Contribution à l’étude de l'intégrité des surfaces fonctionnelles induites par un procédé thermomécanique-mécanique combiné : rectification-galetage

Contribution to the study of the integrity of functional surfaces Induced by a combined thermomechanical-mechanical process : grinding-burnishing

• Auteur / Autrice : Yasmine Charfeddine
• Direction : Hédi Hamdi, Jalila Sghaier, Sawsen Youssef
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....) - Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hédi Hamdi, Jalila Sghaier, Sawsen Youssef, Hélène Chanal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarek Mabrouki, Carl Labergère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermomécanique

Meulage

Mots clés libres

Rectification

Galetage

Procédé thermomécanique-mécanique combiné

Intégrité de surface

Simulations numériques 3D

Expérimentation

Combined thermomechanical-mechanical process

Résumé

Le procédé « REGAL » est une approche originale combinant deux procédés de fabrication différents, l’un thermomécanique (la rectification) et l’autre purement mécanique (le galetage), mis en œuvre simultanément. Pour cela, des modélisations et des simulations numériques 3D des différents procédés de rectification, de galetage et de rectification/galetage combiné ont été réalisées dans le but de mieux comprendre la physique à l’origine de l’obtention d’une meilleure intégrité de surface que celle obtenue par chaque procédé agissant séparément. Une démarche expérimentale a été développée sur la rectifieuse utilisée afin de pouvoir rectifier et galeter simultanément et un système de fixation de l’outil de galetage sur la broche de la rectifieuse a été conçu et fabriqué. Par ailleurs, l’avance automatique transverse de la rectifieuse utilisée est de l’ordre du mm par cycle alors qu’elle devrait être de l’ordre du μm/cycle pour le procédé de galetage. Ainsi, pour assurer un recouvrement total en galetage, il a été nécessaire de développer un système entièrement automatisé qui se positionne sur la table de la rectifieuse et qui permet d’avoir les bonnes avances par cycle avec une précision du dixième de micromètre. Des caractérisations de plusieurs facteurs de l’intégrité de surface ont été réalisées et ont montré que le procédé REGAL peut améliorer la qualité de la surface et introduire des contraintes résiduelles en compression à une profondeur plus importante que celle obtenue par le procédé de galetage agissant seul. La détermination expérimentale des contraintes résiduelles a permis de valider et de discuter les résultats des simulations numériques obtenus.Le procédé « REGAL » est une approche originale combinant deux procédés de fabrication différents, l’un thermomécanique (la rectification) et l’autre purement mécanique (le galetage), mis en œuvre simultanément. Pour cela, des modélisations et des simulations numériques 3D des différents procédés de rectification, de galetage et de rectification/galetage combiné ont été réalisées dans le but de mieux comprendre la physique à l’origine de l’obtention d’une meilleure intégrité de surface que celle obtenue par chaque procédé agissant séparément. Une démarche expérimentale a été développée sur la rectifieuse utilisée afin de pouvoir rectifier et galeter simultanément et un système de fixation de l’outil de galetage sur la broche de la rectifieuse a été conçu et fabriqué. Par ailleurs, l’avance automatique transverse de la rectifieuse utilisée est de l’ordre du mm par cycle alors qu’elle devrait être de l’ordre du μm/cycle pour le procédé de galetage. Ainsi, pour assurer un recouvrement total en galetage, il a été nécessaire de développer un système entièrement automatisé qui se positionne sur la table de la rectifieuse et qui permet d’avoir les bonnes avances par cycle avec une précision du dixième de micromètre. Des caractérisations de plusieurs facteurs de l’intégrité de surface ont été réalisées et ont montré que le procédé REGAL peut améliorer la qualité de la surface et introduire des contraintes résiduelles en compression à une profondeur plus importante que celle obtenue par le procédé de galetage agissant seul. La détermination expérimentale des contraintes résiduelles a permis de valider et de discuter les résultats des simulations numériques obtenus.

Combining grinding with burnishing called “REGAL” is a newly developed outstanding technique consisting in grinding and burnishing operating simultaneously. The purpose behind this innovative approach is to enhance the surface integrity of the workpiece obtained by REGAL if compared to grinding and burnishing performing each one apart. REGAL process is made possible thanks to the design and manufacturing of a mechanical fixing system capable of maintaining the burnishing ball next to the grinding wheel. An automated control table is needed to make small and precise lateral feeds in order to ensure high surface recovery rates obtained by the ball burnishing tool. The most influential parameters of REGAL process were identified and their impacts on surface integrity were studied in terms of forces, roughness and residual stress results. The experimental results have shown that further from gaining time and energy by combining two processes in one, REGAL process enhances drastically the quality of the surface obtained if compared to workpiece surfaces obtained after grinding and burnishing acting separately. In addition, simultaneous grinding and burnishing introduces compressive residual stress results at the surface and beneath it reaching a deeper depth than the depth obtained by burnishing at the same manufacturing conditions thanks to the physicochemical changes obtained by the simultaneous thermomechanical/purely mechanical loads applied to the workpiece. 3D numerical simulations of grinding, burnishing and REGAL were also conducted to understand the physical phenomena occurring that is responsible of getting a more compressive residual stress layer obtained by REGAL if compared to burnishing acting separately and are in adequacy with the experimental results.