Usinage par ultrasons (USM) - Pièces principales, principe de fonctionnement, avantages et inconvénients avec application

Usinage Ultrasonique (USM) également appelé usinage par vibration ultrasonique est un processus d'usinage dans lequel le matériau est retiré de la surface d'une pièce par des vibrations de faible amplitude et haute fréquence d'un outil contre la surface du matériau en présence de particules abrasives.

• Le mouvement de l'outil s'effectue verticalement ou orthogonalement à la surface de la pièce. L'outil se déplace avec une amplitude de 0,05 mm à 0,125 mm (0,002 à 0,005 pouce).
• La boue est formée en mélangeant de fins grains abrasifs dans l'eau. Cette boue est amenée à s'écouler à travers l'w/p et la pointe de l'outil pendant le processus d'usinage. Les particules de gain abrasives dans la suspension aident à éliminer le matériau de la surface de la w/p. Les tailles de grains du matériau abrasif sont généralement comprises entre 100 et 1000. Les grains plus petits (c'est-à-dire un nombre de grains plus élevé) donnent des finitions de surface lisses.
• Ce processus d'usinage est généralement utilisé pour usiner des matériaux fragiles et des matériaux à haute dureté.

Principe de fonctionnement de l'usinage par ultrasons

Un courant électrique à haute fréquence (dans le domaine des ultrasons, c'est-à-dire 18 kHz à 40 kHz) est utilisé pour générer des vibrations mécaniques de faible amplitude et de haute fréquence. La vibration mécanique générée est utilisée pour usiner la surface d'une pièce en présence de particules de grains abrasifs sous forme de barbotine. La boue s'écoule à travers l'outil et la pièce à usiner. Lorsque l'outil appuie contre le w/p, la boue contenant des particules abrasives s'écaille des matériaux de la surface.

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Pièces principales

La machine d'usinage par ultrasons se compose de deux parties principales, transducteur et sonotrode (également appelée corne), connectées à une unité de commande électronique avec des câbles.

La fonction des différentes pièces est décrite ci-dessous

1. Transducteur :

Le transducteur se compose principalement d'un cylindre constitué de céramique piézoélectrique. Il convertit l'énergie électrique en vibration mécanique. Le transducteur fait ensuite vibrer la sonotrode à faible amplitude et à haute fréquence.

2. Sonotrode :

Il est fabriqué en acier à faible teneur en carbone. Une extrémité de celui-ci est connectée au transducteur et l'autre extrémité contient l'outil. La sonotrode vibre à faible amplitude et à haute fréquence et enlève la matière du w/p par abrasion là où elle entre en contact avec elle.

3. Unité de contrôle :

L'unité de commande est constituée d'un oscillateur électronique qui produit un courant alternatif à haute fréquence. La fréquence produite est généralement comprise entre 18 kHz et 40 kHz dans la plage des ultrasons.

Types d'USM

1. Usinage rotatif par vibration ultrasonique (RUM):

Dans RUM, un outil à rotation verticale est autorisé à tourner autour de l'axe de la sonotrode. La surface de l'outil est imprégnée de diamants qui servent à meuler la surface de la pièce. La suspension abrasive n'est pas utilisée dans ce type de machine pour l'enlèvement de matière.

2. USM assisté chimique :

Dans cet usinage, un fluide abrasif chimiquement réactif est utilisé pour le processus d'usinage.

Fonctionnement du processus d'usinage par ultrasons

• Le transducteur et la sonotrode sont reliés à l'unité de contrôle par un câble.
• L'unité de contrôle dispose d'un oscillateur électronique qui produit un courant alternatif avec des plages de fréquences ultrasonores élevées comprises entre 18 kHz et 40 kHz.
• Ce courant alternatif haute fréquence est fourni au transducteur. Le transducteur convertit ce courant alternatif en vibration mécanique et transmet cette vibration mécanique à la sonotrode qui lui est attachée.
• La sonotrode est mise en vibration par le transducteur avec une faible amplitude et une haute fréquence. Lorsque cette sonotrode vibrante frappe la surface du w/p, elle enlève le matériau qui s'y trouve. La boue s'écoule entre l'outil et la pièce et aide à éliminer le matériau de la surface.
• La suspension utilisée dans l'usinage par ultrasons contient 20 % à 60 % d'eau en volume, d'oxyde d'aluminium, de carbure de bore et de particules de carbure de silicium.
• Voici comment fonctionne l'usinage par ultrasons.

Avantages

• Cette méthode d'usinage est capable d'usiner des matériaux cassants et durs avec une grande précision.
• Il peut usiner des matériaux fragiles tels que le verre et les métaux non conducteurs qui ne sont pas usinés par des méthodes non traditionnelles telles que l'usinage électrochimique ou l'usinage par décharge électrique.
• Il est capable de produire des pièces à haute tolérance.
• Il n'y a pas de distorsion produite dans le matériau travaillé. Et c'est parce qu'aucune chaleur n'est générée par la sonotrode contre le w/p.
• Aucun changement n'est observé dans les propriétés physiques du matériau.
• Les pièces usinées produites nécessitent moins de processus de finition en raison de l'absence de bavures dans le processus.

Inconvénients

• L'enlèvement de métal est lent en raison d'un mécanisme de micro-écaillage ou d'érosion.
• L'usure de la pointe de la sonotrode se produit plus rapidement.
• L'usinage de trous profonds n'est pas facile par cette méthode en raison de l'incapacité de la pâte abrasive à s'écouler au fond du trou (sauf usinage rotatif par ultrasons).
• L'usinage par vibration ultrasonique ne peut être utilisé que pour usiner des matériaux dont la valeur de dureté est d'au moins 45 HRC (HRC :échelle Rockwell pour mesurer la dureté d'un matériau).

Candidature

• Il est couramment utilisé pour usiner des matériaux fragiles et durs. Le verre, les carbures, la céramique, les pierres précieuses et les aciers trempés sont les matériaux les plus couramment usinés par USM.
• Il s'agit d'une méthode d'usinage très précise et utilisée dans la création de composants de systèmes micro-électrochimiques tels que des tranches de verre micro-structurées.

Référence : wikipedia.org