Comment la fabrication moderne parvient-elle à une précision presque parfaite ? Les techniques d'usinage d'ultraprécision permettent d'obtenir une précision étonnante, atteignant des niveaux inférieurs au micron et au nanomètre. Cet article explore des méthodes telles que la coupe, la rectification et le rodage de haute précision, ainsi que des technologies de traitement spéciales. Les lecteurs découvriront les outils et les technologies qui rendent possible une telle précision, ainsi que les industries qui bénéficient de ces avancées.
L'usinage d'ultra-précision fait référence aux processus de fabrication de précision qui permettent d'atteindre des niveaux extrêmement élevés de précision et de qualité de surface. Sa définition est relative et évolue en fonction des progrès technologiques.
Actuellement, cette technique permet d'obtenir des dimensions et des formes inférieures au micron, voire au nanomètre, avec une rugosité de surface à l'échelle du nanomètre. Les méthodes d'usinage d'ultraprécision comprennent la coupe d'ultraprécision (comme le tournage et le fraisage d'ultraprécision), la rectification d'ultraprécision, le rodage d'ultraprécision et le traitement spécial d'ultraprécision.
La découpe ultra-précise implique principalement le tournage avec des outils diamantés, principalement utilisés pour l'usinage d'alliages non ferreux, de verre optique, de marbre et de matériaux non métalliques tels que les panneaux en fibre de carbone. La haute précision obtenue dans la découpe ultra-précise est due à la faible affinité entre les outils diamantés et les alliages non ferreux, ainsi qu'à leur excellente dureté, leur résistance à l'usure et leur conductivité thermique.
En outre, dans la découpe de haute précision, des coussinets d'air de haute précision, des guides flottants, des composants de détection de positionnement et des mesures telles que la température constante, l'isolation des vibrations et l'amortissement des vibrations sont adoptés.
Cela garantit une valeur de rugosité de surface Ra inférieure à 0,025μm et une précision géométrique allant jusqu'à 0,1μm, ce qui rend la découpe ultra-précise de plus en plus populaire dans l'aérospatiale, l'optique et les applications civiles, évoluant vers une plus grande précision.
Le meulage d'ultra-précision est une méthode de traitement au niveau sub-micronique, progressant vers le niveau nanométrique. Il s'agit d'une méthode de rectification qui permet d'obtenir une précision de traitement de 0,1μm ou plus et une valeur de rugosité de surface Ra inférieure à 0,025μm, adaptée au traitement de matériaux durs et cassants tels que l'acier, la céramique et le verre.
Les processus traditionnels de rectification et de polissage peuvent être éliminés grâce à la rectification de haute précision pour obtenir la rugosité de surface requise. Outre la précision des formes et des dimensions géométriques, la rectification de haute précision permet d'obtenir une rugosité de surface semblable à celle d'un miroir.
Le rodage d'ultra-précision comprend le rodage mécanique, le rodage chimico-mécanique, le rodage flottant, l'usinage par émission élastique et le rodage magnétique. La tolérance de battement sphérique des pièces traitées par rodage ultra-précis peut atteindre 0,025μm, et la valeur Ra de la rugosité de surface peut atteindre 0,003μm.
Les conditions clés pour un rodage ultra-précis sont un contrôle précis de la température, un traitement sans vibration, un environnement propre et des particules abrasives petites et uniformes. Des méthodes de détection de haute précision sont également indispensables.
La technologie de traitement spécial d'ultra-précision est internationalement reconnue comme l'une des technologies les plus prometteuses du 21e siècle. Il s'agit de méthodes de traitement qui utilisent des formes d'énergie telles que l'énergie électrique, thermique, optique, électrochimique, chimique, acoustique et mécanique spéciale pour enlever ou ajouter de la matière.
Les principaux objets d'application comprennent les matériaux difficiles à traiter (comme les alliages de titane, l'acier inoxydable résistant à la chaleur, l'acier à haute résistance, les composites, les céramiques techniques, le diamant, le rubis, le verre trempé et d'autres matériaux à haute dureté, à haute ténacité, à haute résistance et à point de fusion élevé), les pièces difficiles à traiter (comme les cavités tridimensionnelles complexes, les trous, les groupes de trous et les fentes étroites), les pièces à faible rigidité (comme les pièces à parois minces, les éléments élastiques) et les procédés qui permettent le soudage, le découpage, la réalisation de trous, la pulvérisation, la modification de surface, la gravure et le traitement fin à l'aide de faisceaux à haute densité d'énergie.
Ces méthodes de traitement comprennent la technologie de traitement au laser, la technologie de traitement par faisceau d'électrons, la technologie de traitement par faisceau d'ions et plasma, la technologie de traitement électrique, etc.
Le traitement au laser implique qu'un générateur laser concentre une lumière laser à haute densité énergétique sur la surface d'une pièce. L'énergie lumineuse absorbée se transforme instantanément en énergie thermique qui, en fonction de sa densité, permet de réaliser des perforations, des découpes de précision et la production de micro-marques anti-contrefaçon.
Avec le développement rapide de l'équipement et de la technologie de traitement laser, des lasers à haute puissance de plus de 100 kW et des lasers à l'état solide à faisceau élevé de l'ordre du kilowatt sont apparus, équipés de fibres optiques pour des travaux multipostes et à longue distance.
En raison de la puissance élevée et du niveau d'automatisation de l'équipement de traitement laser, le contrôle CNC et la liaison multi-coordonnées sont largement adoptés et équipés de systèmes auxiliaires tels que le contrôle de la puissance du laser, la mise au point automatique et l'affichage sur la télévision industrielle. À l'heure actuelle, le diamètre minimal du trou obtenu par perçage laser est de 0,002 mm, la vitesse de découpe laser des matériaux fins peut atteindre 15 m/min et l'écart de découpe n'est que de 0,1 à 1 mm.
Les applications du renforcement de surface par laser, de la refonte de surface, de l'alliage et de la technologie de traitement amorphe sont de plus en plus répandues, et le micro-traitement par laser dans les domaines de l'électronique, de la biologie et de l'ingénierie médicale est devenu une technologie de traitement spécial irremplaçable.
Le traitement par faisceau d'électrons consiste à émettre en continu des électrons négatifs de la cathode vers l'anode dans le vide. Les électrons s'accélèrent et se concentrent en un faisceau d'électrons très fin et à haute densité énergétique pendant la transition entre la cathode et l'anode. Lorsque les électrons à grande vitesse touchent la surface de la pièce, leur énergie cinétique se transforme en énergie thermique, provoquant la fusion et la vaporisation du matériau, puis son extraction du vide.
Le contrôle de la force et de la direction de déviation du faisceau d'électrons, combiné au déplacement de la commande numérique de l'établi dans les directions x et y (à l'aide de la commande numérique et de la liaison multi-coordonnées), permet de réaliser des opérations de poinçonnage, de découpage par formage, de gravure, d'exposition par photolithographie et d'autres processus.
La technologie de traitement par faisceau d'électrons est en train de mûrir au niveau international et est largement utilisée pour le soudage combiné de grandes structures de composants porteurs principaux tels que les fusées de lancement et les engins spatiaux, ainsi que pour la fabrication de pièces structurelles importantes telles que les poutres d'avions, les cadres, les composants de trains d'atterrissage, les rotors intégraux de moteurs, les carters, les arbres de puissance et les cuves sous pression d'appareils nucléaires.
La fabrication de circuits intégrés adopte aussi largement l'exposition photolithographique par faisceau d'électrons, dont la longueur d'onde est beaucoup plus courte que celle de la lumière visible, ce qui permet d'obtenir une résolution du motif de ligne de 0,25μm.
Le traitement par faisceau d'ions consiste à accélérer et à focaliser les ions produits par une source d'ions dans le vide pour qu'ils atteignent la surface d'une pièce à usiner. Par rapport au traitement par faisceau d'électrons, les ions portent une charge positive et leur masse est des millions de fois supérieure à celle des électrons, ce qui leur permet d'acquérir une plus grande énergie cinétique après l'accélération.
Ils s'appuient sur l'énergie d'impact mécanique microscopique plutôt que sur la conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique pour traiter la pièce. Le traitement par faisceau d'ions peut être utilisé pour la gravure de surface, le nettoyage ultra-propre et la découpe au niveau atomique/moléculaire.
L'usinage par microdécharge électrique implique l'enlèvement de métal dans un fluide de travail isolant grâce à une température élevée localisée causée par une décharge d'étincelles pulsées entre une électrode d'outil et une pièce à usiner. Le processus n'implique pas de forces de coupe macroscopiques ; un contrôle précis de l'énergie de la décharge à impulsion unique, combiné à une micro-alimentation précise, permet d'enlever des matériaux métalliques extrêmement fins.
Il peut traiter des micro-arbres, des trous, des fentes étroites, des surfaces planes et incurvées. La mise en forme par électroérosion et la découpe par fil haut de gamme peuvent offrir une précision de traitement de niveau micrométrique, capable de traiter un micro-arbre de 3um et un trou de 5μm.
Le traitement microélectrolytique consiste à décomposer l'eau en ions hydrogène et en ions hydroxyle dans un fluide de travail conducteur. Les atomes de métal à la surface de la pièce, qui sert d'anode, deviennent des cations métalliques et se dissolvent dans l'électrolyte, où ils sont progressivement électrolysés. Ils réagissent ensuite avec les ions hydroxyles de l'électrolyte pour former des précipités d'hydroxydes métalliques, tandis que la cathode de l'outil ne s'use pas.
Il n'y a pas non plus de forces de coupe macroscopiques entre l'outil et la pièce à usiner au cours du processus de traitement. En contrôlant précisément la densité du courant et l'emplacement de l'électrolyse, il est possible d'obtenir un traitement électrolytique d'une précision de l'ordre du nanomètre, et la surface ne subira pas de contraintes de traitement.
Le traitement microélectrolytique est souvent utilisé pour le polissage des miroirs, l'amincissement de précision et les situations nécessitant un traitement sans contrainte. Les applications du traitement électrolytique sont vastes et s'étendent des pales et des roues intégrales aux boîtiers, aux composants des anneaux de disque et au traitement des petits trous profonds.
Les miroirs métalliques réfléchissants de haute précision peuvent être traités par électrolyse. Actuellement, la capacité maximale de courant des machines de traitement électrolytique a atteint 50 000 A, et le contrôle CNC et le contrôle adaptatif multiparamétrique ont été mis en œuvre.
Le traitement composite fait référence aux technologies de traitement qui utilisent plusieurs formes d'énergie et méthodes différentes, en combinant leurs avantages, par exemple le broyage électrolytique, le traitement électrolytique par ultrasons, le broyage électrolytique par ultrasons, la décharge électrique par ultrasons, le découpage par ultrasons, etc.
Le traitement composite est plus efficace et a un champ d'application plus large que les méthodes de traitement individuelles.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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