyen des grains d. Cependant, lorsque d devient trop grand et s'approche de l'amplitude de l'amplitude A, la tendance à l'écrasement augmente, entraînant une chute du mrr comme le montre la figure 6.18a.

(vi) Concentration d'abrasif dans la boue :

Étant donné que la concentration contrôle directement le nombre de grains produisant un impact par cycle et également l'amplitude de chaque impact, le mrr devrait dépendre de C. Mais la relation (6.18) montre que le mrr est attendu être proportionnel à C ^1/4 . La variation réelle est illustrée à la Fig. 6.18b pour B₄ Abrasifs C et SiC. Ceci est en assez bon accord avec la prédiction théorique. Puisque le mrr augmente comme C ^1/4 , l'augmentation du mrr est assez faible après que C a franchi 30%. Ainsi, une nouvelle augmentation de la concentration n'aide pas.

Certaines propriétés physiques (par exemple, la viscosité) du fluide utilisé pour la suspension affectent également le mrr. Les expériences montrent que le mrr diminue à mesure que la viscosité augmente (Fig. 6.19a).

Bien que le mrr soit une considération très importante pour juger des performances d'une opération USM, la qualité de la finition obtenue doit également être prise en compte pour une évaluation appropriée. Dans une opération USM, l'état de surface dépend principalement de la taille des grains abrasifs. La figure 6.19b montre une variation typique de la valeur moyenne de l'irrégularité de surface avec la taille moyenne des grains pour le verre et le carbure de tungstène comme matériau de travail.

Il est clair que l'état de surface est beaucoup plus sensible à la granulométrie dans le cas du verre. Ceci est dû au fait que, pour une dureté élevée, la taille des fragments délogés par rupture fragile dépend peu de la taille des particules impactantes.

Effets de l'USM sur les matériaux :

Étant donné que la force de coupe impliquée est très faible, le processus ne produit aucune contrainte ni échauffement appréciable. Ainsi, la structure du matériau reste inchangée. Cependant, lors de la coupe à travers un trou, un écaillage peut se produire du côté de la sortie du trou. Pour éviter cela, la pièce à usiner en matériau cassant est fixée sur un socle généralement en verre.

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4. Composants de l'usinage par ultrasons :

Les composants importants de la machine sont :

(i) Tête acoustique  :

La tête acoustique (Fig. 6.22) est peut-être la partie la plus importante de la machine. Sa fonction est de produire une vibration dans l'outil. Il se compose d'un générateur pour fournir un courant électrique à haute fréquence, d'un transducteur pour le convertir en un mouvement mécanique sous la forme d'une vibration à haute fréquence, d'un support pour tenir la tête et d'un concentrateur pour amplifier mécaniquement la vibration tout en la transmettant à l'outil.

La plupart des transducteurs fonctionnent selon le principe magnétostrictif en raison de leur rendement élevé, de leur haute fiabilité dans la plage de 15 à 30 kHz, de leur faible tension d'alimentation et de leur système de refroidissement simple. Les emboutissages sont utilisés pour réduire les pertes comme dans les transformateurs. Les dimensions sont choisies de telle sorte que la fréquence propre coïncide avec la fréquence d'alimentation électrique. Presque toutes les machines modernes utilisent des transducteurs à magnétostriction en nickel (emboutissages de 0,1-0,2 mm d'épaisseur).

Le but principal du concentrateur est d'augmenter l'amplitude au niveau nécessaire pour la coupe. Différents types de concentrateurs sont utilisés (Fig. 6.23a). La figure 6.23b montre comment l'amplitude de vibration longitudinale de l'ensemble transducteur-concentrateur est amplifiée. Il convient de noter que le système doit être maintenu au corps principal à un point nodal, comme illustré.

(ii) Mécanisme d'alimentation  :

L'objectif du mécanisme d'avance est d'appliquer la force de travail pendant l'opération d'usinage. Un instrument montrant le mouvement de l'outil indique la profondeur d'usinage.

Les types de base de mécanismes d'alimentation sont les :

(a) Type de contrepoids,

(b) Type de ressort,

(c) Type pneumatique et hydraulique,

(d) Type de moteur.

(iii) Outil :

L'outil est fait d'un métal solide, mais en même temps ductile. Généralement, des aciers inoxydables et des aciers à faible teneur en carbone sont utilisés pour la fabrication des outils. Les outils en aluminium et en laiton s'usent dix et cinq fois plus vite que les outils en acier, respectivement. Les caractéristiques géométriques sont décidées par le processus. Le diamètre du cercle circonscrit à l'outil ne doit pas dépasser 1,5 à 2 fois le diamètre de l'extrémité du concentrateur, et l'outil doit être le plus court et le plus rigide possible.

Lorsque l'outil est creusé, le contour interne doit être parallèle au contour externe pour assurer une usure uniforme. L'épaisseur de toute paroi ou projection doit être au moins cinq fois supérieure à la taille des grains de l'abrasif. Dans un outil creux, les parois ne doivent pas être plus minces que 0,5 mm à 0,8 mm. Lors de la conception de l'outil, il faut tenir compte du jeu latéral qui est normalement de l'ordre de 0,06 mm à 0,36 mm, selon la granulométrie de l'abrasif.

(iv) Boue abrasive :

Les abrasifs les plus courants sont – (i) le carbure de bore (B₄ C), (ii) carbure de silicium (SiC), (iii) corindon (Al₂ O₃ ), (iv) le diamant, et (v) le silicate de bore (très efficace) dont le pouvoir abrasif est environ 10 % supérieur à celui du B₄ C. B₄ C'est le meilleur et le plus efficace parmi les autres mais c'est cher. Le SiC est utilisé sur le verre, le germanium et certaines céramiques. Le temps de coupe avec le SiC est d'environ 20 à 40 % supérieur à celui du B₄ C. Le corindon est beaucoup moins efficace et le temps de coupe est environ 3 à 4 fois supérieur à celui du B₄ C. La poussière de diamant est utilisée uniquement pour couper les diamants et les rubis.

Bien que l'eau soit le fluide le plus couramment utilisé dans le lisier, d'autres liquides, tels que le benzène, le glycérol et les huiles, sont également utilisés. On a trouvé que le mrr a tendance à diminuer avec l'augmentation de la viscosité.

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5. Caractéristiques de USM :

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