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En anglais
Auteur(s)
-
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) ;
-
chirurgie (désobstruction d’artères, reprise de prothèses de hanches, lipposuccion...) ;
-
mélange de fluides difficilement miscibles ;
-
nettoyage de pièces ;
-
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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Usinage par abrasion ultrasonore
En anglais
1. Ultrasons de puissance
Les applications des ultrasons peuvent être classées en deux groupes :
-
pour le premier groupe, la puissance transmise est faible : il s’agit principalement d’applications de contrôle non destructif, pour lesquelles les ondes transmises ne doivent pas endommager le support, pièce ou être vivant ; la puissance va de quelques milliwatts à quelques watts ;
-
pour le deuxième groupe, la puissance transmise est un facteur important : chirurgie, nettoyage, soudage, usinage ; la puissance va de quelques watts à quelques kilowatts.
L’effet des ondes ultrasonores peut être très fort. Considérons en effet la loi d’élongation de la vibration en bout de sonotrode ; le déplacement est donné par :
avec :
- a :
- amplitude de vibration
- t :
- temps
- ω :
- pulsation
Par dérivations successives, nous obtenons la vitesse et l’accélération :
On note que la vitesse maximale et l’accélération maximale sont exprimées par :
pour une vibration de fréquence 20 kHz et d’amplitude 20 µm, la vitesse maximale et l’accélération maximale sont :
Vmax = 2,5 m/s ; Γmax = 312 000 m.s−2À 40 kHz, la même amplitude fournit :
Vmax...
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Ultrasons de puissance
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...
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