Étude de traitements mécaniques des surfaces reposant sur des sollicitations de rayure (superfinition, polissage, galetage)

Investigation of the stress field induced by scratch-based processes (superfinishing, polishing, burnishing)

École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, Centre Science des Matériaux et des Structures LGF UMR CNRS 530, 158 Cours Fauriel 42023 Saint-Étienne, France
kermouche@emse.fr

Reçu : 21 Janvier 2013
Accepté : 30 Août 2013

Résumé

L’objectif de notre travail est d’étudier le lien entre les contraintes résiduelles et les procédés de traitement mécanique des surfaces reposant sur des sollicitations de rayure (galetage, superfinition, polissage, ...). Nous présentons tout d’abord une étude numérique qui nous a permis de dégager des tendances fortes sur la relation entre rayure et contraintes résiduelles. Nous appliquons ensuite ces résultats pour interpréter les conséquences induites en termes de contraintes résiduelles par différents procédés. Notamment, nous observons que – le paramètre prépondérant dans le procédé de galetage est la force appliquée; l’avance et la vitesse n’ayant un effet que dans des cas très particuliers – le toilage induit des contraintes de compression en extrême surface d’autant plus forte que la taille des grains abrasifs et la force appliquée par le galet sont importants – le polissage par flux d’abrasifs peut aussi induire des compressions résiduelles selon le niveau de pression dans le fluide. Ces résultats sont en excellent accord avec l’approche locale développée dans la première partie du papier. Nous concluons sur l’intérêt de nos travaux pour optimiser ces différents procédés, dont certains sont originellement développés pour diminuer la rugosité, afin d’obtenir des compressions résiduelles en extrême surface. Ces procédés deviennent ainsi des procédés de traitements mécaniques des surfaces au même titre que le procédé de grenaillage.

Abstract

In this paper is investigated the residual stresses induced by scratch-based mechanical processes (burnishing, polishing, superfinition). First a numerical investigation is presented aiming to understand the relation between scratching and the residual stress field. Then, these results are applied to explain the residual stress field induced by different processes. More precisely, it is observed that – in the case of burnishing, the most important parameter is the applied load on the roller – in the case of belt finishing the residual stress field is strongly related to the grain size and to the applied pressure – in the case of abrasive flow machining, the fluid pressure is the parameter to optimize. These results appear to be in good agreement with the local contact approach developped in the first part of the paper. Finally a conclusion is brougth on the interest of this work to optimize such scratch-based mechanical processes, originally developped for roughness needs, but which can also strongly improve the surface integrity. These processes can thus be viewed as an alternative of shot peening based treatments.