Tribo-energetic analysis of belt grinding of hardened steel and spheroidal graphite cast iron journals
Analyse tribo-énergétique du procédé de toilage des portées cylindriques en acier traité et en fonte à graphite sphéroïdal
Abstract
Known in its principle in the early 1930s, the belt grinding process especially came out industrially at the American car manufacturer's Chrysler. He was the first to develop an abrasive belt set-up allowing a mechanised operation for a process of manufacturing merely used for off-hand grinding. The superfinishing by coated belts won then a broad audience under the impulsion of the works of German Karl Weick in 1950. The objective of this PhD thesis was to specify the action of belt grinding in respect to the involvement of the working variables as well as the main characteristics of physical mechanisms which are activated in the superfinishing of metals. In summarised open literature, we showed the insufficiency of scientific works on the grinding by coated belts which bring back the knowledge of this abrasive technology to a bushel of empirical facts showing the critical involvement of a certain number of working variables of the process. To better understand the physical mechanisms which govern the machining by abrasive film, we introduced a tribo-energetic approach which match respectively the in situ physical measurements during the belt grinding experiments and the post-test analyses of the workpiece and the coated belt. Taking then methodically the knowledge of design of belt grinding technologies, we developed an original test bench based on a grinding test with abrasive belt where all limit parameters are given by the industrial conditions (plant test). The activated physical mechanisms in the belt grinding of the machined material and at the level of the coated belt / workpiece interface were then discussed. Also the roles of the working process variables examined with a scale effect were specified. Although the grinding with abrasive belts operates by micro-shaving of roughness and by loading of micro-chips; the structure of the coated film, characterized by a high power of accommodation (micro-chip build-up), seems to slow down or even transform this action of cutting into a phenomenon of rubbing and ploughing. Moreover, ductility and micro-structural homogeneity of the machined material seems to control, between other phenomena, the thickness of workhardened subsurface layer and the endurance of the belt finished surface. We also presented original results which show, by a multiscale approach of surface topography, the scale effect of roughness on the roles of working variables of the process. This one almost determines the process stability when grinding by abrasive belts and better allows specifying the tribological quality of surface in terms of functional needs.
Connu dans son principe depuis les années 30, le procédé de toilage a surtout débouché industriellement chez le constructeur automobile américain Chrysler. Il était le premier à mettre au point des appareils permettant un usinage mécanisé pour un processus de fabrication jusque là manuel. L'usinage de superfinition par toilage a conquis ensuite une large audience sous l'impulsion des travaux de l'allemand Karl Wiek en 1950. L'objectif de ce travail était de préciser l'action de toilage en liaison avec l'intervention des variables process ainsi que les caractéristiques principales des processus physiques mis en jeu dans la superfinition des métaux. Dans la synthèse bibliographique, nous avons montré les insuffisances des travaux scientifiques sur l'usinage par toilage qui ramènent la connaissance du procédé à un boisseau de faits empiriques montrant l'intervention critique d'un certain nombre de variables du process. Afin de mieux cerner les mécanismes physiques qui régissent l'usinage par film abrasif, nous avons introduit une approche tribo-énergétique utilisant le couplage des mesures physiques in situ et des expertises de retour d'essais de toilage. Reprenant alors méthodiquement les connaissances de conception des technologies de toilage, nous avons développé un banc d'essai original basé sur un test de toilage où tous les paramètres limites sont donnés par les conditions de service (essai de service). Les mécanismes physiques entrant en jeu dans le toilage du matériau usiné et au niveau de l'interface toile/pièce ont été ainsi discutés. Aussi les interventions des variables process examinées avec effet d'échelle ont été précisées. Bien que le toilage agit par écrêtement de rugosité et par formation de micro-copeaux, la structure du film abrasif, caractérisée par un pouvoir de logement élevé, semble freiner voire transformer cette action de coupe en phénomène de frottement et de labourage. Par ailleurs, la ductilité et l'homogénéité microstructurale du matériau usiné semble conditionner, entre autres phénomènes, l'épaisseur de la couche écrouie et l'endurance de la surface toilée. Nous avons présenté aussi des résultats originaux qui montrent, par une approche multi-échelles de la topographie de surface, l'effet d'échelle de rugosité sur l'intervention des variables process. Celui-ci conditionne fortement la stabilité du process de toilage et permet de mieux préciser la qualité tribologique de surface en terme du besoin fonctionnel.
Loading...