Application du procédé de brunissage à bille sur des pièces à symétrie de révolution pour améliorer leur résistance à la fatigue et leurs propriétés d'usure

Application of the vibration-assisted ball burnishing process on rotational symmetric parts to improve their fatigue strength and wear properties

• Auteur / Autrice : Eric Velázquez Corral
• Direction : Vincent Wagner, Ramon Jerez Mesa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 05/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Landon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Wagner, Ramon Jerez Mesa, Yann Landon, Irene Buj, Gilles Dessein, Giovanni Gomez Gras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Duc, Guillermo Reyes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Brunissage

Mots clés libres

Brunissage à bille assisté par vibrations

Tribologie

Fatigue

Vibration-assisted ball burnishing

Tribology

Fatigue

Résumé

Cette thèse est une étude expérimentale des effets bénéfiques du processus de brunissage à billes assisté par vibration ultrasonique sur la résistance à l’usure et l’amélioration du cycle de vie en fatigue des pièces à symétrie de révolution. Cette étude est réalisée avec un outil breveté par les chercheurs de l’Universitat Politècnica de Catalunya et de l’École Nationale d’Ingénieurs de Tarbes. Une première étude des effets du processus est présentée, ainsi qu’une explication de la performance analytique de chacun des paramètres du processus sur les principaux descripteurs de l’intégrité de la surface. Une campagne expérimentale est entreprise sur des arbres en AISI 1045, Ti6Al4V et AISI 316L, qui sont des matériaux très appréciés dans l’industrie automobile, biomédicale et aéronautique. La campagne expérimentale est basée sur un plan de criblage de trois facteurs : la force de brunissage, le nombre de passes et les apports d’assistance vibratoire. Les résultats sont analysés en termes de facteurs d’intégrité de la surface (évolution de la microstructure, rugosité, dureté et contraintes résiduelles) avant les tests d’usure et de fatigue, afin de caractériser les surfaces résultantes après le processus et de quantifier la contribution de chaque facteur aux résultats finaux. L’objectif principal de cette thèse est de comparer le brunissage à billes assisté par vibrations ultrasoniques au brunissage à bille traditionnel et, le cas échéant, d’évaluer les effets positifs de l’assistance vibratoire. Les résultats révèlent que les facteurs d’intégrité de la surface sont améliorés lorsque le processus est assisté sur tous les matériaux. Les résultats de fatigue montrent une augmentation de la durée de vie attendue des arbres AISI 1045, augmentant leur résistance à la fatigue de 27 MPa et montrant une plus grande cohérence dans les résultats comme le montrent les statistiques de Weibull. Les résultats d’usure montrent que l’assistance vibratoire améliore la résistance à une bille WC-Co sur les trois matériaux testés, l’AISI 316L étant le matériau le plus cohérent, dans les conditions testées, et démontrant une relation entre le volume d’usure et les contraintes résiduelles mesurées à la surface après le brunissage.

This thesis is an experimental investigation into the beneficial effects of the ultrasonic vibration- assisted ball burnishing process on the wear resistance and fatigue life-cycle enhancement of rotational symmetric parts. This study is performed with a tool patented by the Universitat Politècnica de Catalunya and l'École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes researchers. A first investigation of the effects of the process is presented, as well an explanation of the analytical performance of each of the process parameters on the main surface integrity descriptors. An experimental campaign is undertaken on AISI 1045, Ti6Al4V and AISI 316L shafts, which are highly appreciated materials on the automotive, biomedical and aeronautical industry. The experimental campaign is based on a Screening design of three factors: burnishing force, number of passes and vibration assistance inputs. Results are analysed in terms of surface integrity factors (microstructure evolution, roughness, hardness and residual stresses) prior to wear and fatigue tests, in order to characterise the resultant surfaces after the process and quantify the contribution of each factor to the final results. The main objective of this dissertation is to compare the ultrasonic vibration assisted ball burnishing to the traditional ball burnishing and, if so, asses the positive effects of the vibration assistance. Results reveal that surface integrity factors are enhanced when the process is assisted on all materials. Fatigue results show an evidence of an increase of expected fatigue lifetime of AISI 1045 shafts, increasing its fatigue strength by 27 MPa and showing more consistency in results as Weibull statistics evidence. Wear results show that vibration assistance enhances the resistance against a WC-Co ball on the three materials tested, being AISI 316L the most consistent material, under the conditions tested, and demonstrating a relation between the wear volume and the residual stresses measured at the surface after burnishing.