Usinage par ultrasons (USM) : Fondamentaux, paramètres, composants et avantages clés

Dans cet article, nous aborderons l'usinage par ultrasons : 1. Usinage par ultrasons (USM) et outil USM 2. Mécanique de l'USM 3. Paramètres du procédé USM et leurs effets 4. Composants de l'usinage par ultrasons 5. Caractéristiques de l'USM.

1. Usinage par ultrasons (USM) et outil USM
2. Mécanique de l'USM
3. Paramètres du procédé USM et leurs effets
4. Composants de l'usinage par ultrasons
5. Caractéristiques de l'USM

1. Usinage par ultrasons (USM) et outil USM :

L'utilisation des ultrasons en usinage a été proposée par L. Balamuth en 1945. Premier rapport sur l'équipement et la technologie en 1951-52. En 1954, des machines-outils utilisant le principe ultrasonique étaient conçues et construites. À l'origine, l'USM était une opération de finition pour composants traités par électro-érosion. Cette utilisation a perdu de l'importance avec les progrès de l'EDM.

Mais avec l'essor de l'électronique à semi-conducteurs, l'usinage de matériaux non conducteurs électriquement, semi-conducteurs et fragiles est devenu crucial, redonnant de l'importance à l'USM. Ces dernières années, divers types de machines-outils ultrasoniques ont été développés. Bien sûr, la technique USM est encore loin d'être parfaite.

Le procédé USM de base implique un outil (en matériau ductile et résistant) vibrant à très haute fréquence, avec un flux continu de boue abrasive dans l'interstice entre l'outil et la surface de la pièce. L'outil est avancé progressivement avec une force uniforme. L'impact des grains abrasifs durs fracture la surface dure et fragile de la pièce, enlevant la matière sous forme de minuscules particules d'usure emportées par la boue. L'outil, étant ductile et résistant, s'use beaucoup plus lentement.

2. Mécanique de l'USM :

La physique de l'usinage ultrasonique n'est ni complète ni incontestée.

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

• (i) Martelage des particules abrasives sur la surface de la pièce par l'outil
• (ii) Impact des particules abrasives libres sur la surface de la pièce
• (iii) Érosion due à la cavitation
• (iv) Action chimique associée au fluide utilisé

Plusieurs chercheurs ont développé des théories pour prédire les caractéristiques de l'USM. Le modèle de M.C. Shaw est généralement bien accepté et, malgré ses limites, explique raisonnablement bien le processus d'enlèvement. Ce modèle prend en compte l'impact direct de l'outil sur les grains en contact avec la pièce (responsable de la majeure partie de l'enlèvement).

Hypothèses :

• (i) Taux d'enlèvement proportionnel au volume de matière enlevé par impact
• (ii) Taux proportionnel au nombre de particules impactant par cycle
• (iii) Taux proportionnel à la fréquence (cycles par unité de temps)
• (iv) Tous les impacts sont identiques
• (v) Tous les grains abrasifs sont identiques et sphériques

Considérons l'impact d'un grain abrasif sphérique rigide de diamètre d sur la surface de la pièce. La figure 6.9 montre l'indentation causée. Si D est le diamètre de l'indentation et h la profondeur de pénétration, on obtient la relation géométrique. Les positions de l'outil pendant un cycle sont montrées fig. 6.11. La position A = contact outil-grain, A→B = période d'impact. Les indentations au point le plus bas (B) sont fig. 6.12. Si la distance parcourue A→B est h (indentation totale), on déduit le volume enlevé par impact. Comme la contrainte d'écoulement σ et la dureté Brinell H sont égales, on obtient le taux d'enlèvement par martelage direct.

Certains grains, reflétés par la face d'outil en mouvement rapide, heurtent aussi la surface de la pièce. On peut estimer l'indentation causée par ces grains libres. La vitesse max de la face d'outil est 2πνA. La vitesse max du grain libre est de cet ordre. Énergie cinétique max = ½ ρ (2πνA)². En supposant force de contact proportionnelle à l'indentation, on trouve h'_w. En comparant h_w et h'_w, h'_w est très petit : la majeure partie de la matière est enlevée par les grains impactant directement.

La relation (6.11) indique TEM proportionnel à d^(1/4), mais expérimentalement proportionnel à d. Shaw explique cette divergence : la forme réelle du grain n'est pas sphérique, elle a des projections de diamètre moyen d₁ proportionnel à d². D'où TEM proportionnel à d, confirmé expérimentalement.

La théorie de Shaw a des limites : ne prédit pas correctement les effets des variations d'amplitude A, force F, fréquence ν. Quand F augmente, TEM augmente (fig. 6.15, relation 6.18). Mais en pratique, Q diminue après une valeur critique de F car les grains s'écrasent sous charge lourde.

3. Paramètres du procédé USM et leurs effets :

Paramètres importants affectant le procédé :

• (i) Fréquence : TEM augmente linéairement avec la fréquence (relation 6.18). En pratique aussi (fig. 6.16a) mais pas exactement linéaire, TEM légèrement inférieur à la prévision théorique.
• (ii) Amplitude : Augmentation de l'amplitude → TEM augmente (relation 6.18). Variation réelle (fig. 6.16b) pour différentes fréquences. Écart dû au calcul de la durée de pénétration Δt.
• (iii) Charge statique (force d'avance) : Augmentation de la charge → TEM tend à augmenter, mais diminue au-delà d'une valeur critique (grains écrasés). Variation du TEM selon force d'avance pour diverses amplitudes (fig. 6.17a).
• (iv) Rapport de dureté outil/pièce : Affecte significativement le TEM (fig. 6.17b). La fragilité du matériau pièce joue un rôle dominant. Tableau 6.2 : taux d'enlèvement relatifs pour différents matériaux (autres paramètres identiques). Matériau plus fragile = usiné plus rapidement.
• (v) Taille des grains : TEM devrait augmenter proportionnellement au diamètre moyen d (relation 6.18). Mais quand d devient trop grand et approche l'amplitude A, tendance à l'écrasement augmente → TEM chute (fig. 6.18a).
• (vi) Concentration d'abrasif dans la boue : Contrôle le nombre de grains impactant par cycle et l'amplitude de chaque impact. TEM attendu proportionnel à C^(1/4) (relation 6.18). Variation réelle (fig. 6.18b) pour B₄C et SiC, en bon accord avec la théorie. Augmentation du TEM faible après C > 30 %. Augmenter la concentration au-delà n'aide pas.

Certaines propriétés physiques du fluide (ex. viscosité) affectent aussi le TEM. Expériences : TEM diminue quand viscosité augmente (fig. 6.19a).

Outre le TEM, la qualité de finition de surface doit être considérée. En USM, la finition dépend principalement de la taille des grains abrasifs. Figure 6.19b : variation de l'inégalité de surface moyenne selon la taille moyenne des grains pour verre et carbure de tungstène. La finition est plus sensible à la taille des grains pour le verre, car pour une dureté élevée, la taille des fragments arrachés par fracture fragile ne dépend pas beaucoup de la taille des particules impactantes.

Effets de l'USM sur les matériaux : Force de coupe très faible → pas de contrainte ni d'échauffement appréciables. Structure du matériau inchangée. Cependant, lors du perçage traversant, éclatements peuvent survenir côté sortie. Pour l'éviter, la pièce fragile est fixée sur une base (souvent en verre).

4. Composants de l'usinage par ultrasons :

Composants importants de la machine :

• (i) Tête acoustique : Partie la plus importante. Produit la vibration de l'outil. Comprend : générateur (courant haute fréquence), transducteur (convertit en vibration mécanique haute fréquence), porte-outil, concentrateur (amplifie mécaniquement la vibration vers l'outil). La plupart des transducteurs fonctionnent sur le principe magnétostrictif (haute efficacité, fiabilité 15-30 kHz, basse tension, refroidissement simple). Utilisation de feuillards (comme transformateurs) pour réduire les pertes. Dimensions choisies pour que la fréquence naturelle coïncide avec la fréquence d'alimentation. Machines modernes : transducteurs magnétostrictifs en nickel (feuillards 0,1-0,2 mm). Le concentrateur augmente l'amplitude au niveau nécessaire. Divers types (fig. 6.23a). Fig. 6.23b : amplification de l'amplitude de vibration longitudinale de l'ensemble transducteur-concentrateur. Le système doit être fixé au corps principal en un point nodal.
• (ii) Mécanisme d'avance : Applique la force de travail pendant l'usinage. Un instrument indiquant le déplacement de l'outil montre la profondeur d'usinage. Types de base : (a) Contrepoids, (b) Ressort, (c) Pneumatique/hydraulique, (d) Moteur.
• (iii) Outil : En métal résistant mais ductile. Généralement aciers inoxydables et aciers bas carbone. Outils en aluminium et laiton s'usent 10 et 5 fois plus vite que l'acier. Géométrie décidée par le procédé. Diamètre du cercle circonscrit à l'outil ≤ 1,5 à 2 fois le diamètre de l'extrémité du concentrateur. Outil le plus court et rigide possible. Outil creux : contour interne parallèle à l'externe pour usure uniforme. Épaisseur de paroi ≥ 5 × taille de grain abrasif. Parois pas plus fines que 0,5–0,8 mm. Jeu latéral typique 0,06–0,36 mm selon taille de grain.
• (iv) Boue abrasive : Abrasifs courants : (i) Carbure de bore (B₄C), (ii) Carbure de silicium (SiC), (iii) Corindon (Al₂O₃), (iv) Diamant, (v) Carbure de bore-silicium (très efficace, puissance abrasive ~10 % > B₄C). B₄C = meilleur et plus efficace mais cher. SiC pour verre, germanium, certaines céramiques. Temps de coupe SiC 20-40 % > B₄C. Corindon beaucoup moins efficace (temps 3-4× B₄C). Poudre de diamant uniquement pour diamants et rubis. Eau = fluide le plus courant ; benzène, glycérol, huiles aussi utilisés. TEM diminue avec l'augmentation de la viscosité.

5. Caractéristiques de l'USM :