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

Abstract

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 characterization 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 analyzed 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. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired target

Esta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasónicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisférica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterización de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interés industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el número de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalúan en términos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operación sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducción de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topología de las superficies objetivo, siempre que éstas sean suficientemente finas. Además, sólo la precarga y el número de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limítrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la dirección preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros óptimos de proceso son diferentes en función del objetivo de optimización, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que éste presenta antes del proceso.

Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l’intégrité 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 elaboré 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 sufisamment 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 diférents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs.

Aquesta tesi és un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procés de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfícies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procés, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracterització d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anàlisi experimental aplicant el procés sobre superfícies de dues aliatges d’internes industrial i aeronàutic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors són inclous en el model: la precàrrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfície inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procés i dels seus paràmetres d’operació sobre la integritat superficial, definir els millors paràmetres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducció de les vibracions com a mitjà d’assistència. Els resultats evidencien que la textura inicial és el paràmetre que defineix en major mesura l’estat de les superfícies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfícies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A més, només la precàrrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors límits a partir del qual les superfícies són empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els paràmetres són influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcció preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procés assistit amb vibracions. Es conclou que els paràmetres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix.