Université de Franche-Comté

L’usinage ultrasonore, un autre procédé de microfabrication

Basé sur l’action mécanique de grains abrasifs transportés par un fluide et mis en mouvement par une sonotrode, l’usinage ultrasonore est une technique de microfabrication particulièrement bien adaptée aux matériaux fragiles comme le quartz.

 

 

L’usinage par abrasion à fréquence ultrasonique est appelé de façon plus courante usinage par ultrasons. Il consiste à utiliser un outil composé d’un matériau relativement tendre, dont l’extrémité, animée d’un mouvement vibratoire à fréquence ultrasonique, transfère une certaine quantité d’énergie à des particules abrasives. Ces particules sont en suspension dans un liquide interposé par arrosage entre l’outil et la pièce ; elles agissent à leur tour sur cette dernière pour en arracher de petits morceaux et l’user progressivement. Par analogie avec une électrode, l’outil est souvent appelé « sonotrode ».

 

Ces convertisseurs piézoélectriques ont recours à l’effet piézoélectrique inverse : sous l’action d’un champ électrique, une contrainte proportionnelle est produite, dont le signe dépend du sens du champ. Il s’ensuit une déformation mécanique. Sous l’action d’un champ alternatif, une vibration mécanique est créée. Pour pouvoir obtenir une amplitude de vibration suffisante (quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres), on utilise des transducteurs « sandwichs ». Les céramiques piézoélectriques sont comprimées entre deux pièces métalliques : la précontrainte exercée par ces deux pièces permet aux céramiques de ne pas être soumises à des sollicitations de traction qui les rompraient.

 

Le convertisseur seul est souvent incapable de fournir suffisamment d’amplitude ; on lui associe un ou plusieurs éléments permettant d’amplifier le mouvement. Un ensemble acoustique est donc composé de trois éléments en général : le convertisseur, un amplificateur et la sonotrode.

 

Une machine à usiner par ultrasons comprend : un générateur de courant à haute fréquence ; un transducteur portant l’outil ou « sonotrode » ; un bâti comportant une table qui reçoit le montage porte-pièce ; une colonne supportant la tête d’usinage et un dispositif d’apport et de circulation de l’abrasif. Le porte-outil joue en général le rôle d’amplificateur mécanique ; l’outil a la forme, en négatif, de la pièce à réaliser. Le transducteur est refroidi par une circulation d’air comprimé. L’amplitude des vibrations de l’outil et de 0,002 à 0,15 mm. Pour un transducteur, la puissance à fournir est de l’ordre du kW. Actuellement, la puissance nominale du générateur disponible sur le marché atteint 10 kW.

 

L’avance de la tête porte-outil est le plus souvent obtenue par une table de microdéplacement (z) ; les outils sont en acier ou en titane, et la surface travaillante peut atteindre 1 000 mm². Les abrasifs employés sont le carbure de bore, l’alumine, le diamant ou le carbure de silicium en suspension aqueuse ; le diamètre des grains est choisi entre 0,005 et 0,8 mm. L’état de surface obtenu est d’autant plus fin que les grains sont petits, mais la vitesse de travail varie en sens inverse.

 

L’usinage ultrasonore est un procédé de microfabrication répondant bien au traitement de matériaux durs, fragiles et difficiles à graver comme le quartz, les verres ou les pierres précieuses.

 

Une journée technique sur cette thématique est prévue le 15 septembre 2011 à l’Institut Pierre Vernier. Le programme de cette journée sera disponible sur http://www.institut-vernier.fr/

 

 

Contact : Susane Angers

Service communication

Institut Pierre Vernier

Tél. (0033/0) 3 81 40 57 08

 

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