Usinage abrasif par ultrasons

Usinage abrasif par ultrasons

10.1

Principe de l’appareil

Un outil, appelé sonotrode par analogie à l’électrode utilisée dans les techniques d’usinage par électro- érosion, reproduit sa propre forme dans la pièce à usiner par pénétration. La vibration de la sonotrode, excitée sur sa fréquence de résonance à l’aide d’un générateur de puissance, entraîne des grains d’abrasif (comme ceux utilisés pour le rodage) entre la pièce à usiner et la sonotrode. Les mouvements des grains sont à l’origine de l’usinage proprement dit. L’abrasif est en suspension dans de l’eau, qui transmet les ondes ultrasonores générées par la sonotrode autour de 20 kHz. La vibration de la sonotrode est elle-même assurée par un transducteur piézoélectrique. Ce dernier est en général composé d’un ou plusieurs disques de PZT précontraints. La variation d’épaisseur du transducteur est transmise à la sonotrode par l’intermédiaire d’un amplificateur mécanique de déplacements en titane – sans pour autant avoir une amplification d’énergie – liant rigidement le transducteur au bâti. L’amplification de mouvement est schématisée sur la figure 10.1.

FIG. 10.1 – Répartition de l’amplitude du mouvement dans l’ensemble vibrant transducteur-amplificateurs (convertisseurs)-sonotrode, d’après [89], et photo de l’appareil.

La forme de la sonotrode elle-même permet d’obtenir une amplification d’amplitude longitudinale. La figure 10.2 montre diverses formes de sonotrodes. Suivant la forme de la sonotrode, le rapport de transfor-

Chapitre 10. Usinage abrasif par ultrasons

mation_{R varie. Il est le plus important dans le premier cas, soit R ≈ (D/d)}2 contreD/d dans le cas de la

forme exponentielle. Les dimensions choisies pour la sonotrode bicylindrique sont :D = 35 mm et d = 20

mm, soit un rapport d’amplification autour de 3. Le matériau généralement utilisé pour la sonotrode est de l’acier doux.

FIG. 10.2 – Diverses formes de sonotrodes. D’après [89].

Enfin, l’outil qualifie l’extrémité ”utile” de la sonotrode, autrement dit la partie qui impose la forme de l’usinage. Elle peut être ”rapportée” ultérieurement sur le corps de la sonotrode si la forme à réaliser est complexe. La fixation de l’outil sur la sonotrode s’effectue par vissage, soudure ou brasage. Notons que la fixation doit être très forte pour éviter que les vibrations ne désolidarisent l’embout de la sonotrode en cours d’usinage.

10.2

Principe physique

Si une particule très dure est projetée sur la surface d’une pièce, elle provoque une déformation de la pièce. Dans un premier temps, la déformation est élastique. Si la quantité d’énergie est suffisante, la limite élastique est dépassée et il peut même y avoir rupture. Des fissurations apparaissent alors dans la pièce. Il y a enlèvement de matière par formation de ”microcopeaux”.

Simultanément, le travail des grains abrasifs se traduit par une usure plus ou moins importante de la sonotrode et par celle des grains.

Ce procédé d’usinage dépend de nombreux paramètres tels que : fréquence et amplitude de vibration ; nature, dimension et concentration des grains d’abrasif ; profondeur de pénétration dans la pièce à usiner ; nature du fluide porteur et conditions de circulation en son sein en fonction de la géométrie de l’outil ; nature de l’outil ; nature de la pièce.

10.3

Résultats

10.3.1 Outils en acier doux

L’intérêt de l’acier doux est que l’outil ainsi utilisé possède une durée de vie tout-à-fait satisfaisante, surtout lorsque le matériau usiné est une céramique dure et cassante. La limite élastique de l’outil est alors supérieure à celle des matériaux à usiner.

10.3. Résultats

Pour ces essais, nous nous sommes attachés à obtenir un réseau hexagonal de plots cylindriques, motif inaccessible par la technique classique de découpe à la scie. Un premier outil (figure 10.3(a)) a été fabriqué par usinage classique. Une plaque de PZT de 500 µm d’épaisseur a été usinée avec cet outil (figure 10.4).

Les flancs des plots présentent de nombreux défauts, certainement dus à la qualité de l’outil. Leur diamètre est d’environ 500µm. Après enduction et polissage, on obtient le composite de la figure 10.3(b).

(a) (b)

FIG. 10.3 – (a) Premier outil en acier doux, brasé sur la sonotrode proprement dite. (b) Premier composite obtenu avec cet outil.

Le composite obtenu a été caractérisé électriquement avec un analyseur d’impédance, et optiquement avec une sonde interférométrique hétérodyne [94, 95].

La conductance (figure 10.5(a)) présente notamment une résonance électrique importante autour de 3,6 MHz. Parallèlement, le déplacement normal (figure 10.5(b)), dans la plage résonance-antirésonance de ce mode, présente une forte atténuation. L’épaisseur du composite après le polissage est de l’ordre de 350µm,

ce qui induit une largeur des plots supérieure à la hauteur. On ne se trouve alors pas en présence d’un mode piston, mais en présence d’un mode radial, autrement dit les plots vibrent, non plus dans l’épaisseur, mais dans la largeur.

Une deuxième résonance est couplée à la première autour de 4 MHz, et on trouve optiquement un déplacement quasi-uniforme. Ce mode peut être le mode d’épaisseur qui a perdu son énergie au profit du mode radial.

La caractérisation optique fait apparaître une importante contribution autour de 4,7 MHz, qui corres- pond à une résonance électrique moindre. Une cartographie optique de ce mode (figure 10.5(c)) permet de l’identifier comme étant l’équivalent du premier mode latéral défini pour un composite 1-3 (réseau carré).

Un deuxième outil a été fabriqué en sous-traitance, toujours à l’aide de techniques d’usinage de méca- nique classique. Il consiste en une pastille de 20 mm de diamètre, de 2 mm d’épaisseur, percée de part en part. Les perçages ont un diamètre de 350µm.

Deux séries d’essais ont été menées et les résultats sont présentés sur les figures 10.6 et 10.7 respective- ment.

Les plots obtenus ont un diamètre de l’ordre de 300µm. Le principe de l’usinage induit un espace entre

l’outil et la pièce usinée lié à la taille des grains utilisés. Cet espace nécessaire, entre les flancs verticaux des perçages de l’outil et ceux des plots usinés, explique la différence de diamètre des motifs de l’outil et de la pièce structurée.