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Auteur(s)
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Daniel KREMER : Ingénieur Arts et Métiers - Professeur à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les ultrasons sont des vibrations engendrées à haute fréquence et non audibles par l’homme ; la limite inférieure de la bande de fréquences est aux alentours de 20 kHz (le seuil d’audibilité pour l’homme varie de 16 à 20 kHz selon les individus) ; la limite supérieure n’est pas bien définie, elle peut être 100 kHz.
Les ultrasons ont plusieurs applications industrielles :
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contrôle non destructif des pièces, mais aussi des êtres vivants (échographie) ;
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chirurgie (désobstruction d’artères, reprise de prothèses de hanches, lipposuccion…) ;
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mélange de fluides difficilement miscibles ;
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nettoyage de pièces ;
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dépoussiérage de fumées ;
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soudage de matières plastiques et de métaux ;
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usinage.
L’usinage par ultrasons est une technique d’abrasion utilisant des grains abrasifs libres mis en mouvement par un corps vibrant à fréquence ultrasonore (sonotrode). Les grains sont transportés par un fluide (l’eau en général) et projetés sur la pièce par les vibrations de la sonotrode outil : la matière est enlevée par action mécanique des grains ou par érosion de cavitation due au fluide. Cette technique est principalement utilisée pour usiner des matériaux durs et fragiles : verres, céramiques, quartz, pierres précieuses, semi-conducteurs… Elle présente aussi un intérêt pour finir les surfaces, par polissage ultrasonore.
L’appellation « ultrasons » peut aussi être utilisée pour décrire des techniques d’assistance aux procédés, par exemple à la rectification, à la coupe (en tournage, perçage, fraisage), à l’électroérosion, à l’injection, au filage… Dans ce cas, le principe physique du procédé reste le même, les vibrations ultrasonores étant là pour améliorer les performances, soit par une réduction des conditions de frottement, soit par la création de conditions intenses.
Dans cet article, nous limitons l’exposé aux techniques d’usinage faisant appel aux ultrasons de puissance : usinage, assistance aux procédés d’enlèvement de matière.
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Mise en vibration des ensembles acoustiques
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3. Assistance ultrasonore aux procédés
3.1 Intérêt de l’assistance ultrasonore
Les conditions intenses créées par les ondes ultrasonores permettent d’agir efficacement pour améliorer les performances de certains procédés. Il peut s’agir de deux phénomènes principaux : réduction des forces de frottement et création de conditions intenses.
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Réduction des forces de frottement
Une surface métallique plane présente en fait des irrégularités microscopiques. Lors d’un contact, les aspérités des deux surfaces forment des soudures instantanées entre elles et les pics d’une surface viennent s’intercaler dans les vallées de l’autre surface et réciproquement. Il est nécessaire d’exercer des forces pour rompre ces contacts, ce qui est traduit par le frottement. La mise en vibration ultrasonore d’une de ces surfaces réduit les possibilités de contact et, par suite, les forces de frottement.
Ce principe peut être utile par exemple dans le cas de l’extrusion ou de la coupe 3.2.
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Création des conditions intenses
Comme il a déjà été dit 2.4.2, une vibration à haute fréquence peut créer des conditions de vitesse et d’accélération extrêmement importantes. On conçoit qu’à des vitesses de plusieurs mètres par seconde et des accélérations de plusieurs centaines de milliers de mètres par seconde carré, la surface utile de la sonotrode puisse créer des phénomènes de grande intensité : chocs, cavitation.
Ce principe est utilisé pour le nettoyage 3.3, l’usinage 3.4...
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Assistance ultrasonore aux procédés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AUBAILLY (F.) - Tournage assisté par ultrasons. - Projet de fin d’études ENSAM, PRD, 1988.
-
(2) - BENKIRANE (Y.) - Contribution à l’étude de la rectification assistée par ultrasons. - Thèse de Docteur Ingénieur, ENSAM, mai 1996.
-
(3) - BLINOT, GROUILLET - Usinage par ultrasons de céramiques. - Projet de fin d’études ENSAM, PRD no 87. 1987.
-
(4) - CAMPERGUE (G.) et coll - Machine d’usinage par abrasion ultrasonore. - Brevet no 87-05142. 1987.
-
(5) - CLOUSER (H.A.) - New Techniques for Electrode Forming. - Research and Technological Developments in Nontraditional Machining, ASME Symposium PED − Vol. 34, Éd. Rejurkar, K.P., pp. 76-88. 1988.
-
(6) - COFFIGNAL (G.), POLIT (O.), TOURATIER (M.) - Optimisation de forme d’outils d’usinage et de soudage...
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