Dispositif à outil vibrant La présente invention a pour objet un dispositif à.outil vibrant, comportant au moins un transformateur à impédance acoustique pour amplifier l'amplitude d'un mouvement vibra toire.
Tel qu'il est pratiqué couramment, on fait vibrer un outil à des fréquences ultra- soniques et on appuie son extrémité contre la pièce à travailler, tout en faisant couler un liquide contenant un abrasif finement divisé autour de l'extrémité de l'outil vibrant et sur la pièce adjacente à travailler. Le dispositif permettant dé mettre en aeuvre ce procédé comprend un élément entraîneur, consistant en un transducteur électromécanique approprié ou générateur de vibrations ultrasoniques, par exemple un transducteur à magnétostriction, un porte-outil relié à l'élément entraîneur, de préférence d'une manière amovible, et un outil fixé sur le porte-outil.
Pour obtenir les meil leurs résultats, la longueur totale de l'élément entraîneur, du support d'outil et de l'outil doit être telle, par rapport à la fréquence des ondes de compression engendrées par le transducteur, qu'un ventre de vibration se présente sensible ment à l'extrémité active de l'outil. Le porte outil est construit de préférence de manière à amplifier l'amplitude des vibrations, afin de soumettre l'extrémité de l'outil à des vibrations d'une amplitude maxima.
Différents problèmes se sont présentés quand on a tenté de construire un dispositif, du type décrit brièvement plus haut, qui puisse convenir à une grande variété d'opérations d'usinage, n'exige que des modifications aussi réduites que possible pour être utilisé avec des outils de formes et de dimensions différentes, transmette et amplifie les ondes de compression sans rupture mécanique dans les sections d'ef fort maximum, et enfin utilise efficacement la puissance fournie.
On va résumer brièvement ces problèmes, dont la résolution est le but de la présente invention.
Quand on utilise un porte-outil conique, dont la conicité est exponentielle et dont la longueur est égale approximativement à une demi-longueur d'onde, ou à un multiple de la demi-longueur d'onde de la matière dont il est formé, pour la fréquence de fonctionnement (comme on le voit sur la fig. 4 annexée), l'am plification maximum que l'on peut donner à l'amplitude des vibrations est égale à la racine carrée du rapport entre la surface transversale maximum et la surface transversale minimum du porte-outil.
Si une application particulière exige un outil à surface transversale relative ment grande, une porte-outil ou transformateur de ce type ne donne pas satisfaction parce qu'une trop grande surface serait nécessaire à son extrémité d'entrée pour réaliser une ampli fication appréciable quelconque. En outre, même quand on utilise des outils à faible sur face transversale, l'effort maximum dans un porte-outil conique se produit dans une région de surface transversale relativement faible, et non en un point nodal, en affaiblissant ainsi mécaniquement le porte-outil.
Le dispositif faisant l'objet de la présente invention est caractérisé en ce que ledit trans formateur comprend au moins deux sections de masses sensiblement différentes alignées axialement, en ce que la surface transversale moyenne d'une section est plus grande que la surface transversale moyenne de l'autre section, chaque section ayant une configuration symé trique et une longueur acoustique effective sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde appliquée, et en ce qu'il présente une discontinuité marquée dans sa configuration géométrique à la jonction des deux sections.
On a constaté en effet que si un transfor mateur à impédance acoustique d'une longueur égale à une demi-longueur d'onde est divisé en sections ayant sensiblement comme longueur un quart de longueur d'onde acoustique, les masses relatives des sections affectent l'ampli tude des vibrations à l'extrémité de sortie dans le rapport entre la surface transversale à l'ex trémité d'entrée et la surface transversale à l'extrémité de sortie.
Les jonctions entre les sections successives du transformateur sont réalisées de préférence par des surfaces courbes se raccordant pro gressivement. On peut ajouter une matière de renforcement aux jonctions entre les sections successives, là où ces jonctions correspondent au plan nodal de l'onde appliquée. Une ou plusieurs des sections successives peuvent avoir une forme générale cylindrique. Cependant, une section au moins peut être conique si on le désire.
Le dispositif peut également prévoir un train de transformateurs reliés acoustique- ment. Puisque, comme on l'a indiqué, l'ampli fication réalisée est égale au rapport entre les surfaces transversales d'entrée et de sortie, on peut réaliser une plus grande efficacité, par comparaison avec les transformateurs coniques dans lesquels le rapport d'amplification est égal à la racine carrée du rapport des surfaces trans versales correspondantes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, une forme d'exécution du dispositif à outil vibrant selon l'invention.
La fig. 1 est une vue latérale et partielle ment en coupe de cette forme d'exécution du dispositif.
La fig. 2 est une vue analogue dans son ensemble à la fig. 1, mais avec une variante de détail.
La fig. 2a est une vue partielle prise sui vant la ligne 2a-2a de la fig. 2.
La fi-. 3 est une vue semblable aux fig. 1 et 2 d'une autre variante.
Les fig. 4 et 5 sont des schémas de trans formateurs à impédance acoustique et des gra phiques explicatifs.
Les fia. 6, 7, 8 et 9 sont des vues latérales de quatre formes d'exécution différentes du transformateur à impédance acoustique que comprend le dispositif selon l'invention.
La fig. 10 est une vue en perspective d'une autre forme d'exécution de transformateur à impédance acoustique.
La fig. 11 représente un outil convenant particulièrement pour percer des trous pro fonds.
La fi-. 12 est une coupe horizontale d'un outil destiné particulièrement à des opérations de meulage ou rectification, et représente aussi schématiquement un moyen pour réaliser un déplacement macroscopique de la pièce par rapport à l'outil.
Il est plus commode de se référer avant tout aux figures schématiques représentant les dif férents types de transformateurs à impédance acoustique, c'est-à-dire aux fig. 4 à 10.
Sur la fig. 4, un transformateur conique à impédance acoustique et à profil exponentiel d'un type connu est représenté schématique- complètement matérialisé en pratique; en effet, quand on ajoute ou quand on retranche une masse au voisinage de la jonction des sections, par exemple en prévoyant dans cette région des surfaces courbes se raccordant progressive ment ou en ajoutant une collerette radiale, on constate qu'aucun changement appréciable n'apparaît dans le rapport d'amplification, pourvu que cette nouvelle distribution des masses soit limitée à une longueur relativement courte de chaque section,
par exemple à 10%, de la longueur d'une section. L'addition d'une masse ou la nouvelle distribution des masses au voisinage du plan nodal supprime la dis continuité existant dans la courbe des efforts axiaux du transformateur idéal à deux sections de la fig. 5, sans affecter sensiblement la coïn cidence du plan nodal et du plan d'effort maxi mum ; de plus, quand on ajoute une masse, la résistance mécanique est augmentée dans ce plan.
L'avantage d'une ligne de transmission ou transformateur à deux sections apparaît main tenant ; non seulement l'amplification est aug mentée, mais on obtient aussi la coïncidence du plan nodal et du plan d'effort maximum. Ce dernier résultat signifie qu'un renforcement peut être prévu dans la région de l'effort maxi mum sans interférer d'une manière appréciable avec la transmission appropriée des vibrations longitudinales.
Dans l'explication précédente des transfor mateurs à sections multiples, on a supposé jus qu'à présent que chaque section était cylin drique. En réalité, il n'est pas nécessaire que les sections soient cylindriques, car les mêmes principes généraux s'appliquent, quels que soient les contours transversaux particuliers des sections. C'est pour cette raison qu'on a écrit l'équation particulière (2), dans laquelle entrent les diamètres des sections transversales d'entrée et de sortie, sous la forme plus géné rale de l'équation (3) donnant une relation entre les surfaces des sections transversales d'entrée et de sortie.
En se référant à l'équa tion (3), on voit donc que la forme du géné rateur non cylindrique 2" de la fig. 3 sert aussi à introduire une amplification d'amplitude, grâce à la différence entre les masses des deux sections de ce générateur.
Quand on veut construire un transforma- t ur à sections multiples, il n'est pas nécessaire d'adopter deux sections analogues ; autrement dit, on peut profiter à la fois de l'amplification fournie par la conicité, comme dans le trans formateur à section unique de la fi-. 4, et de l'amplification résultant de l'effet de masse, comme dans le transformateur à deux sections de la fig. 5. On a constaté dans de nombreux cas que des combinaisons de sections cylin driques et de sections coniques pouvaient être particulièrement intéressantes.
Les fig. 6, 7, 8, 9 et 10 représentent schématiquement des transformateurs à sections multiples, dans les quels l'amplification d'amplitude est obtenue au moins partiellement par l'effet de masse.
La fig. 6 représente un transformateur comportant une section cylindrique d'entrée 70 d'un diamètre DI et une section conique 72 dont le diamètre maximum est égal à D,3 et le diamètre minimum à D2. La longueur de la section 70 correspond à un quart de la lon gueur d'onde des ondes de compression pour la fréquence de résonance du transformateur, ou tout simplement Ll = c/4f (4) c étant la vitesse du son dans la matière consti tuant le transformateur, f étant la fréquence des ondes de compression et LI étant la lon gueur de la section 70.
La longueur acoustique efficace de la section 72 est aussi égale à un quart de longueur d'onde et cette longueur dépend de la conicité. Exprimée mathémati quement, la longueur efficace L2 de la section 72 peut être tirée de l'équation Dl/D2 = exp. (T L2) (5) T étant la constante de conicité du transfor mateur.
Le rapport d'amplification M du trans formateur de la fig. 6 est donné par l'expression suivante M = Di2/D.D2 (6) Dans un transformateur tel que celui de la fig. 6, des rapports d'amplification extrêmement ment en 64 ; on suppose que des ondes de compression sont établies dans ce transforma teur de manière qu'un ventre de vibration s'éta blisse à chaque extrémité. Dans un tel trans formateur, il est bien connu que l'amplitude des vibrations à la petite extrémité, c'est-à-dire à l'extrémité de sortie, est plus grande qu'à l'extrémité d'entrée.
Si on appelle M le rapport d'amplification, on a pour un tel élément conique la relation M = K Dl/D2 (1) dans laquelle K est une constante (égale théo riquement à l'unité), tandis que<B>Dl</B> et D., sont respectivement les diamètres d'entrée et de sortie. Le plan transversal où le n#ud de vibra tion se présente dans un tel élément est le plan qui divise l'élément en deux masses égales. Ce plan est indiqué sur la fig. 4 par la ligne N.
On peut démontrer mathématiquement que les plans de l'effort axial maximum dans un tel transformateur ne coïncide pas avec le plan nodal, mais est décalé par rapport au plan médian C de l'élément, vers la petite extrémité du transformateur, d'une distance d égale à la distance entre le plan nodal et le plan médian. La courbe a du graphique de la fig. 4 repré sente l'amplitude de vibration en un point quel conque de l'axe du transformateur, tandis que la courbe s représente d'une manière corres pondante l'effort axial. La courbe a montre que l'amplitude est maximum à la petite extré mité du transformateur conique.
La courbe s montre que l'effort est nul à chaque extrémité du transformateur, c'est-à-dire à chaque ventre de vibration et qu'il est maximum dans le plan S.
On voit ainsi quelles sont les limitations d'un transformateur à impédance acoustique du type à conicité continue. Pour un diamètre donné de sortie D.,, l'amplification réalisable dépend de la mesure dans laquelle on peut agrandir le diamètre d'entrée. Pour de petits diamètres de sortie, l'effort maximum se pré sente dans une section transversale relativement petite, où se trouvent des vibrations longitudi nales et où on ne peut par conséquent prévoir un renforcement. Le transformateur 64 peut être considéré comme un transformateur à sec tion unique et comme un transformateur réa lisant une amplification par sa forme, c'est- à-dire par sa conicité.
La fig. 5 représente schématiquement un transformateur que l'on peut appeler à sec tions multiples 5>, et qui réalise son amplifica tion par un effet de masse. Le transformateur de la fig. 5 comprend deux parties cylindriques 66 et 68 ayant des longueurs égales et des masses différentes. Quand des ondes station naires sont établies dans un tel transformateur, le plan nodal et le plan de l'effort axial maxi mum coïncident à la jonction des deux parties 66 et 68. Ceci est représenté par les courbes a' et s' du graphique de la fig. 5.
Si on appelle encore M l'amplification de l'amplitude, la rela tion caractéristique des transformateurs à deux sections, comme celui de la fi-. 5, est la sui vante M = K Dl2/D,= (2) d'une manière plus générale et applicable éga lement au cas où les sections 66 et 68 ont des contours transversaux non circulaires, la relation précédente peut s'écrire M = K Al/A, (3) <I>Al</I> et<I>A.,</I> étant respectivement les surfaces transversales d'entrée et de sortie.
Dans un transformateur à deux sections, comme celui schématisé sur la fi-. 5, la jonc tion des deux sections constitue le centre dyna mique du système. Puisque les deux sections ont des forces vives égales et opposées, la vi tesse moyenne des particules dans la section de petite masse est plus grande que dans la section de grande masse, et l'amplification du mouvement des particules est donc obtenue quand la section de plus petite masse est la section de sortie. Par suite de la faible vitesse des particules au voisinage d'un plan nodal, la contribution des particules de l'une et l'autre section dans cette région à la force vive totale est faible.
Par conséquent, du point de vue théorique, une nouvelle distribution des masses dans la région nodale ne doit pas affecter sen siblement le rapport d'amplification. Ceci a été élevés peuvent être obtenus très facilement quand D,3 est plus petit que<I>Dl.</I> Cependant, pour obtenir dans ce cas une bonne résistance mécanique, un renforcement doit être prévu à la jonction des sections, et puisque cette jonc tion s'effectue dans un plan nodal de vibration, le renforcement n'affecte pas la transmission correcte des vibrations.
Avec un transformateur à deux sections, comme celui de la fig. 6, on voit que pour un diamètre d'entrée<I>Dl</I> donné, on peut sélectionner un grand nombre de combinaisons de D., et de D,3 pour maintenir la même valeur de M.
Le transformateur de la fig. 7 est analogue à celui de la fig. 6, en ce sens qu'il est consti tué par une section cylindrique et une section conique, mais c'est la section d'entrée 74 qui est conique, tandis que la section de sortie 76 est cylindrique. Les longueurs effectives des deux sections sont obtenues comme dans le cas de la fig. 6, par les équations (4) et (5), l'équa tion (4) donnant la longueur de la section cylin drique, tandis que l'équation (5) donne celle de la section conique.
L'amplification fournie par le transformateur de la fig. 7 est donnée par l'équation M = D,D3/D,2 La fig. 8 représente un transformateur à deux sections, qui est analogue en principe à celui de la fig. 6. II comprend un organe cylin drique 78, qui comporte le long de son axe une cavité conique 80 à profil exponentiel s'étendant vers la section d'entrée à partir de l'extrémité de sortie 82.
L'extrémité intérieure de la cavité 80 se trouve sensiblement dans la région du plan nodal, de sorte que la partie pleine du transformateur, entre ce plan et l'ex trémité d'entrée, constitue une première section cylindrique comme dans le cas de la fig. 6. La surface transversale de la section de sortie va en décroissant et correspond par conséquent à la section conique de sortie du transformateur de la fi-. 6. Ce transformateur de la fig. 8 convient particulièrement pour la trépanation, comme il apparaît aux personnes familiarisées avec cette technique.
Puisque la cavité in terne 80 se termine près du naeud des ondes stationnaires établies dans le transformateur, il est facile de faire arriver un liquide abrasif à travers un canal transversal, tel que le canal 46 du porte-outil de la fig. 1.
Les différents transformateurs décrits jus qu'à présent se composent de deux sections seulement. Cependant, l'application de l'effet de masse n'est pas limitée aux transformateurs composés seulement de deux sections. Par exemple, on peut utiliser quatre sections, de forme cylindrique ou d'une autre forme, ayant chacune une longueur d'un huitième de lon gueur d'onde, comme on le voit schématique ment sur la fig. 9 ; le transformateur représenté sur cette figure comprend les cylindres 84, 86, 88 et 90, qui ont tous la même longueur mais dont les diamètres respectifs vont en diminuant.
Comme on l'a indiqué précédemment, il n'est pas indispensable que les différentes sec tions d'un transformateur aient une forme cy lindrique. On peut utiliser des sections trans versales rectangulaires ou d'une autre forme, comme on le voit sur la fig. 10 ; le transfor mateur à deux sections représenté sur cette figure comprend une section d'entrée 92 à contour transversal rectangulaire et une section de sortie 94 ; la hauteur de la section 94 est constante mais ses parois latérales convergent suivant une courbe exponentielle.
Pour tous les transformateurs, y compris celui de la fig. 10, le rapport d'amplification M peut être obtenu en calculant le rapport entre la surface trans versale moyenne de la section d'entrée et la surface transversale moyenne de la section de sortie.
A l'exception peut-être du transformateur à deux sections de la fig. 8, qui convient parti culièrement pour un porte-outil destiné aux, opérations de trépanation, les transformateurs décrits ici peuvent être utilisés, comme une partie de l'organe d'entraînement ou comme porte-outil. Quand on les utilise dans l'organe d'entraînement, le fait que la jonction des deux sections se trouve dans le plan nodal constitue un avantage, car il est alors facile d'élargir cette section, pour réaliser le support du dispo sitif, sans perturber les ondes stationnaires éta blies dans le transformateur. De plus, puisque le plan de l'effort maximum se trouve à cette jonction, l'addition d'une masse à cet endroit renforce mécaniquement le transformateur dans toute la zone où un renforcement est le plus utile.
Le dispositif à outil vibrant représenté à la fig. 1 comprend un générateur 2 de vibrations mécaniques, un transformateur 4 à impédance acoustique, un porte-outil 6 et-un outil 8. Le générateur 2 et le transformateur 4 constituent ensemble l'élément d'entraînement du disposi tif. Le générateur 2 comprend plusieurs feuilles identiques 10 en une matière de magnétostric tion, par exemple en nickel ; ces feuilles 10 sont intercalées en sandwich entre des feuilles protectrices 12 en caoutchouc recouvertes de fibre de verre ou d'une matière analogue ; le générateur 2 comprend également un en roulement 14 susceptible de transmettre un courant à haute fréquence et représenté sché matiquement sur la figure.
Une fente longitu dinale 16 est formée dans chacune des feuilles 10 et des feuilles protectrices 12 et l'enroule ment 14 est effectué à travers cette fente. La longueur des feuilles est choisie de telle ma nière, par rapport à la fréquence désirée des vibrations à communiquer à l'outil 8, que le corps feuilleté entre en résonance pour cette fréquence et que des ondes stationnaires s'éta blissent par conséquent dans ce corps, avec un ventre de vibration à chaque extrémité. A cet effet, la longueur du corps feuilleté doit être égale à un nombre entier de demi-lon gueurs d'onde de ces ondes de compression, qui sont induites par magnétostriction sous l'action d'un courant à haute fréquence passant dans l'enroulement 14.
Suivant une pratique courante, on fait passer dans la bobine 14 un courant continu de polarisation, en plus du courant à haute fréquence amorçant les ondes de compression. L'extrémité inférieure du gé nérateur 2 est fixée, par soudure par exemple, sur l'extrémité supérieure du transformateur 4. L'extrémité supérieure et libre du générateur 2 porte un chapeau 18 appliqué sur cette extré mité et constitué par une matière contenant de l'air et imperméable à l'eau. On expliquera plus loin à quoi sert ce chapeau.
Si la surface transversale du transformateur 4, à sa jonction avec le générateur 2, est plus grande que celle du corps de magnétostriction, comme dans l'exemple représenté sur la fig. 1, on dispose autour de l'extrémité inférieure du corps feuil leté une bague 20, en une matière analogue à celle du chapeau 18, pour recouvrir la partie exposée de l'extrémité supérieure du transfor mateur 4. Le transformateur 4, dont la lon gueur est aussi égale à un nombre entier de demi-longueurs d'onde des ondes de compres sion engendrées, a une forme générale conique, mais comporte, entre ses extrémités, une sec tion élargie 22 qui se trouve plus près de l'extrémité supérieure que de l'extrémité infé rieure.
Cette section élargie 22 se trouve dans la zone générale du plan nodal de vibration et c'est sur cette section que l'on fixe le support du dispositif. Comme on le voit sur la fig. 1, une bride 24 est soudée sur la partie élargie 22 ou est usinée dans cette partie 22; un carter 28 renfermant le générateur 2 et la partie supé rieure du transformateur 4 est relié à cette bride 24, au moyen par exemple de vis 26. Le carter 28 comporte un raccord d'entrée 30 pour un fluide de refroidissement, de l'eau de préférence, et un raccord de sortie 32 à son extrémité inférieure. Le raccord de sortie 32 a de préférence une section plus grande que le raccord 30 pour être sûr que l'eau ne s'accu mule pas à l'intérieur du carter 28.
Un rac cord électrique 34 permettant la sortie des fils de la bobine 14 est fixé sur la paroi latérale du carter 28. La paroi supérieure 28' du car ter 28 est munie de préférence d'un moyen approprié (non représenté) pour fixer le dispo sitif sur un support rigide approprié quel conque ; à cet effet, cette paroi supérieure 28' est plus épaisse que les parois latérales du carter, comme on le voit sur le dessin. L'eau circulant à travers le carter sert à évacuer la chaleur dégagée dans le générateur 2 pendant le fonctionnement du dispositif. Cependant, l'eau produit une pression sur l'extrémité supé rieure du générateur et abaisse le rendement de la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique.
On a constaté qu'un cha peau protecteur 18 contenant de l'air et im- perméable à l'eau pouvait réduire, sinon éli miner, la charge appliquée par la pression de l'eau au transducteur. La matière constituant le chapeau 18 peut être par exemple du caout chouc dans lequel sont réparties des cellules fermées d'air. La bague 20 constituée par une matière analogue diminue la charge de l'eau sur la surface supérieure exposée du transformateur 4.
Le porte-outil 6 est constitué par deux sec tions cylindriques 6a et 6b, qui se raccordent par une partie courbe 6c, au-dessus de laquelle se trouve une collerette 7. L'extrémité supé rieure du porte-outil comporte un prolongement cylindrique et fileté 36, dont la surface supé rieure, quia été rendue lisse par rectification, est perpendiculaire à l'axe du porte-outil ; l'extrémité inférieure du transformateur 4 com porte une prolongement cylindrique et fileté analogue 38, dont le diamètre est égal à celui du prolongement 36. Un manchon taraudé 40 vissé sur les prolongement 36 et 38 permet de relier le porte-outil 6 au transformateur.
Un disque mince 42 en cuivre ou en un autre métal déformable est intercalé entre les surfaces d'extrémité lisses et planes des prolongements 36 et 38. Avec cette disposition, aucune dis continuité du contact métallique entre le trans formateur et le porte-outil ne se présente sur la majeure partie de surface transversale de l'un ou de l'autre, et on obtient en particulier un bon contact métallique le long des axes de ces deux parties de l'équipement. Quand on réalise un bon contact axial comme dans l'ac couplement décrit ci-dessus, la transmission des vibrations du transformateur au porte-outil est améliorée.
Les dispositifs, dans lesquels on utilise un accouplement entre deux éléments mâles et femelles vissés l'un sur l'autre et dis posés sur l'axe des pièces, ne réalise pas une si bonne transmission de la puissance, parce qu'un espace d'air se trouve nécessairement à la base de l'organe femelle et que les surfaces filetées en contact ne transmettent pas les vibrations acoustiques à haute fréquence.
Dans la collerette 7, on prévoit un canal transversal 46, qui communique à l'intérieur du porte-outil avec les extrémités supérieures de deux canaux longitudinaux 48, dont les extrémités inférieures débouchent sur la sur face d'extrémité du porte-outil. Ces canaux servent à faire arriver les matières abrasives entraînées par un fluide à l'intérieur de l'outil 8 qui, dans le cas de la fig. 1, est creux et convient par conséquent pour la trépanation. Le canal 46 est disposé sensiblement dans la région d'un noeud de vibration, comme on l'a expliqué en se référant à la fig. 5.
L'outil est brasé sur l'extrémité inférieure du porte-outil 6 ; il comporte sur ses parois extérieures plusieurs gorges 44 diposées en dia gonale. Il peut avoir une configuration désirée quelconque, qui dépend de la forme de l'orifice à percer dans la pièce. Si l'outil a une section transversale carrée, l'orifice aura évidemment la même forme.
On va expliquer maintenant brièvement le fonctionnement d'ensemble du dispositif repré senté sur la fig. 1. Quand un courant à haute fréquence arrive dans la bobine 14, le corps feuilleté se dilate et se contracte, en créant des ondes de compression dans le système tout entier, en supposant naturellement que la fré quence du courant est choisie convenablement pour produire des ondes stationnaires dans les différents éléments. L'amplitude des ondes de compression, dans le ventre se présentant à la jonction du générateur 2 et du transforma teur 4, est amplifiée par celui-ci grâce à sa forme générale conique ; par conséquent, l'am plitude, à la jonction du transformateur 4 et du porte-outil 6, est augmentée suivant le rap port général du diamètre maximum au dia mètre minimum du transformateur.
Le porte- outil, qui constitue aussi un transformateur à impédance acoustique, sert d'une manière ana logue à amplifier l'amplitude des vibrations dans un ventre. On a déjà expliqué en détail, en considérant le schéma de la fig. 5, l'ampli fication réalisée par le porte-outil particulier de la fig. 1. Ainsi, la surface inférieure, c'est- à-dire la surface de travail, de l'outil 8, sur face qui se trouve sensiblement à l'endroit d'un ventre, vibre avec la fréquence du courant passant dans la bobine 14.
Le fluide entravant des matières abrasives finement divisées arrive continuellement sur l'extrémité vibrante de l'outil pendant les différentes opérations. Quand on veut former dans une pièce des orifices ou dépressions correspondant, du point de vue forme et dimensions,_ à la surface inférieure de l'outil, on maintient la pièce fixe et on produit une pression relative entre l'outil et la pièce dans la direction des vibrations longitudinales de l'outil.
Quand on veut exécuter une opéra tion de meulage, on presse encore de la même manière la pièce contre l'outil, mais on réalise un mouvement relatif macroscopique entre la pièce et l'outil, transversalement par rapport à l'axe de celui-ci, de manière à appliquer suc cessivement l'outil sur les différentes parties de la pièce à rectifier. Dans une telle opération, la forme particulière de la face de travail de l'outil n'a guère d'importance.
Le rôle des gorges 44 qui, comme on l'a indiqué, font un certain angle avec l'axe de l'outil et du porte-outil, est de diminuer la pression qui s'établit entre 1a surface de travail de l'outil et la pièce à travailler quand l'équi pement fonctionne. De plus, ces gorges faci litent l'accès du fluide abrasif à la surface à usiner.
Dans l'opération de trépanation, il n'y a pas un mouvement transversal relatif entre la pièce et l'outil. Quand l'opération commence, la pièce est entaillée par la matière abrasive et vibrante dans toute la zone recouverte par les surfaces inférieures des parois de l'outil, mais elle n'est pas entaillée dans la zone 50 où la gorge inférieure 44 rencontre la surface de travail. Cependant, quand l'opération continue, même si on suppose que l'usure de l'outil est nulle, la paroi de la gorge, au-dessus de la zone 50, s'applique contre la légère protubé rance laissée sur la pièce en dessous de cette zone, et empêche ainsi cette protubérance de croître au-delà d'une certaine hauteur détermi née par l'inclinaison et la largeur de la gorge.
Il se produit en réalité ordinairement une cer taine usure de l'outil et l'intersection de la gorge avec la surface de coupe se déplace par conséquent à la périphérie de l'outil, mais la gorge elle-même, quel que soit son emplace ment, diminue la pression sur la surface de travail. La gorge supérieure de l'outil (fi-. 1), quand celui-ci s'est usé suffisamment, sert alors à diminuer de la même manière la pression dans la zone de travail. On a constaté prati quement que des gorges, telles que les gorges 44, augmentaient sensiblement la vitesse de coupe d'une opération donnée quelconque.
II est bien entendu qu'un liquide, généra lement de l'eau, entraînant une matière abra sive finement divisée, arrive sur la surface de travail d'un outil pendant une opération de coupe ou de meulage. Dans la trépanation, les canaux communicants 46 et 48 du porte-outil permettent de faire arriver le fluide porteur d'une matière abrasive à l'intérieur de l'outil et de fournir ainsi une quantité largement suf fisante de matière abrasive dans la zone de travail. Le canal transversal 46 se trouvant sensiblement dans un plan nodal des ondes stationnaires de compression peut être relié par un accouplement approprié quelconque (non représenté) à une tubulure amenant le fluide, sans gêner le fonctionnement correct de l'outil.
Le dispositif représenté sur les fig. 2 et 2a diffère de celui de la fig. 1 principalement par la forme du transformateur à impédance acous tique utilisé dans le dispositif d'entraînement et par le moyen utilisé pour fixer le porte-outil sur le transformateur. Le transformateur à impédance acoustique 54 de la fig. 2 comporte deux sections cylindriques 54a et 54b et une section intermédiaire relativement massive 54c. Le diamètre de la section supérieure 54a est plus grand que celui de la section 54b, mais notablement inférieur à celui de la section 54c.
Le carter cylindrique 28 renfermant la section supérieure 54a du transformateur et le généra teur 2' est supporté et fixé à la périphérie de la section 54e au moyen de vis 26, comme dans la structure de la fig. 1. Le générateur de la fig. 2- peut être identique à celui de la fi-. 1. Cependant, aucune fente longitudinale n'est prévue pour l'enroulement 14', qui en toure le corps feuilleté 10' et les feuilles 12' en matière isolante. Un chapeau 18, en caout chouc ou en une matière analogue comportant des cellules fermées d'air, est disposé sur l'ex- trémité supérieure du corps feuilleté afin de réduire la charge de l'eau comme dans le cas du générateur de la fig. 1.
1x porte-outil 6' de la fig. 2 est analogue dans son ensemble à celui de la fig. 1, mais il comporte un organe différent de fixation sur le dispositif entraîneur. Sur la fig. 2, l'accou plement entre le porte-outil 6' et la section 54b du transformateur 54 convient particulièrement bien quand on désire réaliser une orientation fixe d'un outil ; par conséquènt, l'outil 8' des fig. <I>2 et 2a</I> a été représenté sous la forme d'un outil destiné à exécuter dans une pièce un trou borgne de forme rectangulaire.
A cet effet, l'outil est plein et le porte-outil 6' ne comporte donc pas de canaux, tels que les canaux 46 et 48 de la fig. 1, pour l'alimentation intérieure en fluide d'usinage. L'outil 8' com porte deux faces latérales 56 relativement lon gues et deux faces latérales 58 relativement courtes, dont les faces 56 au moins sont munies de gorges 44 de réduction de pression.
Pour pouvoir détacher l'outil et le porte- outil du dispositif d'entraînement, puis les fixer de nouveau à celui-ci sans changer l'orientation de l'outil, on adopte entre le porte-outil et le dispositif d'entraînement un système d'accou plement qui tire l'une vers l'autre les deux parties à accoupler sans les faire tourner l'une par rapport à l'autre. Ceci est réalisé en pré voyant une fente transversale 60 dans le pro longement cylindrique 38' de la section 54b et une languette ou élément mâle 62 sur le prolongement 36', cet élément 62 pouvant pénétrer exactement dans la fente 60.
Des filetages extérieurs à pas inverses sont prévus sur les prolongements 36' et 38'; de cette, manière, quand on fait tourner autour des pro-' longements 36' et 38' un écrou 40', compor tant un taraudage avec pas à droite et un taraudage avec pas à gauche, on fixe le porte- outil sur le dispositif d'entraînement ou on le sépare de celui-ci sans le faire tourner autour de son axe. Pour réaliser un accouplement serré, on interpose entre les surfaces planes des prolongements 36' et 38' un disque 42', en cuivre ou en un métal analogue, comportant une fente centrale destinée à recevoir la lan- guette 62.
Dans le dispositif représenté à la fig. 3, chaque feuille 10" du générateur à magnétostriction 2", au lieu d'être rectangulaire comme sur la fig. 1, est formée de telle manière que sa moitié supérieure est plus large que sa moitié inférieure. Grâce à cette construction, une certaine amplification d'amplitude est in troduite dans le générateur lui-même, puisque l'amplitude des vibrations à l'extrémité supé rieure et libre du corps feuilleté est plus petite que dans le ventre, à l'endroit où le corps feuilleté est fixé sur l'extrémité supérieure du transformateur acoustique 4.
Après les expli cations données ci-dessus sur les transforma teurs acoustiques, en se référant aux fig. 4 et 5, il est facile de comprendre l'amplification réa lisée par le générateur. de la fig. 3, de même que celle réalisée par les transformateurs et porte-outils de formes différentes.des fig. 1 et 2.
On remarquera que le transformateur acoustique 54 de la fig. 2 et les porte-outils 6 et 6' des fig. 1 et 2 sont du type général à deux sections décrit précédemment en se réfé rant à la fig. 5, et que l'amplification d'ampli tude réalisée par ces transformateurs est donnée par conséquent par l'équation (3). Les canaux 48 du porte-outil 6 de la fig. 1 réduisent la masse de la section 6b de celui-ci et diminuent également la surface transversale de l'extré mité de sortie du porte-outil.
En conséquence, l'amplification réalisable par le porte-outil est augmentée par ces canaux, de sorte que ceux- ci servent, non seûlement à assurer l'arrivée du fluide d'usinage dans la zone de travail, mais aussi à augmenter le coefficient d'ampli fication du porte-outil.
Sur la fig. 2, le transformateur 54. est un transformateur cylindrique à deux sections et la section relativement massive 54c constitue un exemple d'un renforcement dans la région de l'effort maximum. L'augmentation d'épais seur prévue à cette jonction diminue de préfé rence progressivement dans le sens radial, au trement dit l'épaisseur du renforcement dans la direction longitudinale diminue quand le rayon augmente. On remarquera que, sur cha cune des fig. 1, 2 et 3, le moyen de support prévu pour l'équipement dans le plan nodal présente une certaine conicité dans le sens ra dial.
Quand les transformateurs à impédance acoustique décrits sont utilisés comme porte outils, la longueur de l'outil à braser ou à fixer autrement sur l'extrémité du transforma teur doit être prise bien entendu en considé ration pour concevoir le transformateur, puis qu'on désire que l'extrémité travaillante de l'outil se trouve à l'emplacement d'un ventre de vibration. En général, avec des outils rela tivement courts, il suffit de choisir une section de sortie du transformateur légèrement plus courte que la longueur théoriquement correcte pour un transformateur sans outil ; cependant, la longueur de l'outil peut être assez grande quand on veut former des trous relativement profonds. Dans une telle opération, on utilise de préférence un outil tel que celui représenté sur la fi-. 11.
Cet outil possède une longueur égale à une demi-longueur d'onde des ondes stationnaires établies dans la matière de l'outil.
La forme transversale de l'outil 96 de la fig. 11 dépend naturellement de la forme trans versale que l'on désire donner à l'orifice dans la pièce. Si on suppose que l'on veut obtenir un orifice circulaire, l'outil doit être cylindrique et peut alors comporter avantageusement une gorge extérieure en spirale 97 servant à abais ser la pression. Non seulement cette gorge di minue la pression sur la surface de travail, mais elle constitue aussi un moyen pour éli miner facilement du fluide d'usinage les par ticules arrachées à la pièce pendant le perçage. L'extrémité supérieure de l'outil est brasée sur un porte-outil 98, qui peut avoir la configura tion de l'un quelconque des transformateurs à sections multiples décrits précédemment.
Comme une certaine dilatation et une certaine contraction radiales semblent pouvoir se pré senter dans un plan nodal de vibration, il est préférable, quand on veut percer un orifice d'une profondeur supérieure à un quart de longueur d'onde, de donner à un outil long, tel que .celui de la fig. 11, une forme telle que la surface transversale, dans toute la par tie centrale de l'outil, soit plus petite qu'à l'extrémité de travail de celui-ci. Cependant, comme une différence très faible de la section transversale est suffisante pour empêcher un coincement dans le plan nodal, on n'a pas essayé d'indiquer cette réduction de section sur le dessin.
Les différents outils exposés jusqu'à pré sent sont des outils qui conviennent particuliè rement quand l'opération d'usinage ne com porte pas un déplacement transversal relatif entre l'outil et la pièce, comme dans une opé ration de meulage. On a représenté schéma tiquement en coupe, sur la fig. 12, un outil d'une forme particulière que l'on a trouvé spécialement efficace quand il s'agit de rectifier par meulage de petites surfaces d'une matière très dure, comme, par exemple, quand on veut former dans les outils des organes chargés de briser les copeaux. Une section horizontale d'un tel outil est représentée en 100, avec une pièce 102, qui est disposée en dessous de l'outil et sur laquelle on veut meuler une surface rectangulaire 104.
L'outil comporte sur ses parois latérales plusieurs gorges verticales<B>105,</B> qui servent à faire arriver une quantité abon dante de fluide sur la surface à rectifier. Pen dant la rectification, l'outil vibre à haute fré quence avec- une amplitude faible et sensible ment microscopique dans une direction nor male à la pièce, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la figure, tandis que la pièce vibre dans une direction perpendiculaire à celle des vibrations de l'outil, avec une fréquence rela tivement faible et avec une amplitude qui est relativement importante, en réalité macrosco pique, par rapport à l'amplitude des vibrations ,de l'outil. On peut prévoir un moyen approprié quelconque pour déplacer ainsi la pièce.
Par exemple, la pièce peut être reliée par une biel- lette 106 à un excentrique monté sur un disque 108 entraîné en rotation par un arbre 110. L'amplitude du mouvement transversal relatif entre la pièce et l'outil dépend de la valeur de la surface à rectifier. Cette amplitude doit être au moins égale à la largeur d'une gorge quel conque 105 de l'outil, pour être sûr que toutes les parties de la surface à rectifier sont bien soumises à l'action de la matière abrasive.
Un avantage du dispositif décrit est que dans le transformateur à impédance acoustique, on peut obtenir une amplification désirée quel conque sans augmentation exagérée de la sec tion transversale et l'effort maximum peut être localisé en un point nodal ou près d'un point nodal, là où un renfoncement peut être réalisé.
Dans le dispositif décrit, le transformateur à impédance acoustique à sections multiples, utilisant au moins partiellement un effet de masse pour obtenir une amplification d'ampli tude des ondes de compression, peut être uti lisé pour le chauffage, pour la transmission de signaux sous-marins ou pour l'homogénéisation du lait ou d'un autre fluide.
Par exemple, le transformateur décrit peut être en principe utilisé avantageusement comme un foret dentaire, dont les avantages compren nent une diminution sensible des vibrations douloureuses de la dent, la suppression de tout dégagement appréciable de chaleur et, par conséquent, la réduction de la souffrance du patient.