Brevet FR2613651A1 — publié le 19881014

MACHINE D'USINAGE PAR ABRASION ULTRASONORE La présente invention concerne une machine d'usinage par abrasion ultrasonore, notamment pour l'usinage des matériaux isolants, durs, friables ou cassants comme le verre, le quartz, le carbure de sili- cium, l'alumine, lorsque les pièces usinées à obtenir sont de formes assez compliquées. Dans une telle machine on met en oeuvre une "sonotrode" portant en bout un outil qui communique à un abrasif en suspension dans un liquide des vibrations ultrasonores. Celles-ci ont pour effet d'opérer un micromartellement sur la pièce à usi- ner et de l'éroder. L'outil, dont la forme est celle de l'empreinte que l'on veut réaliser, s'enfonce dans la pièce, reproduisant en elle sa forme propre. Généralement, une telle machine comporte: - un ensemble de support des pièces à usiner; - un ensemble vibrant terminé par un porte-outil et propre à animer l'outil d'un mouvement de va-et- vient à fréquence ultrasonore et à communiquer ces vibrations à un abrasif liquide d'usinage; et - un système de descente contrôlée de l'outil dans la pièce à usiner. L'inconvénient d'une telle technique réside dans le fait que la réalisation d'outils de formes complexes --pour l'obtention de pièces usinées de formes également complexes-- est coûteuse et nécessite des délais de fa- brication importants. Par ailleurs, il s'avère que l'ou- til s'use rapidement et que les formes réalisables sont limitées en finesse et en dimensions. Enfin on comprend que le prix de l'outil croit rapidement avec les dimensions des pièces à réaliser. Le but de la présente invention est d'éliminer ces inconvénients de la technique antérieure, et notam- ment d'obtenir une machine d'usinage par abrasion ultrasonore qui permette la réalisation d'empreintes de formes complexes, sans être tributaire d'un outil spéci- fique coûteux limité en précision et dimensions. A cet effet une machine d'usinage par abrasion ultrasonore du type général défini au début sera, con- formément à la présente invention, essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte: un outil dont la surface d'attaque est perpendiculaire à l'axe du porte- outil, de sorte que l'usinage par abrasion ultrasonore soit réalisé en bout d'outil; un dispositif de régula- tion de la descente de l'outil, propre à maintenir constante la distance entre cette surface d'attaque de l'outil et la pièce à usiner; et un dispositif numéri- que de commande de déplacement propre à déplacer la pièce à usiner par rapport à l'outil dans deux direc- tions perpendiculaires entre elles et perpendiculaires à l'axe du porte-outil. Grâce à ces dispositions, on comprend que l'ou- til pourra être de forme géométrique très simple et de dimensions particulièrement réduites, puisque c'est par des déplacements relatifs entre la surface d'attaque de l'outil et la pièce à usiner, selon deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, que l'on pourra obte- nir les formes complexes d'usinage souhaitées, et non plus, comme dans l'art antérieur, en devant conférer à l'outil lesdites formes complexes souhaitées. L'outil sera donc peu coûteux et pourra être élaboré très rapidement. Il est aussi important de noter que l'outil pourra être unique quelle que soit la forme à obtenir, puisque l'on réalise, grâce à l'invention, un usinage par contournage. Grâce au dispositif de déplacement à deux dimen- sions, l'outil pourra par exemple effectuer un rainurage en circuit fermé sur le périmètre à découper, ou par balayage sur la surface à creuser. Il sera également possible d'effectuer un rainurage en circuit ouvert sur la pièce à usiner en terminant la boucle du circuit à l'extérieur de la pièce lorsque le rainurage se prolonge jusqu'au bord de la pièce. Lorsque le rainurage est limité à l'intérieur de la pièce, le système de déplace- ment peut effectuer un va-et-vient. Lorsqu'un circuit ou un balayage d'usinage aura été effectué sur la pièce à usiner, on pourra procéder à une autre passe, après descente de l'outil, en suivant le même circuit ou le même tracé de balayage, et obtenir ainsi l'usinage sur la profondeur souhaitée, par autant de passes successives qu'il sera nécessaire. Une machine conforme à la présente invention, à savoir établie selon les principes généraux qui viennent d'être exposés, pourra présenter un certain nombre de caractéristiques et avantages complémentaires, lesquels apparaîtront à la lecture de l'exemple de réalisation donné ci-dessous à titre nullement limitatif. La description qui suit est faite avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique générale en éléva- tion d'une fraiseuse à ultrasons conforme à l'inven- tion; - la figure 2 représente l'ensemble vibrant de la machi- ne de la figure 1; - la figure 2a est une vue en plan d'un filtre acousto- mécanique; - la figure 3 montre les moyens de liaison entre le porte-outil et l'outil, avec des coupes axiales par- tielles de ces pièces; - la figure 4 montre l'outil et le porte-outil assem- blés, avec coupe axiale partielle; et - la figure 5 est un schéma de principe du système de descente contrôlée de l'outil. Sur la figure 1 on a référencé en 1 un ensemble de support destiné à porter les pièces p à usiner. Il s'agit d'un ensemble à déplacements X, Y, à savoir qu'il est constitué de deux tables 2 et 3 dont l'une (2) peut se déplacer par rapport à un bâti fixe 4 dans une direc- tion horizontale Y, et dont l'autre (3) peut se déplacer par rapport à la précédente dans une direction horizon- tale X perpendiculaire à la direction Y. Entre la table 2 et le bâti fixe 4, de même qu'entre la table 2 et la table 3, un coulissement de haute précision peut être obtenu par tous moyens connus appropriés, par exemple par des glissières en queue d'aronde. La position des tables 2 et 3 est repérée à cha- que instant par des capteurs de déplacement à lecture optique (non représentés). Le déplacement de ces tables est obtenu grâce à des moteurs électriques My et Mx com- mandés par un calculateur 5. La pièce à usiner D est disposée dans un bac d'arrosage 6 de récupération du liquide abrasif, qui contient une plaque métallique de support de la pièce à usiner p. Comme visible sur la figure 1, la circulation du liquide abrasif est assurée par une pompe 7 qui pré- lève le liquide dans le bac 6 et l'y réinjecte par l'intermédiaire de l'outil, lequel a été référencé en 8. La figure 2, qui est une partie de la figure 1 représentée à plus grande échelle et de façon plus dé- taillée, montre l'ensemble vibrant, référencé globale- ment en 9. Cet ensemble vibrant est constitué d'un empilage de trois parties cylindriques distinctes 10, 11 et 12, chacunes de longueur A/2, A désignant la longueur d'onde des vibrations. La première partie 10 est constituée d'un trans- ducteur qui comprend deux pastilles 13 en céramique piézoélectrique (titanate, zirconate de plomb PZT), pré- contraintes entre deux cylindres 14, 14' de titane de masses identiques et de longueurs égales à A /4. La seconde partie 11 est un adaptateur d'ampli- tude de vibration longitudinale. Il est soit en titane, soit en duralumin, de forme bicylindrique et de longueur égale à deux fois A /4. Le carré du rapport des diamè- tres des deux sections 15, 15' qui le constituent défi- nit le rapport d'adaptation. La troisième partie 12 est un second adaptateur plus communément appelé "sonotrode", et terminée par l'outil d'usinage 8. Comme la seconde partie 11, elle est généralement de forme bicylindrique et de même maté- riau. Le rapport entre les diamètres des deux parties 16, 16' qui la constituent est cette fois fonction de la forme et de la masse de l'outil 8, que ce dernier soit monobloc avec la sonotrode, ou rapporté. Sur les figures 3 et 4 on a montré de quelle fa- çon la liaison entre l'outil 8 et la sonotrode 12 peut être assurée. Cette liaison est assurée par un emboîte- ment à cône morse de conicité égale à 5 %, une partie de surface extérieure conique 8' de l'outil 8 s'emboîtant dans un creux de forme correspondante 16" de la partie terminale 16' de la sonotrode 12. Ce blocage est maintenu par un goujon bicylindrique 17 à deux filetages différentiels 18, 18'. Le filetage à pas fin 18' de la partie supérieure de gros diamètre du goujon s'engage dans un trou taraudé correspondant 19' de la sonotrode 12, tandis que le filetage à pas plus gros 18 de la partie inférieure de petit diamètre du goujon s'engage dans un trou taraudé correspondant 19 de la partie 8' de l'outil. Ce système de liaison présente l'avantage d'aug- menter la surface de contact entre la sonotrode 12 et l'outil 8, et donc de permettre une meilleure transmis- sion des vibrations à l'outil, tout en assurant leur excellente coincidence axiale. En outre, il rend facile un ajustage de l'ensem- ble vibrant 9 qui vient d'être décrit sur la fréquence de résonance, par léger déplacement du goujon 17 dans son logement, ce qui évite d'opérer par retouches suc- cessives de la longueur de la sonotrode. Sur la figure 1, et de façon plus détaillée sur la figure 2, on a également représenté un système de découplage entre l'ensemble vibrant 9 et le bâti 4 de la machine, ce système étant destiné à arrêter les vibrations ultrasonores au niveau de la liaison entre l'ensemble vibrant et le bâti, tout en maintenant cet ensemble vibrant parfaitement perpendiculaire à la sur- face à usiner. Sur les figures 1 et 2 on a aussi représenté l'amplitude des vibrations longitudinales de l'ensemble vibrant (en trait continu), ainsi que l'amplitude des vibrations radiales (en tirets). Comme le montre en particulier la figure 2, lorsque l'ensemble oscille sur son mode propre, la fixa- tion au bâti se fait en un noeud d'amplitude longitudi- nale de vibration. L'ensemble vibrant est parfaitement immobilisé en élongation, mais il faut aussi considérer qu'en chaque secteur la vibration longitudinale harmoni- que est accompagnée d'une vibration radiale en quadratu- re de phase. Cette vibration radiale présente donc un ventre d'amplitude à cette fixation. Il est par suite absolument nécessaire de découpler parfaitement l'ensem- ble vibrant du bâti 4 pour ne pas lui transmettre ses vibrations radiales. A cet effet, on peut utiliser les filtres acousto-mécaniques 20 visibles de profil sur la figure 2 et en plan sur la figure 2â, et qui sont disposés, selon ce qui vient d'être expliqué plus haut, en des noeuds (21 et 22) d'amplitude longitudinale des vibrations. Chaque filtre électro-acoustique 20 est constitué de deux bagues concentriques 23, 24 reliées entre elles par trois pontets équidistants 25 et reliées à l'adaptateur par trois autres pontets 26 équidistants entre eux, décalés des premiers de 60'. La bague intérieure 24 est déformable élastiquement au gré des vibrations radiales. La bague extérieure plus massive 23 est reliée à un ensemble mobile 27 du bâti par une bride 28 (figure 1). La machine comporte par ailleurs, comme déjà indiqué au début, un dispositif de régulation de la descente de l'outil 8, destiné à maintenir constante la distance entre la surface d'attaque de l'outil et la surface à usiner. Ce dispositif est visible en partie à la figure 1 mais son schéma de principe général est fourni à la figure 5. Sur ces deux figures on a utilisé dans la mesure du possible les mêmes références pour désigner les mêmes parties ou organes du dispositif. Pour que l'intervalle entre l'outil et la surfa- ce d'usinage reste constante, avec une pression constan- te sur la surface à usiner, il convient bien évidemment que l'outil 8 descende dans la pièce p au fur et à me- sure que celle-ci se creuse. On utilise l'effet de la pesanteur agissant sur un système de bras de levier et de contrepoids réglables schématisés en 29, soutenant l'ensemble mobile 27 auquel est fixé l'ensemble vibrant 9. Cette solution est valable lorsque la surface d'usinage est grande; dans ce cas, les contrepoids sont importants, de l'ordre du kilogramme. Mais lorsque les surfaces d'usinage sont petites et que, de plus, une grande finesse d'exécution est demandée, les masses mises en jeu sont telles qu'elles ne compensent pas les frottements des axes d'articulation du bras de levier et ceux du couple des poulies de renvoi. Le système est alors arrêté par les frottements secs du montage, et il faut alors charger exagérément en masse, ce qui intro- duit des écaillages importants et même une rupture de la pièce. De plus, il arrive au cours de la descente de l'outil que l'abrasif ne circule pas régulièrement ou que la concentration en abrasif change. Il s'ensuit un ralentissement, voire un arrêt de descente. Toute la pression est alors transmise à la pièce et il y a rup- ture immédiate. Pour éviter ces inconvénients, on pré- voit un capteur de force qui corrige la vitesse de descente. Le capteur de force est constitué d'une lame encastrée à une extrémité et qui forme une électrode d'un condensateur. Tout le poids du système mobile 9-27 de la machine repose sur cette lame 30 lorsque l'usinage fonctionne correctement. En regard de cette électrode est disposé un capteur capacitif qui comporte une élec- trode de détection 31, formant -l'autre électrode du condensateur associée à la déformation de la lame 30. Une chaîne électronique, à déséquilibre de pont, corrige la vitesse de descente de la butée. Lorsque la vitesse d'usinage ralentit, pour une des raisons citées plus haut, la lame 30 du capteur se trouve légèrement soulagée et la distance inter- électrodes (lame-capteur) augmente. Le système réagit en ralentissant le moteur Mz de descente. Sur les figures 1 et 5 on a encore référencé en: - 32 une butée mobile entraînée par le moteur Mz et supportant la lame encastrée 30; - 33 un amplificateur de commande du moteur Mz; - 34 un condensateur à capacité de référence; - 35 un comparateur du type à déséquilibre de pont, commandant l'amplificateur 33; et - 36 une consigne de vitesse moyenne. Ceci étant, on constate que l'invention présente les importants avantages suivants: - La surface d'attaque de l'outil est perpendiculaire à l'axe de la sonotrode et reste à une distance cons- tante de la pièce à usiner, cette distance dépendant de la dimension des grains d'abrasif utilisé et de l'amplitude des vibrations ultrasonores, ce qui confè- re à la pièce réalisée une excellente qualité de finition; - Le réglage de la distance entre la surface d'attaque de l'outil et la surface de la pièce à usiner est ob- tenu par l'intermédiaire d'un capteur de force donnant la pression minimale de contact de l'outil sur la pièce à travers la charge d'abrasif en mouvement; - L'outil peut être réalisé dans des matériaux très durs et résistants, compte tenu de sa forme simple. Il pré- sente donc une usure bien moindre pour un travail équivalent, ce qui permet une précision d'usinage accrue; - Il n'y a pas d'adaptation d'impédance acoustique à chaque changement d'outil (sonotrode standard); L'ensemble vibrant, des pastilles piézoélectriques jusqu'à l'outil, peut être monobloc. Cet ensemble monobloc, sans solution de continuité par goujons, inévitable par la méthode d'usinage classique, permet la meilleure transmission possible des vibrations à l'outil. - Il est possible de réaliser un "Kit Ultrasons" adapta- ble sur toute machine outil à commande numérique; - La dimension des piècees n'est plus limitée par la puissance de l'usineuse mais par la longueur et la précision de déplacement des tables X, Y. Cette limite est généralement moins contraignante que celle de la puissance; et - Dans l'usinage par contournage, objet de la présente demande, l'outil 8, généralement cylindrique, est par- faitement concentrique à la sonotrode 12. REVENDICATIONS 1. Machine d'usinage par abrasion ultrasonore, du type comportant: - un ensemble (1) de support des pièces (p) à usiner; - un ensemble vibrant (9) terminé par un porte-outil (12) et propre à animer l'outil (8) d'un mouvement de va-et-vient à fréquence ultrasonore et à communiquer ces vibrations à un abrasif liquide d'usinage; et - un système de descente contrôlée de l'outil dans la pièce à usiner, caractérisée en ce qu'elle comporte: un outil (8) dont la surface d'attaque est perpendiculaire à l'axe du porte-outil (12), de sorte que l'usinage par abrasion ultrasonore soit réalisé en bout d'outil; un dispositif de régulation de la descente de l'outil, propre à main- tenir constante la distance entre cette surface d'atta- que de l'outil et la pièce à usiner; et un dispositif numérique de commande de déplacement propre à déplacer la pièce à usiner (p) par rapport à l'outil (8) dans deux directions perpendiculaires entre elles et perpen- diculaires à l'axe du porte-outil (12). 2. Machine selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que ledit dispositif de commande de déplace- ment fait partie de l'ensemble (1) de support des pièces (.) à usiner et en ce que cet ensemble est du type à déplacements X, Y, à savoir qu'il est constitué de deux tables (2) et (3) dont l'une (2) peut se déplacer par rapport à un bâti fixe (4) dans une direction horizon- tale Y, et dont l'autre (3) peut se déplacer par rapport à la précédente dans une direction horizontale X perpen- diculaire à la direction Y. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce que la liaison et le centrage relatif entre le porte-outil (12) et l'outil (8) sont assurés par l'intermédiaire d'un goujon (17) à deux filetages 1 1 (18,18'), l'un de ces filetages (18') étant engagé dans un trou taraudé (19') du porte-outil (12), tandis que l'autre filetage (18) est engagé dans un trou taraudé (19) de l'outil (8), ce dernier étant engagé et centré dans le porte-outil (12) par un emboîtement conique (8', 16"). 4. Machine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte entre ledit ensemble vibrant (9) et le bâti fixe (4) des filtres acousto-mécaniques (20) disposés en des noeuds (21,22) d'amplitude longitudinale des vibrations. 5. Machine selon la revendication 4, caractéri- sée en ce qu'un filtre acousto-mécanique (20) est cons- titué essentiellement de deux bagues concentriques (23,24) reliées par des pontets équidistants (25), la bague intérieure (24) étant déformable élastiquement sous l'effet des vibrations radiales. 6. Machine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de régulation de la descente de l'outil (8) comprend essentiellement, pour le maintien à une valeur constante de l'intervalle entre l'outil et la surface d'usinage de même que de la pression exercée par l'outil (8) sur la surface à usiner, un capteur de force de type capacitif (30,31) propre à commander, par l'intermédiaire d'une chaîne de régulation électronique (33-36), un moteur (Mz) de commande du déplacement vertical d'un ensemble mobile (27) portant l'ensemble vibrant (9). 7. Machine selon la revendication 6, caractéri- sée en ce que ledit ensemble mobile (27) porte sur une lame encastrée (30) qui constitue avec une électrode (31) ledit capteur de force (30,31).