Usinage Ultrasonique Expliqué : Enlèvement de Précision par Vibrations Haute Fréquence

Avez-vous entendu parler de l'usinage ultrasonique ? Aussi appelé usinage par vibration ultrasonique, c'est un procédé de fabrication qui enlève de la matière d'une pièce par l'utilisation de vibrations de haute fréquence combinées à des particules.

Un outil ultrasonique crée essentiellement de nombreuses petites vibrations qui, au fil du temps, enlèvent de la matière de la pièce avec laquelle il est utilisé. Pour en savoir plus sur l'usinage ultrasonique et son fonctionnement, continuez à lire.

Qu'est-ce que l'Usinage Ultrasonique ?

L'usinage ultrasonique est un procédé de fabrication soustractif qui enlève de la matière de la surface d'une pièce par des vibrations de haute fréquence, de faible amplitude, d'un outil contre la surface du matériau en présence de fines particules abrasives. L'outil se déplace verticalement ou orthogonalement à la surface de la pièce avec des amplitudes de 0,05 à 0,125 mm (0,002 à 0,005 po).

Les grains abrasifs fins sont mélangés à l'eau pour former une boue (slurry) répartie sur la pièce et l'extrémité de l'outil. Les tailles de grains typiques varient de 100 à 1000, où les grains plus petits (numéro de grain plus élevé) produisent des finitions de surface plus lisses.

L'usinage par vibration ultrasonique est généralement utilisé sur des matériaux fragiles ainsi que sur des matériaux à haute dureté en raison de la mécanique de microfissuration.

Avec l'usinage ultrasonique, un outil crée des vibrations qui projettent des particules de taille micrométrique vers la pièce. Les particules sont généralement mélangées à de l'eau ou d'autres liquides pour créer une boue.

Quand l'outil ultrasonique est activé, il projette ces particules à grande vitesse vers la surface de la pièce. La nature abrasive des particules aide à meuler la matière de la surface de la pièce.

Procédé d'Usinage Ultrasonique

L'outil présent dans la machine pour couper les matériaux est fait d'un matériau plus tendre que la pièce. L'outil est généralement en acier doux et nickel. Quand l'outil vibre, la boue abrasive (liquide) est ajoutée, contenant grains et particules abrasives.

La boue abrasive est ajoutée jusqu'à ce que les pièces interagissent avec les grains. Du fait des particules de liquide ajoutées, la fragilité de la pièce abrase la surface pendant que l'outil se déforme progressivement.

Principe de Fonctionnement de l'Usinage Ultrasonique

Le temps passé sur la machine ultrasonique dépend entièrement de la fréquence de l'outil vibrant. Cela dépend aussi de la taille des grains de la boue abrasive, de la rigidité et de la viscosité.

Les grains utilisés dans le fluide abrasif sont généralement du carbure de bore ou du carbure de silicium car ils sont plus rigides que les autres. L'abrasif utilisé peut être facilement évacué si la viscosité du fluide de boue est faible.

Types d'Usinage Ultrasonique

1. Usinage par Vibration Ultrasonique Rotatif

En usinage par vibration ultrasonique rotatif (RUM), l'outil oscillant verticalement peut tourner autour de l'axe central vertical de l'outil. Au lieu d'utiliser une boue abrasive pour enlever la matière, la surface de l'outil est imprégnée de diamants qui meulent la surface de la pièce.

Les machines ultrasoniques rotatives sont spécialisées dans l'usinage de céramiques et alliages avancés tels que verre, quartz, céramiques structurelles, alliages Ti, alumine, carbure de silicium. Elles sont utilisées pour produire des trous profonds avec un haut niveau de précision.

L'usinage par vibration ultrasonique rotatif est un procédé de fabrication relativement nouveau encore largement étudié. Actuellement, les chercheurs essaient d'adapter ce processus au niveau micro et de permettre à la machine de fonctionner comme une fraiseuse.

2. Usinage Ultrasonique Assisté Chimiquement

En usinage ultrasonique assisté chimiquement (CUSM), un fluide abrasif chimiquement réactif est utilisé pour assurer un usinage plus grand des matériaux verre et céramique. En utilisant une solution acide, comme l'acide fluorhydrique, les caractéristiques d'usinage telles que le taux d'enlèvement de matière et la qualité de surface peuvent être grandement améliorées par rapport à l'usinage ultrasonique traditionnel.

Bien que le temps d'usinage et la rugosité de surface diminuent avec le CUSM, le diamètre du profil d'entrée est légèrement plus grand que la normale en raison de la réactivité chimique additionnelle du nouveau choix de boue. Pour limiter cet élargissement, la teneur en acide de la boue doit être soigneusement sélectionnée pour assurer la sécurité de l'utilisateur et un produit de qualité.

Applications de l'Usinage Ultrasonique

Les applications de l'usinage ultrasonique sont :

• Usinage d'articles de forme très précise et complexe.
• Perçage de trous ronds de toute forme.
• Meulage de matériaux fragiles.
• Profilage de trous.
• Gravure
• Trépanage et estampage
• Filetage
• Tronçonnage et brochage de matériaux durs.
• Usinage de verres, céramiques.
• Usinage de pierres minérales précises, tungstène.
• Perçage de matrices et opérations de tronçonnage.
• Assez précis pour la création de composants de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) comme des wafers de verre microstructurés
• Découpe de diamant pour formes désirées.

Avantages de l'Usinage Ultrasonique

Il existe des dizaines d'autres procédés de fabrication capables d'enlever de la matière des pièces, mais leurs applications sont généralement limitées aux pièces en matériaux forts et durables. L'usinage ultrasonique est unique car il peut enlever de la matière de presque tous types de pièces, y compris celles en matériaux durs et fragiles.

Qu'une pièce soit en verre, céramique ou même quartz, ses dimensions physiques peuvent être modifiées par usinage ultrasonique.

L'usinage ultrasonique ne nécessite pas de chauffer les pièces. Si une pièce est sensible aux variations thermiques, elle peut être modifiée en toute sécurité avec ce procédé. Pendant l'usinage ultrasonique, la température de la pièce reste constante. En d'autres termes, le processus ne nécessite ni chauffage ni refroidissement de la pièce.

De plus, l'usinage ultrasonique offre des tolérances plus élevées que de nombreux autres procédés d'usinage. Il est capable de modifier des pièces avec des tolérances élevées impossibles avec d'autres procédés.

Inconvénients de l'Usinage Ultrasonique

D'un autre côté, il y a quelques inconvénients, dont un taux d'enlèvement de matière plus lent que la moyenne. Ce n'est pas une méthode particulièrement rapide pour enlever de la matière.

Au contraire, c'est plus lent que la plupart des autres procédés d'usinage. Pour les entreprises cherchant des procédés de production de masse, l'usinage ultrasonique peut être un mauvais choix.

En plus d'un taux d'enlèvement plus lent, l'usinage ultrasonique ne supporte pas l'utilisation de trous profonds. Il n'est pas rare que les entreprises percent des trous dans les pièces avant de les exposer à un outil ultrasonique. Si un trou est trop profond, la boue ne pourra pas le remplir.