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

Abstract

(English) 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.

(Español) Esta tesis es una investigación experimental sobre los efectos beneficiosos del proceso de bruñido con bolas asistido por vibración ultrasónica sobre la resistencia al desgaste y la mejora del ciclo de vida a fatiga de piezas rotacionalmente simétricas. Este estudio se realiza con una herramienta patentada por investigadores de la Universitat Politècnica de Catalunya y l'École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes. Se presenta una primera investigación de los efectos del proceso, así como una explicación del comportamiento analítico de cada uno de los parámetros del proceso sobre los principales descriptores de integridad superficial. Se lleva a cabo una campaña experimental en ejes AISI 1045, Ti6Al4V y AISI 316L, materiales muy apreciados en la industria automovilística, biomédica y aeronáutica. La campaña experimental se basa en un diseño Screening de tres factores: fuerza de bruñido, número de pasadas y entradas de asistencia a la vibración. Los resultados se analizan en términos de factores de integridad superficial (evolución de la microestructura, rugosidad, dureza y tensiones residuales) previos a los ensayos de desgaste y fatiga, con el fin de caracterizar las superficies resultantes tras el proceso y cuantificar la contribución de cada factor a los resultados finales. El objetivo principal de esta tesis es comparar el bruñido con bola asistido por vibración ultrasónica y el bruñido con bola tradicional y, en tal caso, evaluar los efectos positivos de la asistencia por vibración. Los resultados revelan que los factores de integridad superficial mejoran cuando el proceso es asistido en todos los materiales. Los resultados de fatiga muestran un aumento de la vida útil esperada a la fatiga de los ejes AISI 1045, aumentando su resistencia a la fatiga en 27 MPa y mostrando una mayor consistencia en los resultados como evidencia la estadística Weibull. Los resultados de desgaste muestran que la asistencia por vibración mejora la resistencia frente a una bola de WC-Co en los tres materiales ensayados, siendo el AISI 316L el material más consistente, en las condiciones ensayadas, y demostrando una relación entre el volumen de desgaste y las tensiones residuales medidas en la superficie tras el bruñido.