Etude et caractérisation de la modification d'intégrité de surface par brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques

Study and characterisation of surface integrity modification after ultrasonic vibration-assisted ball burnishing

• Auteur / Autrice : Ramon Jerez Mesa
• Direction : Yann Landon, José Antonio Travieso, Gilles Dessein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 02/03/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amortissement (mécanique)

Brunissage

Mots clés libres

Brunissage à bille assisté par vibrations

Intégrité de surface

Texture de surface

Contraintes résiduelles

Dureté

Acier

Titane

Vibration-assisted ball burnishing

Surface integrity

Surface externe

Residual stress

Hardness

Résumé

Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l'intégrité de surface des surfaces usinées par fraisage hémisphérique. Compte tenu de l'inexistence d'outils commerciaux capables de réaliser ce processus, l'étude débute par la conception et la caractérisation d'un prototype capable de l'exécuter. Par la suite, une analyse expérimentale est menée, en utilisant le procédé sur les surfaces de deux alliages d'intérêt industriel et aéronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d'expériences est élaboré à base d'une matrice orthogonale Taguchi. Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la précharge, le nombre de passes, la vitesse d'avance, la stratégie de brunissage et la texture initiale de la surface préalablement usinée. Les résultats sont évalués en termes de texture finale, de contrainte résiduelle et de dureté, pour identifier et comprendre l'impact de ce procédé et des paramètres opératoires sur l'intégrité de surface, pour définir les meilleurs paramètres à appliquer pour chaque matériau, et pour évaluer les effets positifs provoqués par l'introduction de vibrations comme moyen d'assistance. Pour cela, la notion d'intégrité de surface est rappelée, voire redéfinie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisés se révèlent inaptes à caractériser les surfaces obtenues, et une nouvelle méthodologie d'analyse des topologies de surface est proposée. Les résultats obtenus suite à la réalisation du plan d'expériences révèlent que la texture initiale est le paramètre prépondérant. Les résultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent améliorer la rugosité et la texture des surfaces dans la mesure où l'état de surface initial est suffisamment fin. Ensuite, seule la précharge et le nombre de passes influencent le résultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites à partir desquelles les surfaces sont endommagées. Les résultats des contraintes résiduelles montrent que tous les paramètres influent sur le résultat final, en particulier la stratégie de brunissage, avec laquelle la direction préférentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut être modifiée. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la dureté à des couches d'environ 0,5 mm en appliquant le processus assisté avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont différents en fonction de l'objectif d'optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs.

This dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterisation of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analysed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance. Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. The main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimisation objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired target.