Usinage par ultrasons (USM) : composants clés, principes, avantages/inconvénients et applications

L'usinage par ultrasons (USM) aussi appelé usinage par vibration ultrasonique est un processus d'usinage dans lequel le matériau est enlevé de la surface d'une pièce par vibration de faible amplitude et haute fréquence d'un outil contre la surface du matériau en présence de particules abrasives.

• Le mouvement de l'outil a lieu verticalement ou orthogonalement à la surface de la pièce. L'outil voyage avec une amplitude de 0,05 mm à 0,125 mm (0,002 à 0,005 pouce).
• La boue (slurry) est formée en mélangeant des grains abrasifs fins dans l'eau. Cette boue est faite pour couler à travers la pièce et la pointe de l'outil pendant le processus d'usinage. Les particules de grains abrasifs dans la boue aident à l'enlèvement du matériau de la surface de la pièce. Les tailles de grains du matériau abrasif varient typiquement de 100 à 1000. Les grains plus petits (c'est-à-dire un nombre de grains plus élevé) résultent en des finitions de surface plus lisses.
• Ce processus d'usinage est généralement utilisé pour usiner des matériaux fragiles et des matériaux qui ont une dureté élevée.

Principe de fonctionnement de l'usinage par ultrasons

Un courant électrique à haute fréquence (dans la gamme ultrasonique c'est-à-dire 18 kHz à 40 kHz) est utilisé pour générer une vibration mécanique de faible amplitude et 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 boue. La boue coule à travers l'outil et la pièce. Lorsque l'outil presse contre la pièce, la boue contenant des particules abrasives arrache les matériaux de la surface.

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Pièces principales

La machine d'usinage par ultrasons consiste en deux pièces principales : le transducteur et le sonotrode (aussi appelé cornet), connectés à une unité de contrôle électronique avec des câbles.

La fonction des diverses pièces est décrite ci-dessous

1. Transducteur :

Le transducteur consiste principalement en un cylindre qui est fait de céramique piézoélectrique. Il convertit l'énergie électrique en vibration mécanique. Le transducteur vibre alors le sonotrode à faible amplitude et haute fréquence.

2. Sonotrode :

Il est fait d'acier à faible teneur en carbone. Une extrémité est connectée avec le transducteur et l'autre extrémité contient l'outil. Le sonotrode vibre à faible amplitude et haute fréquence et enlève le matériau de la pièce par abrasion là où il la contacte.

3. Unité de contrôle :

L'unité de contrôle consiste en un oscillateur électronique qui produit un courant alternatif à haute fréquence. La fréquence produite est généralement entre 18 kHz à 40 kHz dans la gamme ultrasonique.

Types d'USM

1. Usinage par vibration ultrasonique rotative (RUM) :

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

2. USM assisté chimiquement :

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 le sonotrode sont attachés à l'unité de contrôle avec un câble.
• L'unité de contrôle a un oscillateur électronique qui produit un courant alternatif avec une fréquence ultrasonique élevée entre 18 kHz à 40 kHz.
• Ce courant alternatif à haute fréquence est fourni au transducteur. Le transducteur convertit ce courant alternatif en vibration mécanique et transmet cette vibration mécanique au sonotrode attaché à lui.
• Le sonotrode est vibré par le transducteur avec une faible amplitude et haute fréquence. Lorsque ce sonotrode vibrant frappe la surface de la pièce, il enlève le matériau de celle-ci. La boue coule entre l'outil et la pièce et aide à l'enlèvement du matériau de la surface.
• La boue utilisée dans l'usinage par ultrasons contient 20% à 60% d'eau en volume, des particules d'oxyde d'aluminium, de carbure de bore et de carbure de silicium.
• C'est ainsi que fonctionne l'usinage par ultrasons.

Avantages

• Cette méthode d'usinage est capable d'usiner des matériaux fragiles et durs avec une haute précision.
• Elle 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.
• Elle 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 le sonotrode contre la pièce.
• Il n'y a pas de changement 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 du mécanisme de micro-éclatement ou d'érosion.
• L'usure de la pointe du sonotrode se produit plus rapidement.
• L'usinage de trous profonds n'est pas facile par cette méthode en raison de l'incapacité de la boue abrasive à couler au fond du trou (sauf usinage ultrasonique rotatif).
• L'usinage par vibration ultrasonique peut être utilisé seulement pour usiner des matériaux qui ont une valeur de dureté d'au moins 45 HRC (HRC : Échelle de Rockwell pour mesurer la dureté d'un matériau).

Applications

• Il est couramment utilisé pour usiner des matériaux fragiles et durs. Le verre, les carbures, les céramiques, les pierres précieuses et les aciers trempés sont les matériaux les plus courants usinés par USM.
• C'est une méthode d'usinage très précise et utilisée dans la création de composants de systèmes micro-électrochimiques comme des wafers de verre micro-structurés.

Référence : wikipedia.org