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Daniel KREMER : Ingénieur Arts et Métiers - Professeur à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers
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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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4. Mise en vibration des ensembles acoustiques
4.1 Génération et propagation des ondes ultrasonores
Différents mécanismes peuvent être utilisés pour convertir l’énergie électrique en énergie mécanique pour l’élaboration de convertisseurs : effet électrodynamique, effet électrostatique, effet magnétique, effet magnétostrictif, effet électrostrictif ou effet piézoélectrique. Nous ne traitons pas de tous ces mécanismes ici. Nous limitons la présentation à l’effet piézoélectrique qui est celui principalement utilisé pour les convertisseurs de puissance modernes.
Ces convertisseurs piézoélectriques utilisent 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 produite.
Pour pouvoir obtenir une amplitude de vibration suffisante (quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres), on utilise des transducteurs « sandwich ». 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.
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Le convertisseur (figure 23) se compose des éléments suivants :
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deux ou quatre céramiques piézoélectriques annulaires sont montées tête-bêche et séparées par des électrodes minces ; les céramiques sont, par exemple, en titanozirconate de plomb (PZT), les électrodes en alliage cuivre-béryllium ;
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deux...
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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.
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(6) - COFFIGNAL (G.), POLIT (O.), TOURATIER (M.) - Optimisation de forme d’outils d’usinage et de soudage...
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