Leçon 6.9CouperChapitre 6 · Découpe et usinage non conventionnel

Usinage ultrasonique

Un outil vibrant martèle des grains abrasifs contre la surface

L'usinage ultrasonique fait vibrer environ 20 000 fois par seconde un outil profilé contre un matériau dur et fragile, à travers une pâte de grains abrasifs. Chaque coup détache des éclats microscopiques : la forme de l'outil s'enfonce lentement dans le verre ou la céramique sans le fissurer. Il fait les trous carrés, en étoile ou en fente dans le verre et la céramique qu'un foret briserait.

Photo : Public domain, via Wikimedia Commons

Usinage ultrasonique · la machine et un gros plan de la pointe de l'outilLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; le gros plan à droite grossit la pointe de l'outil.

Comment ça marche

Produire le signal. Un générateur produit un signal électrique généralement à 18–40 kHz (milliers de cycles par seconde), juste au-dessus de la gamme audible par l'humain.
Le transformer en vibration. Un transducteur piézoélectrique (un empilement de cristaux qui s'allonge et se contracte selon la tension) convertit le signal en vibration mécanique.
L'amplifier. Le cornet, ou sonotrode (une barre de métal conique), amplifie le mouvement jusqu'à quelques centièmes de millimètre à la pointe de l'outil.
Amener la suspension abrasive. Une suspension abrasive (de l'eau mêlée de grains abrasifs comme le carbure de bore, le carbure de silicium ou l'alumine) s'écoule entre l'outil et la pièce.
Écailler. Chaque coup de l'outil enfonce des grains dans la surface. Le matériau fragile se détache en éclats microscopiques ; l'outil lui-même ne coupe jamais directement.
Avancer et copier. Un effort léger et constant pousse l'outil vers le bas : sa forme exacte en négatif s'enfonce dans la pièce. De la suspension fraîche emporte les débris.

Chiffres clés

Matériaux: Matériaux durs et fragiles : verre, quartz, saphir, céramiques d'alumine et de zircone, carbure de silicium, ferrite, carbures. Peu adapté aux métaux tendres et ductiles.
Pièces typiques: Trous ronds et de formes diverses, fentes, cavités peu profondes et gravure dans des pièces fragiles
Taille de pièce: Détails d'environ 0,1 mm à quelques dizaines de millimètres ; la face de l'outil est généralement petite
Précision: Généralement quelques centièmes de millimètre
État de surface: Fine et mate, sans dommage thermique ni bavures ; plus lisse avec un grain plus fin, souvent Ra (hauteur moyenne des aspérités de surface) sous 1 µm
Taille de série adaptée: Du prototype aux grandes séries (d'une pièce à 100 000 ou plus)
Coût d'outillage et de machine: Les outils sont simples et tendres (souvent en acier à bas carbone) mais s'usent vite ; machines à partir de dizaines de milliers de dollars, plus pour les versions rotatives CNC
Vitesse: Lent : l'outil avance généralement d'une fraction de millimètre à environ un millimètre par minute

Atouts et limites

Atouts

Coupe le verre, les céramiques et les pierres précieuses sans les fissurer
N'importe quelle forme de trou, pas seulement ronde
Pas de chaleur, pas de changement chimique, pas de bavures
Fonctionne sur les isolants électriques, contrairement à l'EDM et à l'ECM

Limites

Lent, surtout pour les trous profonds
L'outil s'use et doit être remplacé ou reprofilé
Peu adapté aux métaux tendres et ductiles, qui se bosselent au lieu de s'écailler
Les trous profonds sont coniques et la suspension peine à atteindre le fond

Où on l'utilise

ÉlectroniqueTrous et fentes dans des substrats céramiques, des pièces en ferrite et en quartz
OptiqueTrous profilés dans des hublots en verre, en quartz et en saphir
AéronautiqueFormes dans des céramiques techniques et des composites céramiques
Horlogerie et bijouteriePerçage de pierres précieuses et de pièces en saphir
LaboratoiresPièces en verre et en quartz pour instruments scientifiques

Comment le reconnaître

Des trous non ronds (carrés, en étoile, en fente) taillés dans le verre ou la céramique.
Des parois de trou à la texture mate fine, givrée, sans marques de chaleur.
Une légère conicité dans les trous profonds, et de minuscules éclats le long du bord de sortie.

À comparer avec

Électroérosion par enfonçage6.6copie aussi un outil profilé dans la pièce, mais avec des étincelles : il ne fonctionne donc que sur les matériaux conducteurs.Découpe au jet d'eau6.4utilise aussi des grains abrasifs, mais portés par un jet, ce qui découpe des profils débouchants plutôt que des cavités borgnes.Rectification5.7abrasif aussi, mais les grains sont liés dans une meule en rotation au lieu d'être martelés librement.

À regarder

ADTW Study · Une animation de l'outil vibrant, de la suspension abrasive et de la cavité

Innovative learning of Engineering By MuthuKumar · Le transducteur, le cornet, l'outil et l'alimentation en suspension expliqués

Berkness Company · Images réelles d'un atelier d'usinage

DMG MORI · La variante rotative moderne : un outil diamanté en rotation qui vibre aussi

Voir de vraies photos

Wikipédia : Ultrasonic machining — principe, fréquences, abrasifs et variantes (surtout du texte)
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Un outil qui vibre environ 20 000 fois par seconde martèle des grains abrasifs qui détachent des éclats du matériau fragile.
C'est la méthode des trous profilés pour le verre, la céramique et les gemmes, que ni les forets ni les étincelles ne savent traiter.
Cherchez des trous de formes inhabituelles dans du verre ou de la céramique, aux parois givrées.