Le domaine de l'invention est celui de l'usinage ultrasonore et notamment celui de l'usinage ultrasonore abrasif, appartenant aux technologies de coupe de matériaux à caractéristiques mécaniques élevées et concerne plus particulièrement celui de l'outil employé appelé "sonotrode", généralement positionné suivant un axe vertical, capable de reproduire en pénétrant dans la pièce à usiner, sa propre forme.

De manière générale, l'usinage par ultrasons est un procédé entièrement mécanique susceptible d'être employé pour tous les matériaux, et cela indépendamment de leur conductibilité électrique et thermique. Les ultrasons utilisés sont créés par un générateur permettant à l'outil de forme donnée d'être animé de vibrations élastiques longitudinales de fréquences voisines de 20 000 Hertz. L'outil est ainsi appuyé sur la pièce à façonner de façon telle que l'effort de contact entre pièce et outil soit constant.

Dans la technique d'usinage ultrasonore abrasif, il s'agit d'un procédé de reproduction de forme et de génération par abrasion particulièrement adapté à l'usinage de matériaux durs, fragiles, cassants tels que le verre, les céramiques, le quartz , les pierres précieuses, les semiconducteurs,... et permettant la réalisation de micro-dispositifs tels que des actionneurs monolithiques par exemple des micro-pinces.

L'usinage est dû aux mouvements de grains d'abrasif entraînés entre pièce et sonotrode par la vibration de celle-ci qui est excitée sur sa fréquence de résonance (pouvant par exemple être de 20 KHz). Les particules très dures sont projetées sur la surface de la pièce et pénètrent celle-ci en provoquant une déformation suivie d'un enlèvement de matière sous forme de micro-copeaux. L'abrasif peut typiquement être en suspension dans de l'eau qui transmet bien les fréquences ultrasonores.

Ainsi, entre les surfaces en contact de la pièce et de l'outil, on peut interposer un abrasif à grains fins, tel que du carbure de bore, du carbure de silicium ou de la poudre de diamant en suspension dans un liquide chimiquement pur. Ces grains d'abrasif attaquent directement la pièce à façonner, dans laquelle l'outil pénètre progressivement pour former une cavité qui reproduit en creux la forme de l'outil. La vitesse d'usinage augmente lorsqu'on établit une circulation du liquide dans la zone de travail. Cette circulation assure le renouvellement des grains d'abrasif et l'évacuation des micro-copeaux produits. L'usinage est d'autant plus facile que le matériau travaillé est dur, fragile et cassant.

Cette usure et le travail d'enlèvement de la matière dépendent de nombreux paramètres tels que : la vibration, la pression statique, la taille et la nature du grain d'abrasif, la profondeur de pénétration, la nature et la forme de la pièce à réaliser, Ainsi, les paramètres d'usinage sont à déterminer au cas par cas.

A titre d'exemple, la forme et les dimensions d'un perçage cylindrique par exemple dépendent de la manière dont il est possible de maîtriser le gap et l'usure de la sonotrode. Néanmoins, grâce à une bonne connaissance préalable de l'action des abrasifs, il est possible d'obtenir des usinages ayant des dimensions de quelques mm à 3 ou 4 μm près. Si la profondeur est trop importante, il devient nécessaire, pour maintenir une telle précision sur toute la hauteur, de prévoir plusieurs sonotrodes, la dernière, de plus gros diamètre ne travaillant que pour l'enlèvement d'une très faible épaisseur de matière, avec éventuellement un grain de diamètre plus faible pour améliorer l'état de surface (typiquement inférieure à 20μm). Dans ce cas, la surface laisse apparaître des cavités dont la profondeur est inférieure au dixième du diamètre du grain, c'est-à-dire 2 μm.

A titre indicatif, II est possible de réaliser des trous de 300 μm de diamètre sur plusieurs mm de haut dans du cristal de quartz. Les perçages de 100 μm de diamètre sont réalisables sur des hauteurs plus faibles (300 à 500 μm), le problème, dans ce cas, étant la réalisation de l'outil.

De manière générale, une machine à usinage par ultrasons selon l'art connu est constituée d'un générateur électrique, d'un ensemble acoustique composé d'un transducteur, d'un amplificateur et d'une sonotrode comme schématisé en figure 1 .

Le générateur (non représenté) délivre un courant alternatif basse fréquence permettant d'alimenter l'ensemble acoustique, décrit ci-après plus en détails.

Cet ensemble acoustique comporte un transducteur 1 alimenté par le générateur. Le fonctionnement du transducteur piézoélectrique repose sur le phénomène 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 générée.

Un amplificateur mécanique 2 est fixé au transducteur et peut être fixé par l'intermédiaire d'une vis de précontrainte 21 . Il a pour rôle de transmettre et amplifier les ondes longitudinales issues du transducteur.

L'amplificateur est solidarisé à une sonotrode appelée également électrode-outil, elle est de forme cylindrique ou plus complexe. Son rôle est d'amener l'énergie acoustique dans la zone de travail. Elle porte l'extrémité travaillante (outil interchangeable), adaptée à la forme à usiner. La sonotrode peut par exemple être fixée sur l'amplificateur par des goujons de serrage 23. L'amplificateur est par ailleurs fixé à un bâti de manière à maintenir l'ensemble.

De manière classique, l'ensemble amplificateur et sonotrode présentent des dimensions longitudinales définies de manière à pouvoir vibrer en mode longitudinal (traction-compression) à trois nœuds comme représenté sur la figure 1 sur laquelle la courbe 1 a est relative au déplacement des ondes ultrasonores et la courbe 1 b est relative aux contraintes subies par les différents éléments de l'ensemble acoustique.

Les contraintes doivent être minimales au niveau des liaisons entre les pièces du système, c'est-à-dire entre la sonotrode et l'amplificateur et entre l'amplificateur et le transducteur. En effet, avoir un minimum de contraintes en ces endroits, permet d'une part un maintien de l'assemblage optimal du système et d'autre part, la durée de vie de la machine est allongée.

La longueur de la sonotrode est de l'ordre de λ /2, avec λ longueur d'onde d'une vibration longitudinale.

Le déplacement doit être maximal en bout de sonotrode. De ce fait, il y a à cet endroit un ventre de vibration donc un noeud en termes de contrainte. Par contre, il peut avantageusement être nul au niveau de la fixation au bâti afin de ne pas détruire la machine lors de la mise en vibration et au niveau de l'électrode, car les céramiques ne supportent pas de grandes déformations. Lorsque l'on cherche à usiner des pièces de dimensions supérieures aux dimensions classiques des sonotrodes actuelles, typiquement supérieures à 1 pouce, on est confronté à un problème d'homogénéité d'intensité de vibrations sur l'ensemble de la face de la sonotrode destinée à être en contact avec la pièce à usiner.

il pourrait apparaître intéressant de venir solidariser simplement une pièce de grandes dimensions latérales dans un plan (X, Z) supérieures au diamètre classique d'une sonotrode, l'axe vertical de l'ensemble acoustique correspondant à l'axe Y.

La demanderesse a néanmoins mis en évidence que l'on se heurte dans ce cas à un problème d'uniformité de déplacement d'ondes utrasonores d'amplitude Uy selon l'axe Y, conduisant à un mode en flexion au niveau de la base destinée à être en contact avec la partie à usiner.

C'est pourquoi pour répondre à ce problème d'uniformisation du déplacement d'ondes utrasonores d'amplitude Uy en tout point dans un plan (X,Z), la demanderesse propose une solution dans laquelle est introduit un couplage des deux modes de vibration correspondant respectivement au mode longitudinal se propageant dans la partie longitudinale de la sonotrode et au mode de flexion se propageant dans la base de la sonotrode.

Plus précisément la présente invention propose un nouveau type de sonotrode présentant une partie intermédiaire entre une partie classique dite longitudinale et une partie dite de base destinée à être en contact avec la pièce à usiner, permettant ainsi d'assurer la propagation homogène d'ondes ultrasonores dans un plan parallèle à la pièce à usiner et ce en introduisant un couplage des modes de vibration correspondant respectivement au mode longitudinal et au mode de flexion de la base située dans un plan perpendiculaire.

Plus précisément la présente invention a pour objet une sonotrode en matériau capable de transmettre des vibrations et comportant au moins une première partie dite longitudinale présentant un axe central caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une partie intermédiaire et une partie constituant une base de dimensions au moins supérieures à environ 1 pouce, la partie intermédiaire comportant au moins un premier gradient de dimensions latérales perpendiculaires à l'axe central au moins croissant en liaison avec la base et permettant de propager des vibrations générées au niveau de la base avec une amplitude homogène en tout point de la base et la partie longitudinale présentant à son extrémité supérieure une surface conique ou concave ou convexe permettant de transmettre un maximum de vibrations.

Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale et/ou la partie intermédiaire ont des dimensions latérales différentes des dimensions latérales de la base.

Selon une variante de l'invention, la sonotrode présente une forme bi-cylindrique.

Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire comporte un second gradient décroissant depuis la partie longitudinale et permettant d'amplifier les vibrations générées au niveau de la base.

Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire comporte une partie concave.

Selon une variante de l'invention, le profil de la partie concave de la partie intermédiaire est de type parabolique.

Selon une variante de l'invention, la base comporte plusieurs sous-parties, une première sous-partie étant à gradient croissant de dimensions latérales, une seconde sous-partie de dimensions latérales importantes, une troisième sous-partie à gradient décroissant de dimensions latérales, permettant un usinage transversal pour usiner des pièces dans des dimensions parallèle à l'axe longitudinal de la sonotrode.

Selon une variante de l'invention, la sonotrode comporte en outre des fentes pour en réduire le poids.

Selon une variante de l'invention, la base présente des dimensions latérales supérieures ou égales à 2 pouces.

Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale présente en outre au niveau de son extrémité supérieure une surface parabolique permettant de transmettre un maximum de vibrations.

Selon une variante de l'invention, l'extrémité supérieure présente un arrondi en forme de quart de cercle.

Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale présente en outre un filetage permettant de solidariser ladite sonotrode à un amplificateur. Selon une variante de l'invention, la sonotrode est monolithique, les trois parties étant réalisées dans une même pièce.

Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire et la base sont réalisées dans au moins deux pièces, la sonotrode comportant en outre des moyens de fixation des deux pièces entre elles.

Selon une variante de l'invention, la base comporte en outre des éléments de faibles dimensions permettant un usinage collectif de petites pièces avec une grande homogénéité d'usinage.

Selon une variante de l'invention, les moyens de fixation sont de type vissage ou filetage ou collage.

Selon une variante de l'invention, la sonotrode comporte au moins des parties longitudinale et intermédiaire en acier.

Selon une variante de l'invention, la sonotrode comporte au moins des parties longitudinale et intermédiaire en aluminium et titane.

Selon une variante de l'invention, la sonotrode comporte au moins des parties longitudinale et intermédiaire en titane.

Selon une variante de l'invention, la base est en silicium.

L'invention a aussi pour objet une machine à usinage ultrasonore comportant un générateur, un transducteur et un amplificateur, caractérisée en ce qu'elle comporte une sonotrode selon la présente invention.

Selon une variante de l'invention, les dimensions latérales de la sonotrode sont supérieures aux dimensions latérales de l'amplificateur.

Selon une variante de l'invention, la machine comprend en outre des moyens en alimentation de fluide chargé de particules abrasives.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 illustre un ensemble acoustique utilisant une sonotrode selon l'art connu ;

- la figure 2 schématise une sonotrode selon l'invention ;

- la figure 3 illustre une sonotrode de grandes dimensions selon l'invention reliée à un amplificateur ; - les figures 4a, 4b et 4c illustrent des formes modifiées au niveau de la surface supérieure de la sonotrode destinée à être en liaison avec un amplificateur ;

la figure 5 illustre un premier exemple de sonotrode selon l'invention comportant un trou taraudé de fixation avec un amplificateur ;

- la figure 6 illustre un second exemple de sonotrode comportant des parties ajourées de type fentes;

- la figure 7 illustre un troisième exemple de sonotrode présentant une base complexe comportant trois sous-parties à gradients de dimensions latérales ;

- la figure 8 illustre un exemple de machine à usinage ultrasonore abrasif comportant une sonotrode selon l'invention. De manière générale, la sonotrode peut présenter une symétrie de révolution autour d'un axe central longitudinal C, au moins un premier gradient de dimensions latérales et de préférence également un second gradient de dimensions latérales, soit dans le plan (X ₁ Z) comme illustré en figure 2. La sonotrode comporte plus précisément une première partie dite longitudinale Pl, présentant un axe central caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une partie intermédiaire Pi et une partie constituant une base Pb, la partie intermédiaire comportant au moins un premier gradient Gi de dimensions latérales perpendiculaires à l'axe central au moins croissant en liaison avec la base et permettant de propager des vibrations générées au niveau de la base avec une amplitude constante en tout point de la base, un second gradient G ₂ de dimensions latérales permettant d'amplifier les vibrations. La combinaison de ces deux gradients génère une configuration de type gorge telle que représentée en figure 3. La longueur de la sonotrode est de manière connue adaptée à la demi-longueur d'onde de vibration générée par le transducteur dont la machine à ultrasons est équipée et dans laquelle doit être intégrée la sonotrode.

A titre d'exemple, en prenant comme origine selon l'axe Y, la face inférieure de la base de la sonotrode, le haut de la sonotrode est à une ordonnée de 130 mm, le haut de la gorge à une ordonnée de 125,7 mm et le bas de la gorge à une ordonnée de 86,7mm. La sonotrode telle que schématisée en figure 3 présente une surface supérieure de la partie longitudinale plane, néanmoins la demanderesse a montré que cette surface pouvait être optimisée de manière à renforcer l'amplification des ondes ultrasonores dans la partie longitudinale de la sonotrode présentant des dimensions importantes, la surface supérieure étant celle destinée à être en liaison avec un amplificateur du type de celui représenté en figure 1 .

La figure 3 illustre ainsi l'ensemble amplificateur/sonotrode dans une configuration de sonotrodes de grandes dimensions.

En passant d'un diamètre à un autre plus important l'amplitude de la vibration diminue quel que soit le choix de modification à effectuer, car le facteur (ou coefficient) d'amplification mécanique K est inférieur à 1 pour l'optimisation du déplacement des ondes ultrasonores d'amplitude donnée, dans ce cas là, il n'est donc pas question de l'augmenter, mais plutôt d'en perdre le minimum possible.

Différents types de modifications sont envisageables au niveau de la liaison amplificateur/sonotrode. Les figures 4a, 4b et 4c illustrent ainsi respectivement des modifications conique, bicylindrique concave et bicylindrique convexe, pour la partie supérieure Es de la sonotrode 3.

Grâce à l'évaluation du coefficient d'amplification mécanique encore dénommé « CAM » et référencé K OU son inverse 1/ K qui représente l'amplification mécanique, il est possible de définir la forme la plus adaptée.

Le tableau ci-après récapitule les différents « CAM » obtenus avec les différentes formes envisagées.

La modification bicylindrique convexe présente le « CAM », bien que inférieur à 1 , le plus important comparé aux deux autres types de modifications, permettant d'optimiser de manière satisfaisante le déplacement.

Les formes paraboliques de type 2y = ax donnent une meilleure optimisation du déplacement mais correspondent à des formes plus contraignantes en termes de contraintes techniques d'usinage que les géométries d'arrondi.

Ainsi avantageusement, il peut être retenu l'arrondi en forme de quart de cercle dont le rayon est à ajuster selon le diamètre de la sonotrode par exemple 2 pouces ou 3 pouces ou 4 pouces, ...

Pour pouvoir être fixée à l'amplificateur, la sonotrode 3 peut par ailleurs avantageusement comprendre dans sa partie supérieure Es des moyens de fixation de type trou taraudé T comme représenté en figure 5.

A titre d'exemple, la sonotrode de l'invention peut présenter ainsi une gorge de type concave de forme cylindrique et présenter une base de diamètre de 76,2 mm avec un diamètre au niveau de la base de 30,13 mm et un trou taraudé permettant la fixation à un amplificateur, le trou taraudé présentant une profondeur de 19,5 mm. II peut être également particulièrement intéressant de prévoir une forme conique à l'extrémité supérieure de manière à pouvoir emboîter de façon coopérative l'amplificateur dans la sonotrode.

Par ailleurs avec des sonotrodes de grandes dimensions pouvant atteindre 4 pouces de dimensions latérales, voire au-delà, on peut typiquement atteindre des poids de sonotrode de l'ordre de sept kilos. C'est pourquoi, il peut être particulièrement utile de chercher à en diminuer le poids. Dans une variante de l'invention il est ainsi proposé d'ajourer partiellement la partie longitudinale comme illustré en figure 6 qui présente un exemple de sonotrodes de symétrie de révolution avec par exemple des fentes Fi permettant d'ajourer ladite sonotrode.

De manière générale, les sonotrodes décrites peuvent aussi bien être de type monobloc réalisées en une seule pièce ou être réalisées en deux pièces liées et être conçues en matériau suffisamment rigide pour pouvoir transporter les ondes mécaniques. Des matériaux tels que l'acier, l'aluminium ou le titane sont particulièrement bien adaptés.

Il existe en effet des applications dans lesquelles il est intéressant de réaliser une base dans un matériau différent de celui constitutif de celui constitutif de la partie intermédiaire et de la partie longitudinale. En effet, dans le cas de procédé collectif de réalisation de pièces de très petites dimensions (de l'ordre d'une centaine de microns) on peut avantageusement utiliser une base en silicium de grande dimensions, environ de l'ordre de 4 pouces ou plus, avec des petits picots permettant d'opérer des perçages de faibles dimensions. Ce type de base est aisément réalisable dans des matériaux de type silicium et peut être notamment réalisée par des techniques de Liga UV ou de gravure plasma.

Dans le cas de sonotrode non monolithique, il convient de fixer l'ensemble des pièces entre elles. Pour ce faire, on peut utiliser une colle de type colle époxy ou procéder à une opération de brasage avec un mélange à base d'argent. Il convient d'utiliser un matériau ou mélange de matériaux suffisamment malléables pour transmettre les vibrations. C'est pourquoi il est préférable de procéder à des opérations de brasure plutôt qu'à des opérations de soudure.

Selon une autre variante de l'invention, la sonotrode peut avantageusement comporter une base complexe permettant de réaliser un usinage transverse. La figure 7 illustre un exemple de ce type de sonotrode, présentant au niveau de la base élargie en forme de disque par rapport à la partie longitudinale, une extrémité Ei, pour équilibrer le disque utilisé pour l'usinage transverse. La périphérie du disque correspondant à une extrémité latérale El permet d'usiner des pièces qui seraient positionnées dans des plans verticaux. Les sonotrodes de l'invention peuvent ainsi avantageusement être utilisées pour usiner de manière directe des pièces en matériaux durs ou en utilisant un abrasif pour usiner tout type de matériaux plus souples. Exemple de machine à usinage ultrasonore abrasif utilisant une sonotrode de l'invention :

Cette machine comporte les différents composants suivants :

1 ) Une alimentation électrique constituée, d'un générateur basse fréquence, réglable en puissance.

2) Une source ultrasonore vibrant à des fréquences de 20, 35, 40 KHz et comprenant un transducteur de type disque en PZT. Le transducteur est couplé à un amplificateur encore couramment dénommé « Booster » pouvant être en titane ou en acier.

3) Une sonotrode selon l'invention de forme optimisée présentant un une gorge avec une symétrie de révolution et des dimensions de la partie dite de base de plusieurs pouces.

4) Des moyens de fixation des pièces entre elles et sur un bâti central : il est ainsi prévu des moyens de fixation de l'amplificateur sur le bâti, en une position optimisée (par exemple avec trois goupilles, correspondant à un point zéro de contrainte) ainsi que des moyens de fixation de la sonotrode sur l'amplificateur, de type goujon de serrage, ou tout autre.

5) Des moyens de positionnement et de centrage de la sonotrode par rapport aux pièces à usiner : plus précisément, il peut avantageusement être prévu des moyens de débrayage pour positionner la sonotrode en regard de la pièce à usiner, ainsi que des moyens de positionnement en RZ de la sonotrode en cas de raccordement de pièces pour fonction de centrage, il peut notamment s'agir de moyens de réglage manuel de type système de bridage tels que des goujons de serrage.

6) II est également prévu une caméra implémentée sur l'axe Z pour visualiser une empreinte, afin de régler le positionnement de la tête de la sonotrode sur l'objet à usiner.

7) Des moyens de positionnement de la sonotrode en translation TZ comprenant une table en TZ et un système de levier et de contre-poids couplé à la table en TZ.

8) Des moyens de positionnement et de gestion des pièces à usiner.

9) Des moyens de gestion du flux d'abrasif comprenant un fluide porteur de type eau ou solvant et des particules d'abrasif dont la nature (carbure de bore, diamant, carbure de silicium, ...) et la granulométrie des grains d'abrasif, sont adaptés à la forme des pièces à usiner. La figure 8 illustre plus précisément un exemple de machine à usinage ultrasonore comportant une sonotrode selon l'invention et des moyens dédiés pour commander la descente de la sonotrode sur la pièce à usiner Pu située sur un support S ₀ .

La sonotrode 3 de l'invention est fixée à un ensemble amplificateur/ transducteur 2, l'ensemble étant solidarisé à une table rotative 4.

Il peut aussi être prévu des moyens assurant le positionnement et le centrage de la sonotrode par rapport aux pièces à usiner : plus précisément, il est prévu des moyens de débrayage pour positionner la sonotrode en regard de la pièce à usiner, ainsi que des moyens de positionnement en RZ de la sonotrode en cas de raccordement de pièces pour fonction de centrage, il peut notamment s'agir de moyens de réglage manuel de type système de bridage tels que des goujons de serrage.

Ces moyens peuvent avantageusement être associés à une caméra implémentée sur l'axe Z pour visualiser une empreinte, afin de régler le positionnement de la tête de la sonotrode sur l'objet à usiner. La lecture d'une prise de vue, suite à une empreinte réalisée à la surface de la pièce à usiner peut conduire à réorienter la sonotrode de manière à réaliser la forme effectivement désirée après réorientation par les moyens en RZ.

L'ensemble transducteur/sonotrode est fixé par ailleurs à une pièce intermédiaire 5 située selon l'axe X perpendiculaire à l'axe Z, reliée à une pièce mécanique 7, elle-même située selon l'axe Z et assurant une fonction mécanique de liaison avec un marbre 6, relié à un système de contre-poids 10 via une poulie 8 qui permet de compenser le poids de l'ensemble au niveau de la sonotrode d'usinage, constituant par la même un système de levier et de contre-poids couplé à la table en TZ.

A titre d'exemple si le poids de l'ensemble intégrant la sonotrode est de 15 kilogrammes, la masse de contre-poids peut-être de l'ordre de 14 kilogrammes. La table en TZ a alors un poids à supporter d'1 kilogramme.

La pièce mécanique de liaison 5 est par ailleurs solidaire du capteur de contrôle et de position 10. Le capteur peut notamment être fixé à ladite pièce par un écrou supérieur et un écrou inférieur non représenté.

Ce capteur est en contact avec une pièce de type barre couplée 1 1 à la table en TZ référencée 13, via une pièce mécanique 12. Dès que le contact n'est plus assuré, l'ensemble du dispositif intègre une information i ₀ de perte de contact significative d'un problème et adresse via un automate de commande 14, une information J ₁ de modification de la commande de la course de la table en TZ donc de la descente de la sonotrode, typiquement il pourra s'agir d'une consigne de réduction de vitesse.