Français
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M20-R
Rps-sonic
M20-R
Introduction
En revanche, l’usinage par ultrasons est un processus d’usinage non thermique, non chimique et non électrique qui laisse inchangées la composition chimique, la microstructure du matériau et les propriétés physiques de la pièce. Parfois appelé meulage par impact ultrasonique (UIG) ou découpe par vibration, le processus UM peut être utilisé pour générer un large éventail de caractéristiques complexes dans des matériaux avancés.
L'UM est un processus d'enlèvement de matière mécanique qui peut être utilisé pour usiner des matériaux conducteurs et non métalliques avec des duretés supérieures à 40 HRC (dureté Rockwell mesurée sur l'échelle C). Le processus UM peut être utilisé pour usiner des micro-caractéristiques de précision, des trous ronds et de forme irrégulière, des cavités borgnes et des caractéristiques OD/ID. Plusieurs éléments peuvent être percés simultanément, ce qui réduit souvent considérablement le temps total d'usinage.
Une énergie haute fréquence et de faible amplitude est transmise à l'ensemble d'outils. Un flux constant de boue abrasive passe entre l’outil et la pièce. L'outil vibrant, combiné à la pâte abrasive, abrase uniformément le matériau, laissant une image inversée précise de la forme de l'outil. L'outil n'entre pas en contact avec le matériau ; seuls les grains abrasifs entrent en contact avec la pièce.
Dans le processus UM, un signal électrique basse fréquence est appliqué à un transducteur, qui convertit l'énergie électrique en vibration mécanique haute fréquence (~ 20 KHz) (voir Figure 2). Cette énergie mécanique est transmise à un ensemble cornet et outil et se traduit par une vibration unidirectionnelle de l'outil à la fréquence ultrasonore avec une amplitude connue. L'amplitude standard des vibrations est généralement inférieure à 0,002 po. Le niveau de puissance de ce processus est compris entre 50 et 3 000 watts. La pression est appliquée à l'outil sous forme de charge statique.
Un flux constant de boue abrasive passe entre l’outil et la pièce. Les abrasifs couramment utilisés comprennent le diamant, le carbure de bore, le carbure de silicium et l'alumine, et les grains abrasifs sont en suspension dans l'eau ou dans une solution chimique appropriée. En plus de fournir des grains abrasifs à la zone de coupe, la boue est utilisée pour éliminer les débris. L'outil vibrant, combiné à la pâte abrasive, abrase le matériau uniformément, laissant une image inversée précise de la forme de l'outil.
L'usinage par ultrasons est un processus d'usinage abrasif lâche qui nécessite une très faible force appliquée sur le grain abrasif, ce qui entraîne une réduction des besoins en matériaux et un dommage minime, voire nul, à la surface. L'enlèvement de matière au cours du processus UM peut être classé en trois mécanismes : l'abrasion mécanique par martelage direct des particules abrasives dans la pièce (majeur), le micro-écaillage par l'impact des abrasifs libres (mineur) et l'érosion et l'effet chimique induits par la cavitation (mineur). 2
Les taux d'enlèvement de matière et la rugosité de surface générée sur la surface usinée dépendent des propriétés du matériau et des paramètres du processus, notamment le type et la taille des grains abrasifs utilisés et l'amplitude des vibrations, ainsi que la porosité, la dureté et la ténacité du matériau. En général, le taux d'enlèvement de matière sera plus faible pour les matériaux présentant une dureté (H) et une ténacité à la rupture (KIC) élevées.
Paramètres de l'usinage par ultrasons :
La méthode d’usinage par vibrations ultrasoniques est une technique de découpe efficace pour les matériaux difficiles à usiner. On constate que le mécanisme USM est influencé par ces paramètres importants.
Amplitude d'oscillation de l'outil (a0)
Fréquence d'oscillation de l'outil (f)
Matériel d'outils
Type d'abrasif
Taille des grains ou granulométrie des abrasifs – d0
Force d'avance - F
Zone de contact de l'outil – A
Concentration volumique d'abrasif dans la bouillie d'eau – C
Rapport entre la dureté de la pièce et la dureté de l'outil ; λ = σw/σt
| Article | Paramètre |
| Abrasif | Carbure de bore, oxyde d'aluminium et carbure de silicium |
| Taille des grains (d0) | 100 – 800 |
| Fréquence de vibration (f) | 19 – 25 kHz |
| Amplitude de vibration (a） | 15 - 50 µm |
| Matériel d'outil | Alliage de titane en acier doux |
| Taux d'usure | Tungstène 1,5:1 et verre 100:1 |
| Écart surcoupé | 0,02-0,1 mm |
Bien que les technologies de fabrication soient bien développées pour des matériaux tels que les métaux et leurs alliages, des problèmes considérables subsistent dans la fabrication de matériaux durs et cassants, notamment la céramique et le verre. Leurs propriétés physiques et mécaniques supérieures conduisent à un cycle d'usinage long et à un coût de production élevé. L'usinage par ultrasons (USM) utilisant des particules abrasives libres en suspension dans une suspension liquide pour l'enlèvement de matière est considéré comme une méthode efficace pour fabriquer ces matériaux. Ce travail donne d'abord un bref aperçu de l'USM puis aborde principalement le développement d'un modèle de simulation de ce processus en utilisant une technique numérique sans maillage, l'hydrodynamique des particules lissées (SPH). La formation de fissures sur la surface de travail impactée par deux particules abrasives est étudiée pour comprendre l'enlèvement de matière et l'interaction des particules abrasives dans l'USM. Des expériences sont également menées pour vérifier les résultats de la simulation. Le modèle SPH s'est avéré utile pour étudier l'USM et est capable de prédire les performances d'usinage.
Les matériaux durs et cassants, tels que le verre, la céramique et le cristal de quartz, suscitent de plus en plus d'attention ces dernières années en raison de leurs propriétés supérieures telles qu'une dureté élevée, une résistance élevée, une stabilité chimique et une faible densité. Les produits hautes performances fabriqués à partir de ces matériaux jouent un rôle important dans divers domaines industriels, notamment les industries des semi-conducteurs, des composants optiques, de l'aérospatiale et de l'automobile [1, 2]. Cependant, des problèmes considérables tels qu'un cycle d'usinage long et un coût de production élevé existent toujours dans la fabrication de matériaux durs et cassants. Des difficultés particulières résident dans la production de micro-/nanostructures avec une efficacité d'usinage élevée, des rapports d'aspect élevés et de bonnes surfaces ne possédant aucune contrainte résiduelle ni microfissures. Il existe donc un besoin crucial de développer des techniques de micro-usinage précises et efficaces pour ces matériaux.
Des techniques d'usinage non traditionnelles telles que l'usinage par électroérosion et l'usinage par faisceau laser ont été proposées pour usiner des matériaux durs et cassants. Cependant, même ces processus présentent des limites importantes : les surfaces usinées sont toujours soumises à des dommages induits par la chaleur, comme une couche de refonte et des contraintes thermiques. L'usinage par ultrasons (USM) est une autre méthode alternative pour fabriquer des matériaux durs et cassants conducteurs et non conducteurs. Il s'agit d'un processus mécanique total ne souffrant pas d'effets thermiques ou chimiques, de sorte que l'USM n'endommagerait pas thermiquement les objets à usiner ni ne semblerait provoquer des niveaux importants de contraintes résiduelles et d'altérations chimiques.
