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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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Assistance ultrasonore aux procédés
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2. Usinage par abrasion ultrasonore
2.1 Principe
L’usinage abrasif ultrasonore consiste à projeter des particules abrasives très dures sur la pièce à usiner, à l’aide d’une sonotrode vibrant à fréquence ultrasonore (20 kHz ou plus). Les particules sont amenées dans la zone de travail par un fluide porteur, de l’eau en général (figure 1). La matière est enlevée par le cisaillement, l’érosion et l’abrasion provoqués par les grains abrasifs. Cette action se traduit par un enlèvement de matière sur la pièce, une usure de la sonotrode et une usure des grains.
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Deux mécanismes principaux sont reconnus pour l’enlèvement de la matière :
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une action mécanique due à la projection et au martèlement des grains abrasifs contre la surface de la pièce ; cela rend le procédé efficace lors de l’usinage des matériaux fragiles : verres, graphites, ferrites, céramiques, composites, quartz, semi-conduc-teurs… ;
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une érosion de cavitation due aux variations de pression au sein du liquide, engendrées par les vibrations de la sonotrode ; cela a un effet positif pour les matériaux fragiles et/ou poreux : graphites, céramiques poreuses…
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Bien que le procédé soit apte à usiner tous les matériaux (conducteurs ou non, métalliques, céramiques ou composites…), il est plus efficace pour les matériaux fragiles et/ou poreux.
L’usinage des matériaux ductiles peut être réalisé d’une manière plus rentable par d’autres techniques, comme la coupe, l’électroérosion ou l’électrochimie.
Il n’est pas possible de prévoir avec suffisamment de précision la vitesse d’usinage, liée à un trop grand nombre de facteurs : fréquence et amplitude des vibrations, pression statique moyenne, dimension moyenne et acuité des grains, caractéristiques mécaniques et physiques du matériau de la pièce…
Les machines sont conçues pour que l’avance de la sonotrode outil ait lieu au fur et à mesure que la matière est enlevée. Les premières machines utilisaient des systèmes à contre-poids, la charge statique étant réglée manuellement. Les machines actuelles utilisent un asservissement en effort, avec mesure de la force statique à l’aide de capteurs, ce qui permet...
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Usinage par abrasion ultrasonore
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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