Usinage par ultrasons expliqué : processus, composants, avantages, inconvénients et applications

L'usinage par ultrasons est un procédé d'usinage soustractif non conventionnel largement utilisé dans les industries pour usiner des matériaux fragiles et durs. En raison de son haut degré de précision, c'est une méthode d'usinage recommandée pour les composants critiques. Apprenons-en plus sur le processus d'usinage par ultrasons, le principe de fonctionnement, les pièces clés, les avantages et les inconvénients dans cet article.

Définition de l'usinage par ultrasons

L'usinage par ultrasons relève d'un processus d'usinage non conventionnel spécifiquement utilisé pour l'usinage de matériaux durs et fragiles. L'usinage par ultrasons est également largement utilisé dans l'usinage des céramiques.

Contrairement à d'autres processus d'usinage non conventionnels comme l'usinage par faisceau laser, l'électroérosion, l'usinage par ultrasons ne génère aucune chaleur ni contrainte résiduelle sur la pièce. C'est la raison pour laquelle les céramiques et les pièces fragiles peuvent être facilement usinées par ultrasons sans fracture.

L'usinage par ultrasons est également appelé usinage par vibration ultrasonique car cette méthode utilise un outil qui vibre à haute fréquence et, combiné avec des particules abrasives, enlève la matière de la pièce.

Pièces clés de la machine à ultrasons

Il y a principalement cinq pièces clés dans une machine à ultrasons

• Transducteur électromécanique
• Sonotrode
• Unité de contrôle
• Boue abrasive
• Pistolet abrasif

Transducteur électromécanique

Le transducteur électromécanique est connecté à l'unité de contrôle. L'unité de contrôle a un oscillateur électronique qui crée un courant alternatif oscillant à haute fréquence dans la gamme de 28-40 kHz.

Le transducteur électromécanique convertit ce courant oscillant en vibration mécanique. Il y a principalement deux types de transducteurs utilisés dans les machines à ultrasons.

• Transducteur piézoélectrique
• Transducteur magnétostrictif

Sonotrode

Le transducteur entraîne la sonotrode à haute fréquence et faible amplitude. Une extrémité de la sonotrode est connectée au transducteur, et l'autre extrémité contient l'outil. La sonotrode est en acier à faible teneur en carbone.

Unité de contrôle

L'unité de contrôle est ce qui transmet la puissance. Elle a un oscillateur électronique qui produit un courant alternatif à haute fréquence.

Boue abrasive

Les matériaux abrasifs comme l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium, le carbure de bore, lorsqu'ils sont mélangés à l'eau, forment une boue abrasive. Le ratio d'eau est entre 20-60%.

Pistolet abrasif

Le pistolet abrasif fournit le mélange de particules abrasives et d'eau entre la sonotrode et la pièce à une pression contrôlée.

Principe de fonctionnement du processus d'usinage par ultrasons

L'usinage par ultrasons enlève la matière de la pièce grâce à la magnétostriction. Cela signifie que tout matériau magnétique change sa taille et sa forme lorsqu'il est sous aimantation.

L'unité de contrôle/d'alimentation fournit un courant alternatif au transducteur à haute fréquence. Le transducteur convertit cette énergie électrique en vibration mécanique.

Le transducteur fait à son tour vibrer la sonotrode à haute fréquence et faible amplitude. La fréquence varie de 20-30 kHz et l'amplitude varie de 0,01 à 0,06 mm.

Lorsque la sonotrode vibre et presse contre la pièce, la boue abrasive s'écoule entre la sonotrode et la pièce. L'impact de la vibration de la sonotrode et la friction entre les particules abrasives et la surface de la pièce enlèvent les particules de métal désirées de la surface de travail.

Le temps d'usinage dépend purement de la dureté et de la ténacité de la pièce, de la taille des particules abrasives, de l'amplitude de vibration de la sonotrode et du ratio d'eau dans la boue abrasive. La douceur et la précision de l'usinage par ultrasons dépendent de la dureté et de la ténacité du matériau. Les métaux plus tendres offrent un usinage très lisse et précis tandis que les métaux durs et fragiles forment des surfaces rugueuses.

Types d'usinage par ultrasons

Il existe deux types de processus d'usinage par ultrasons.

• Usinage par ultrasons rotatif
• Usinage par ultrasons assisté chimiquement

Usinage par ultrasons rotatif

Dans l'usinage par ultrasons rotatif, l'outil oscille le long de la ligne centrale verticale. Aucune boue abrasive n'est utilisée dans ce processus. Au lieu de cela, le diamant est imprégné à la pointe de l'outil qui meule la pièce. Ce processus convient à l'usinage de céramiques, quartz, etc. L'usinage par ultrasons rotatif peut également créer des trous profonds car il n'y a pas de boue abrasive qui doit atteindre le fond du trou.

Usinage par ultrasons assisté chimiquement

L'usinage par ultrasons assisté chimiquement est similaire à l'usinage par ultrasons traditionnel mais utilise un produit chimique comme l'acide fluorhydrique au lieu de l'eau pour former la boue abrasive. Cela aide à un taux d'enlèvement de matière plus rapide et une meilleure finition comparé au processus d'usinage par ultrasons traditionnel.

Applications de l'usinage par ultrasons

• Usinage de matériaux fragiles et durs.
• Usinage de pièces où la précision est importante
• Profilage de trous et rainures
• Usinage de verres et céramiques.
• Pièces électromécaniques où un usinage petit et complexe est important.
• Gravure et filetage
• Tranchage et brochage de matériaux durs

Avantages de l'usinage par ultrasons

• Peut être utilisé pour usiner des matériaux durs et fragiles
• Peut être utilisé pour toute forme petite et complexe
• Peut usiner facilement le verre sans le fracturer
• Pendant l'usinage, l'usinage par ultrasons n'altère pas les propriétés physiques des métaux.
• Une précision et une exactitude plus élevées peuvent être obtenues à un coût relativement faible
• Aucune distorsion de la géométrie de la pièce car aucune chaleur n'est générée.
• Convient aux métaux conducteurs et non conducteurs
• Un technicien qualifié n'est pas requis.
• Capable de produire des pièces à tolérances précises

Inconvénients de l'usinage par ultrasons

• La valeur de dureté du métal doit être de 45 HRC minimum pour l'usinage par ultrasons.
• Le taux de production est très lent. Non adapté à la production de masse
• Faible taux d'enlèvement de matière
• Taux élevé d'usure de la sonotrode.
• Difficile d'usiner des trous profonds car les particules abrasives ne peuvent pas atteindre l'extrémité du trou.
• L'usinage par ultrasons est limité à l'usinage de petits trous et coupes.

Conclusion : Usinage par ultrasons

C'est tout ce que nous avons dans cet article. J'espère que vous avez eu l'idée de base du processus d'usinage par ultrasons, comment le processus d'usinage par ultrasons fonctionne, et ses avantages et inconvénients. Si vous avez encore des questions sur l'usinage par ultrasons, vous êtes toujours les bienvenus pour écrire vos questions dans la section commentaires, et je serai heureux d'aider.

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Questions fréquentes (FAQ) sur l'usinage par ultrasons

Quel mouvement l'outil de machine à ultrasons utilise-t-il pour enlever la matière ?

Mouvement oscillant

Quelle est la plage de fréquence d'oscillation de l'outil en usinage par ultrasons

18-20 KHz

Quel est le matériau le plus tendre en usinage par ultrasons ? Outil ou pièce ?

L'outil est plus tendre que la pièce en usinage par ultrasons.

Y a-t-il de la chaleur générée pendant l'usinage en usinage par ultrasons ?

Aucune chaleur n'est générée pendant l'usinage par ultrasons