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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 :
-
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 ;
-
soudage de matières plastiques et de métaux ;
-
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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Ultrasons de puissance
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5. Synthèse
5.1 Usinage par ultrasons
L’usinage par abrasion ultrasonore est encore peu répandu dans l’industrie. Son utilisation est restreinte à quelques secteurs dans lesquels il est indispensable :
-
perçage ou usinage de substrats en céramique pour l’électronique ;
-
usinage et découpage d’éléments en verre, quartz, silice,…, pour constituer des capteurs pour la recherche spatiale ;
-
perçage de pierres précieuses pour l’horlogerie…
Cette faible utilisation est liée à la faible performance en vitesse d’usinage, qui condamne le procédé dans la plupart des applications de série. Par exemple, il permet de percer les plaques en céramique cent fois plus lentement que le laser, son avantage étant toutefois une meilleure qualité et l’aptitude à produire simultanément des trous de forme non débouchants.
En premier lieu, le procédé est limité à l’usinage des matériaux fragiles, pour lesquels il est possible d’obtenir des performances intéressantes : débit de quelques millimètres cubes par minute à quelques centaines de millimètres cubes par minute pour la plupart des céramiques.
La limitation principale est sans conteste le médiocre comportement de la sonotrode-outil, qui subit aussi les impacts des particules abrasives, et s’use vite. Cela est particulièrement vrai du fait que l’on réalise la sonotrode ou l’embout de celle-ci dans un matériau facile à façonner par les techniques classiques (acier non traité, alliage d’aluminium,…), afin d’en minimiser le coût.
Cette faible utilisation a évidemment conduit dans un premier temps à la production d’équipements peu évolués, non automatisés, nécessitant la présence continue d’un opérateur à qui l’on confiait de grandes responsabilités. Avec ce genre d’équipement, la fréquence est ajustée à l’aide d’un potentiomètre, la résonance étant observée à l’aide d’un cadran ; elle ne peut être maintenue en permanence pendant toute l’opération d’usinage, qui peut durer plusieurs heures. L’opérateur doit aussi ajuster l’amplitude de vibrations par action sur la manette d’un potentiomètre et lecture d’un cadran. Enfin, il doit régler la force statique de travail par chargement ou déchargement de rondelles de...
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Synthèse
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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