FR2948585A1

FR2948585A1 - THROUGH SONOTRODE AND ULTRASONIC MACHINE INTEGRATING THE SOUNDRODE

Info

Publication number: FR2948585A1
Application number: FR0903785A
Authority: FR
Inventors: Abdellah Boulouize
Original assignee: INST PIERRE VERNIER
Current assignee: INST PIERRE VERNIER
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-04
Also published as: WO2011012517A2; WO2011012517A3

Abstract

L'invention concerne une sonotrode en matériau capable de transmettre des vibrations et comportant au moins une première partie dite longitudinale (PI) présentant un axe central (C) 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 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.The invention relates to a sonotrode made of a material capable of transmitting vibrations and comprising at least a first so-called longitudinal portion (PI) having a central axis (C) characterized in that it further comprises an intermediate portion (Pi) and a portion constituting a base (Pb), the intermediate portion having at least a first gradient of lateral dimensions perpendicular to the central axis at least increasing in connection with the base and for propagating vibrations generated at the base with a constant amplitude in any point of the base.

Description

Sonotrode à gorge et machine à usinage ultrasonore intégrant la sonotrode 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. The field of the invention is that of ultrasonic machining and in particular that of abrasive ultrasonic machining, belonging to the cutting technologies of materials with high mechanical characteristics, and more particularly to that of the ultrasonic machining and ultrasonic machining integrating the sonotrode. the tool used called "sonotrode", usually positioned along a vertical axis, able to reproduce by penetrating into the workpiece, its own shape.

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. In general, ultrasonic machining is an entirely mechanical process that can be used for all materials, regardless of their electrical and thermal conductivity. The ultrasounds used are created by a generator allowing the tool of given shape to be animated longitudinal elastic vibrations of frequencies close to 20 000 Hertz. The tool is thus pressed on the workpiece in such a way that the contact force between the workpiece and the tool is constant. In the abrasive ultrasonic machining technique, it is a process of shape reproduction and abrasion generation particularly suitable for machining hard, fragile, brittle materials such as glass, ceramics, quartz, precious stones, semiconductors, ... and allowing the realization of micro-devices such as monolithic actuators for example micro-clamps. The machining is due to abrasive grain movements driven between room and sonotrode by the vibration thereof which is excited on its resonant frequency (can for example be 20 KHz). The very hard particles are projected on the surface of the part and penetrate it by causing a deformation followed by a removal of material in the form of micro-chips. The abrasive can typically be suspended in water which transmits the ultrasonic frequencies well.

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. Thus, between the contacting surfaces of the workpiece and the tool, a fine grain abrasive such as boron carbide, silicon carbide or diamond powder can be interposed in suspension in a chemically pure liquid. These abrasive grains directly attack the workpiece, in which the tool penetrates progressively to form a recess that recesses the shape of the tool.

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. Machining speed increases when fluid flow is established in the work area. This circulation ensures the renewal of abrasive grains and the evacuation of micro-chips produced. Machining is all the easier as the material worked is hard, fragile and brittle.

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. This wear and the removal work of the material depend on many parameters such as: vibration, static pressure, size and nature of the abrasive grain, depth of penetration, nature and shape of the workpiece. realize, Thus, the machining parameters are to be determined on a case by case basis.

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 pm 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 20pm). 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 pm. A titre indicatif, Il est possible de réaliser des trous de 300 pm de diamètre sur plusieurs mm de haut dans du cristal de quartz. Les perçages de 100 pm de diamètre sont réalisables sur des hauteurs plus faibles (300 à 500 pm), 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. For example, the shape and dimensions of a cylindrical bore for example depend on how it is possible to control the gap and wear of the sonotrode. However, thanks to a good prior knowledge of the action of abrasives, it is possible to obtain machining with dimensions of a few mm to 3 or 4 pm. If the depth is too great, it becomes necessary, to maintain such precision over the entire height, to provide several sonotrodes, the last, larger diameter working only for the removal of a very thin material, with possibly a grain of smaller diameter to improve the surface state (typically less than 20pm). In this case, the surface reveals cavities whose depth is less than one tenth of the diameter of the grain, that is to say 2 pm. As an indication, it is possible to make holes of 300 μm in diameter over several mm high in quartz crystal. Holes 100 μm in diameter are achievable on lower heights (300 to 500 pm), the problem in this case being the realization of the tool. In general, an ultrasonic machining machine according to the prior art consists of an electrical generator, an acoustic assembly composed of a transducer, an amplifier and a sonotrode as shown diagrammatically in FIG.

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. The generator (not shown) delivers a low frequency alternating current for supplying the acoustic assembly, described below in more detail. This acoustic assembly comprises a transducer 1 powered by the generator.

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. II 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. II a pour rôle de transmettre et amplifier les ondes longitudinales issues du transducteur. L'amplificateur est solidarisé à une sonotrode appelée également ~o 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 15 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 noeuds comme représenté sur la figure 1 sur laquelle la courbe la est relative au 20 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 25 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 A /2, avec À longueur d'onde d'une vibration longitudinale. 30 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 35 déformations. The operation of the piezoelectric transducer is based on the inverse piezoelectric phenomenon. Under the action of an electric field, a proportional stress is produced whose sign depends on the direction of the field. It follows a mechanical deformation. Under the action of an alternating field, a mechanical vibration is generated. A mechanical amplifier 2 is fixed to the transducer and can be fixed by means of a preloading screw 21. Its role is to transmit and amplify the longitudinal waves coming from the transducer. The amplifier is secured to a sonotrode also called ~ o tool-electrode, it is cylindrical or more complex. Its role is to bring acoustic energy into the work area. It carries the working end (interchangeable tool), adapted to the shape to be machined. The sonotrode may for example be attached to the amplifier by clamping studs 23. The amplifier is also attached to a frame so as to hold the assembly together. Conventionally, the amplifier and sonotrode assembly have longitudinal dimensions defined so as to be able to vibrate in longitudinal mode (traction-compression) at three nodes as shown in FIG. 1, in which the curve is relative to the displacement of the ultrasonic waves. and the curve 1b relates to the stresses experienced by the different elements of the acoustic assembly. The constraints must be minimal at the level of the connections between the parts of the system, that is to say between the sonotrode and the amplifier and between the amplifier and the transducer. Indeed, having a minimum of 25 stresses in these places, on the one hand maintains the optimal assembly of the system and on the other hand, the life of the machine is extended. The length of the sonotrode is of the order of A / 2, with the wavelength of a longitudinal vibration. The displacement must be maximal at the end of the sonotrode. Because of this, there is at this place a belly of vibration and therefore a node in terms of constraint. On the other hand, it can advantageously be zero at the level of attachment to the frame so as not to destroy the machine during vibration and at the electrode, because the ceramics do not support large deformations.

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. When one seeks to machine parts larger than the conventional dimensions of current sonotrodes, typically greater than 1 inch, one faces a problem of homogeneity of intensity of vibrations on the whole of the face of the sonotrode intended to be in contact with the workpiece. it might seem interesting to simply join a piece of large lateral dimensions in a plane (X, Z) greater than the conventional diameter of a sonotrode, the vertical axis of the acoustic assembly corresponding to the Y axis. However, it is pointed out that in this case there is a problem of uniformity of displacement of U-ray waves of amplitude Uy along the Y axis, leading to a bending mode at the level of the base intended to be contact with the part to be machined.

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, 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. Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire comporte en outre un second gradient décroissant permettant d'amplifier les vibrations 5 générées au niveau de la base. Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire comprend une partie concave. Selon une variante de l'invention, le profil de la partie concave est de type parabolique. 10 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 aux dimensions latérales de la partie longitudinale. 15 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, l'intérêt de ce type de sonotrode permettant un usinage transverse 20 pour usiner des pièces dans des dimensions parallèles à l'axe longitudinal de la sonotrode. Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale présente à son extrémité supérieure une surface concave permettant de transmettre un maximum de vibrations. 25 Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale présente en outre au niveau de son extrémité supérieure une forme conique. Selon une variante de l'invention, la partie longitudinale présente en outre un filetage permettant de solidariser la sonotrode à un amplificateur. Selon une variante de l'invention, la sonotrode est monolithique, 30 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. This is why, in order to respond to this problem of uniformity of the displacement of ultrasonic waves of amplitude Uy at any point in a plane (X, Z), the Applicant proposes a solution in which a coupling of the two modes of vibration is introduced. corresponding respectively to the longitudinal mode propagating in the longitudinal part of the sonotrode and to the mode of bending propagating in the base of the sonotrode. More precisely, the present invention proposes a new type of sonotrode having an intermediate portion between a so-called longitudinal and a so-called basic portion intended to be in contact with the workpiece, thereby ensuring the homogeneous propagation of ultrasonic waves. in a plane parallel to the workpiece and this by introducing a coupling of vibration modes respectively corresponding to the longitudinal mode and the bending mode of the base located in a perpendicular plane. More specifically, the subject of the present invention is a sonotrode made of a material capable of transmitting vibrations and comprising at least a first so-called longitudinal portion having a central axis characterized in that it further comprises an intermediate portion and a portion constituting a base, the intermediate portion having at least a first gradient of lateral dimensions perpendicular to the central axis at least increasing in connection with the base and for propagating vibrations generated at the base with a homogeneous amplitude at any point of the base. According to a variant of the invention, the intermediate portion further comprises a second decreasing gradient for amplifying the vibrations generated at the base. According to a variant of the invention, the intermediate portion comprises a concave portion. According to a variant of the invention, the profile of the concave portion is of parabolic type. According to a variant of the invention, the sonotrode further comprises slots to reduce the weight. According to a variant of the invention, the base has lateral dimensions greater than the lateral dimensions of the longitudinal portion. According to a variant of the invention, the base comprises several sub-parts, a first sub-part having a gradient of increasing lateral dimensions, a second sub-part of significant lateral dimensions, a third sub-part with decreasing gradient of dimensions. lateral, the interest of this type of sonotrode for transverse machining 20 for machining parts in dimensions parallel to the longitudinal axis of the sonotrode. According to a variant of the invention, the longitudinal portion has at its upper end a concave surface for transmitting a maximum of vibrations. According to a variant of the invention, the longitudinal portion further has a conical shape at its upper end. According to a variant of the invention, the longitudinal portion further has a thread for securing the sonotrode to an amplifier. According to a variant of the invention, the sonotrode is monolithic, the three parts being made in the same room. According to a variant of the invention, the intermediate portion and the base are made in at least two parts, the sonotrode further comprising means for fixing the two parts together.

Avantageusement, 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 5 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. 10 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 15 en ce qu'elle comporte en outre une sonotrode selon l'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 à usinage ultrasonore comprend en outre des moyens en alimentation de fluide chargé 20 de particules abrasives. Advantageously, the base further comprises small-sized elements for collective machining of small parts with a great homogeneity of machining. According to one variant of the invention, the fastening means are of the screwing or threading or gluing type. According to a variant of the invention, the sonotrode comprises at least longitudinal and intermediate parts of steel. According to a variant of the invention, the sonotrode comprises at least longitudinal and intermediate parts of aluminum. According to a variant of the invention, the sonotrode comprises at least longitudinal and intermediate portions of titanium. According to a variant of the invention, the base is made of silicon. The invention also relates to an ultrasonic machining machine comprising a generator, a transducer and an amplifier characterized in that it further comprises a sonotrode according to the invention. According to a variant of the invention, the lateral dimensions of the sonotrode are greater than the lateral dimensions of the amplifier. According to a variant of the invention, the ultrasonic machining machine further comprises means for supplying fluid loaded with abrasive particles.

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 ; 25 30 35 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 5 gradients de dimensions latérales ; la figure 8 illustre un exemple de machine à usinage ultrasonore abrasif comportant une sonotrode selon l'invention. The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended figures in which: FIG. 1 illustrates an acoustic assembly using a sonotrode according to the known art; FIG. 2 schematizes a sonotrode according to the invention; Figure 3 illustrates a sonotrode of large dimensions according to the invention connected to an amplifier; Figures 4a, 4b and 4c illustrate modified forms at the upper surface of the sonotrode intended to be connected to an amplifier; FIG. 5 illustrates a first example of a sonotrode according to the invention comprising a tapped hole for fixing with an amplifier; Fig. 6 illustrates a second example of a sonotrode having slit-type perforated parts; Figure 7 illustrates a third example of a sonotrode having a complex base having three sub-portions with 5 gradients of lateral dimensions; FIG. 8 illustrates an example of an abrasive ultrasonic machining machine comprising a sonotrode according to the invention.

De manière générale, la sonotrode peut présenter une symétrie de 10 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,Z) comme illustré en figure 2. La sonotrode comporte plus précisément une première partie dite longitudinale PI, présentant un axe central caractérisée en ce qu'elle 15 comporte en outre une partie intermédiaire Pi et une partie constituant une base Pb, la partie intermédiaire comportant au moins un premier gradient Gl 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 20 second gradient G2 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 25 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. 30 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 I 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. In general, the sonotrode may have a symmetry of revolution about a central longitudinal axis C, at least a first gradient of lateral dimensions and preferably also a second gradient of lateral dimensions, ie in the plane (X, Z) As illustrated in FIG. 2, the sonotrode more precisely comprises a first so-called longitudinal portion PI, having a central axis characterized in that it furthermore comprises an intermediate part Pi and a part constituting a base Pb, the intermediate part comprising at least a first gradient Gl of lateral dimensions perpendicular to the central axis at least increasing in connection with the base and for propagating vibrations generated at the base with a constant amplitude at any point of the base, a second gradient G2 of lateral dimensions to amplify the vibrations. The combination of these two gradients generates a throat-like configuration as shown in FIG. 3. The length of the sonotrode is, in known manner, adapted to the half-wavelength of vibration generated by the transducer whose ultrasonic machine is equipped. and in which the sonotrode must be integrated. By way of example, taking the lower face of the base of the sonotrode as the origin along the Y axis, the top of the sonotrode is at an ordinate of 130 mm, the top of the throat at an ordinate of 125, 7 mm and the bottom of the throat at an ordinate of 86.7mm. The sonotrode as shown diagrammatically in FIG. 3 has an upper surface of the plane longitudinal part, nevertheless the applicant has shown that this surface could be optimized so as to reinforce the amplification of the ultrasonic waves in the longitudinal part of the sonotrode having dimensions Important, the upper surface I being that intended to be connected with an amplifier of the type shown in Figure 1. Figure 3 thus illustrates the amplifier / sonotrode assembly in a configuration of sonotrodes large.

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. When passing from one diameter to another, the amplitude of the vibration decreases regardless of the choice of modification to be made, because the factor (or coefficient) of mechanical amplification K is less than 1 for the optimization of the displacement. ultrasonic waves of given amplitude, in this case there is no question of increasing it, but rather to lose the minimum possible. Different types of modifications are possible at the level of the amplifier / sonotrode link. FIGS. 4a, 4b and 4c respectively illustrate conical, concave two-cylindrical and convex two-cylinder modifications for the upper part Es of the 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. Thanks to the evaluation of the mechanical amplification coefficient still called CAM and referenced K or its inverse 1 / K which represents the mechanical amplification, it is possible to define the most suitable form.

Le tableau ci-après récapitule les différents CAM obtenus avec 20 les différentes formes envisagées. Forme K ù Al (amplitudeùaval) / A2 1/ K (amplitude ùaval) Conique (D1/D2) 1 (D~/D2) 1 Bicylindrique concave (D1/D2)2 < 1 (D~/D2)2 > 1 Bicylindrique convexe (D1/D2) p < 1 (D~/D2) > 1 La modification bicylindrique convexe présente le CAM , bien que inférieur à 1, le plus important comparé aux deux autres types de 25 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 30 géométries d'arrondi. The table below summarizes the different CAMs obtained with the various forms envisaged. Form K ù Al (amplitudeùaval) / A2 1 / K (amplitude ùaval) Conic (D1 / D2) 1 (D ~ / D2) 1 Concave two-cylinder (D1 / D2) 2 <1 (D ~ / D2) 2> 1 Bicylindrical convex (D1 / D2) p <1 (D ~ / D2)> 1 The convex bicylindrical modification has the CAM, although less than 1, the most important compared to the two other types of modifications, making it possible to optimize satisfactorily the business trip. The parabolic forms of the 2y = ax type give a better optimization of the displacement but correspond to forms which are more restrictive in terms of machining technical constraints than the rounding geometries.

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, ... Advantageously, it can be retained the rounded quarter-circle whose radius is to be adjusted according to the diameter of the sonotrode for example 2 inches or 3 inches or 4 inches, ...

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. To be able to be fixed to the amplifier, the sonotrode 3 may moreover advantageously comprise, in its upper part Es, fastening means of the tapped hole type T as represented in FIG. 5. By way of example, the sonotrode of the invention can thus presenting a concave-shaped groove of cylindrical shape and having a diameter base of 76.2 mm with a diameter at the base of 30.13 mm and a threaded hole for attachment to an amplifier, the tapped hole having a depth of 19.5 mm.

II peut être également particulièrement intéressant de prévoir une 15 forme conique à l'extrémité supérieure de manière à pouvoir emboîter de façon coopérative l'amplificateur dans la sonotrode. It may also be particularly advantageous to provide a conical shape at the upper end so that the amplifier can be cooperatively engaged in the sonotrode.

Par ailleurs avec des sonotrodes de grandes dimensions pouvant atteindre 4 pouces de dimensions latérales, voire au-delà, on peut 20 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 25 fentes Fi permettant d'ajourer ladite sonotrode. Moreover, with large sonotrodes of up to 4 inches in lateral dimensions, or even beyond, sonotrode weights of the order of seven kilograms can be typically achieved. Therefore, it may be particularly helpful to try to reduce the weight. In a variant of the invention, it is thus proposed to partially open the longitudinal portion as illustrated in FIG. 6, which shows an example of rotationally symmetrical sonotrodes with, for example, slots F 1 for opening said 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 30 pouvoir transporter les ondes mécaniques. Des matériaux tels que l'acier, l'aluminium ou le titane sont particulièrement bien adaptés. II 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, 35 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. II 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. In general, the sonotrodes described may be of monobloc type made in one piece or be made of two linked parts and be designed in material sufficiently rigid to be able to transport the mechanical waves. Materials such as steel, aluminum or titanium are particularly well suited. There are indeed applications in which it is advantageous to make a base in a material different from that constituting that constituting the intermediate portion and the longitudinal portion. Indeed, in the case of a collective process for producing parts of very small dimensions (of the order of a hundred microns), it is advantageous to use a silicon base of large dimensions, approximately of the order of 4 inches. or more, with small pins allowing to drill holes of small dimensions. This type of base is easily achievable in silicon type materials and can be achieved in particular by Liga UV or plasma etching techniques. In the case of non-monolithic sonotrode, it is necessary to fix all the parts together. To do this, it is possible to use an epoxy glue or to carry out a brazing operation with a silver-based mixture. It is advisable to use a material or mixture of materials sufficiently malleable to transmit the vibrations. This is why it is preferable to carry out soldering operations rather than welding operations.

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. According to another variant of the invention, the sonotrode may advantageously comprise a complex base for performing a transverse machining. FIG. 7 illustrates an example of this type of sonotrode, presenting at the level of the widened disk-shaped base with respect to the longitudinal part, an end E 1, for balancing the disk used for the transverse machining. The periphery of the disk corresponding to a lateral end E1 makes it possible to machine parts that would be positioned in vertical planes.

Les sonotrodes de l'invention peuvent ainsi avantageusement être 25 utilisées pour usiner de manière directe des pièces en matériaux durs ou en utilisant un abrasif pour usiner tout type de matériaux plus souples. The sonotrodes of the invention can thus advantageously be used to directly machine parts made of hard materials or by using an abrasive to machine any type of softer material.

Exemple de machine à usinage ultrasonore abrasif utilisant une sonotrode de l'invention : 30 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 5 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 10 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 15 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) Il est également prévu une caméra implémentée sur l'axe Z pour visualiser une empreinte, afin de régler le positionnement de la tête de la 20 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. 25 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. Example of a machine with abrasive ultrasonic machining using a sonotrode of the invention: This machine comprises the following components: 1) A power supply consisting of a low frequency generator, adjustable in power. 2) An ultrasonic source vibrating at frequencies of 20, 35, 40 KHz and comprising a disk type transducer in PZT. The transducer is coupled to an amplifier still commonly referred to as a Booster which may be made of titanium or steel. 3) A sonotrode according to the invention of optimized shape having a groove with a symmetry of revolution and dimensions of the so-called basic portion of several inches. 4) Fixing means of the parts between them and on a central frame: it is thus provided means for fixing the amplifier on the frame, in an optimized position (for example with three pins, corresponding to a zero point of constraint ) and means for fixing the sonotrode 10 to the amplifier, of the clamping bolt type, or any other. 5) Means for positioning and centering the sonotrode relative to the workpieces: more specifically, it can advantageously be provided disengaging means for positioning the sonotrode facing the workpiece, and positioning means in RZ 15 of the sonotrode in case of connection of parts for centering function, it may in particular be manual adjustment means of the type of clamping system such as clamping studs. 6) There is also provided a camera implemented on the Z axis to view a fingerprint, in order to adjust the positioning of the sonotrode head on the object to be machined. 7) means for positioning the translation horn TZ comprising a TZ table and a lever and counterweight system coupled to the TZ table. 8) Means for positioning and management of workpieces. 9) Abrasive flow management means comprising a carrier fluid of the water or solvent type and abrasive particles, the nature of which (boron carbide, diamond, silicon carbide, etc.) and the particle size of the grains abrasive, are adapted to the shape of the workpieces.

30 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 Bo. La sonotrode 3 de l'invention est fixée à un ensemble amplificateur/ 35 transducteur 2, l'ensemble étant solidarisé à une table rotative 4. FIG. 8 illustrates more precisely an example of an ultrasonic machining machine comprising a sonotrode according to the invention and dedicated means for controlling the descent of the sonotrode on the workpiece Pu located on a support Bo. The sonotrode 3 of the invention is attached to an amplifier / transducer assembly 2, the assembly being secured to a rotary table 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 ~o 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 15 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 20 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 25 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 11 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 io 30 de perte de contact significative d'un problème et adresse via un automate de commande 14, une information il 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. 35 It can also be provided means ensuring the positioning and centering of the sonotrode relative to the workpieces: more specifically, there is provided disengaging means for positioning the sonotrode facing the workpiece, and means of positioning in RZ of the sonotrode in case of connection of parts for centering function, it may in particular be manual adjustment means of the type of clamping system such as clamping studs. These means can advantageously be associated with a camera implemented on the Z axis to visualize a fingerprint, in order to adjust the positioning of the head of the sonotrode on the object to be machined. The reading of a shot, following an imprint made on the surface of the workpiece can lead to reorient the sonotrode so as to achieve the shape actually desired after reorientation by means of RZ. The transducer / sonotrode assembly is also attached to an intermediate part 5 located along the X axis perpendicular to the Z axis, connected to a mechanical part 7, itself located along the Z axis and providing a mechanical function. link with a marble 6, connected to a counter-weight system 10 via a pulley 8 which makes it possible to compensate for the weight of the assembly at the level of the machining sonotrode, thereby constituting a lever system and counter-weight coupled to the TZ table. For example, if the weight of the assembly integrating the sonotrode is 15 kilograms, the counterweight weight may be of the order of 14 kilograms. The TZ table then has a weight to bear of 1 kilogram. The mechanical connecting piece 5 is also integral with the control sensor 25 and position 10. The sensor may in particular be fixed to said piece by an upper nut and a lower nut not shown. This sensor is in contact with a bar-type part coupled to the TZ table referenced 13, via a mechanical part 12. As soon as the contact is no longer ensured, the entire device integrates a loss-of-use information. significant contact of a problem and address via a controller 14, information he modification of the control of the travel of the table in TZ so the descent of the sonotrode, typically it may be a set of speed reduction. 35

Claims

REVENDICATIONS1. Sonotrode material capable of transmitting vibrations and comprising at least a first so-called longitudinal portion (PI) having a central axis (C) characterized in that it further comprises an intermediate portion (Pi) and a portion constituting a base (Pb ), the intermediate portion comprising at least a first gradient (Gi) of lateral dimensions perpendicular to the central axis at least increasing in connection with the base and for propagating vibrations generated at the base with a homogeneous amplitude at any point from the base.

2. Sonotrode according to claim 1, characterized in that the intermediate portion comprises a second gradient (G2) decreasing from the longitudinal portion and for amplifying the vibrations generated at the base.

3. sonotrode according to claim 2, characterized in that the intermediate portion comprises a concave portion.

4. sonotrode according to claim 3, characterized in that the profile of the concave portion is of parabolic type.

5. Sonotrode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the base comprises a plurality of sub-parts, a first sub-part being of increasing gradient of lateral dimensions, a second sub-part of significant lateral dimensions, a third sub-portion with decreasing gradient of lateral dimensions, allowing transverse machining to machine parts in dimensions parallel to the longitudinal axis of the sonotrode.

6. Sonotrode according to one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises slots to reduce weight.20

7. sonotrode according to one of claims 1 to 6, characterized in that the base has lateral dimensions greater than or equal to 2 inches.

8. sonotrode according to one of the preceding claims characterized in that the longitudinal portion has at its upper end a concave surface for transmitting a maximum of vibration.

9. sonotrode according to one of the preceding claims characterized in that the longitudinal portion further has at its upper end a conical shape.

10. Sonotrode according to claim 9, characterized in that the longitudinal portion further has a thread for securing said sonotrode to an amplifier.

11. Sonotrode according to one of claims 1 to 10, characterized in that it is monolithic, the three parts being made in the same room.

12. sonotrode according to one of claims 1 to 11, characterized in that the intermediate portion and the base are formed in at least two parts, the sonotrode further comprising means for fixing the two parts together.

13. Sonotrode according to claim 12, characterized in that the base further comprises small-sized elements for collective machining of small parts with a high homogeneity of machining.

14. sonotrode according to one of claims 12 or 13, characterized in that the fastening means are of screwing or threading or gluing type. 30

15. Sonotrode according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least longitudinal and intermediate steel parts.

16. sonotrode according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least longitudinal and intermediate parts of aluminum and titanium.

17. Sonotrode according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least longitudinal and intermediate portions of titanium.

18. sonotrode according to one of claims 12 to 17, characterized in that the base is silicon.

19. Ultrasonic machining machine comprising a generator, a transducer and an amplifier, characterized in that it comprises a sonotrode according to one of the preceding claims. 20

20. ultrasonic machining machine according to claim 19, characterized in that the lateral dimensions of the sonotrode are greater than the lateral dimensions of the amplifier.

21. ultrasonic machining machine according to one of claims 19 19 or 20, characterized in that it further comprises means for supplying fluid loaded with abrasive particles. 15 30