Surface integrity of manufactured components has a critical impact on their functional performance. Magnesium alloys are lightweight materials used in the transportation industry and are also emerging as a potential material for biodegradable medical implants. However, the unsatisfactory corrosion performance of Mg alloys limits their application to a great extent. Surface integrity factors, such as grain size, crystallographic orientation and residual stress, have been proved to remarkably influence the functional performance of magnesium alloys, including corrosion resistance, wear resistance and fatigue life. In this dissertation, the influence of machining conditions, including dry and cryogenic cooling (liquid nitrogen was sprayed to the machined surface during machining), cutting edge radius, cutting speed and feed rate, on the surface integrity of AZ31B Mg alloy was investigated. Cryogenic machining led to the formation of a "featureless layer" on the machined surface where significant grain refinement from 12 μm to 31 nm occurred due to dynamic recrystallization (DRX), as well as increased intensity of basal plane on the surface and more compressive residual stresses. Dry and cryogenic burnishing experiments of the same material were conducted using a fixed roller setup. The thickness of the processed-influenced layer, where remarkable microstructural changes occurred, was dramatically increased from the maximum value of 20 μm during machining to 3.4 mm during burnishing. The burnishing process also produced a stronger basal texture on the surface than the machining process. Preliminary corrosion tests were conducted to evaluate the corrosion performance of selected machined and burnished AZ31B Mg samples in 5% NaCl solution and simulated body fluid (SBF). Cryogenic cooling and large edge radius tools were found to significantly improve the corrosion performance of machined samples in both solutions. The largest improvement in the material's corrosion performance was achieved by burnishing. A finite element study was conducted for machining of AZ31B Mg alloy and calibrated using the experimental data. A user subroutine was developed and incorporated to predict the grain size changes induced by machining. Good agreements between the predicted and measured grain size as well as thickness of featureless layers were achieved. Numerical studies were extended to include the influence of rake angle, feed rate and cutting speed on the featureless layer formation.

Burnishing is a chipless finishing process used to improve surface integrity by severe plastic deformation (SPD) of surface asperities. As surface integrity in large measure defines the functional performance and fatigue life of aerospace alloys, burnishing is thus a means of increasing the fatigue life of critical components, such as turbine and compressor blades in gas turbine engines. Therefore, the primary objective of this dissertation is to characterize the burnishing-induced surface integrity of Ti-6Al-4V alloy in terms of the implemented processing parameters. As the impact of cooling mechanisms on surface integrity from SPD processing is largely unexplored, a particular emphasis was placed upon evaluating the influence of cryogenic cooling with liquid nitrogen in comparison to more conventional methodologies. Analysis of numerical and experimental results reveals that burnishing facilitates grain refinement via continuous dynamic recrystallization. Application of LN2 during SPD processing of Ti-6Al-4V alloy suppresses the growth of new grains, leading to the formation of near-surface nanostructures which exhibit increased microhardness and compressive residual stress fields. This is particularly true in cryogenic multipass burnishing, where successive tool passes utilizing lower working pressures generate thermally stable work hardened surface layers, uniform nano-level surface finishes, and significantly deeper layers of compressive residual stresses.

The purpose of this work is to introduce explicit finite element method (FEM) and to familiarize with commercial software tools witch are capable to perform simulations. The technological conditions and the scope of application of roller burnishing are described in subsequent part. The simulation model of roller burnishing was created. Software ANSYS LS-DYNA was used to make computations. The results of simulation and technical and economical benefits of roller burnishing are presented in the conclusion.

Cette thèse étudie les effets du processus de brunissage à bille assisté par vibrations ultrasoniques sur l'intégrité de 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 élaboré 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 suffisamment 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 différents en fonction de l'objectif d'optimisation, et que certaines combinaisons peuvent être utiles en fonction de ces objectifs. / 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 characterisation 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 analysed 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. The main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimisation objective. Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired target.

Le galetage est une opération de finition et de traitement mécanique de surface, particulièrement utilisée dans le secteur du décolletage. Afin de valoriser pleinement l'opération, les industriels ont besoin d'estimer les caractéristiques des pièces traitées; il s'agit de la rugosité, de la dureté superficielle et de la distribution des contraintes résiduelles. Pour répondre à cette problématique, différentes modélisations ont été construites par le passé. Les deux plus abouties s'appuient principalement sur l'hypothèse d'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation. Dans ce rapport, une nouvelle approche de la modélisation de l'opération de galetage est proposée. Elle repose sur une étude fine des phénomènes physiques mis en jeu par la sollicitation de galetage. Dans un premier temps, le problème mécanique posé par la modélisation de l'opération de galetage est résolu sous l'hypothèse de comportement purement élastique. Dans ce cas, l'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation est bien re-démontrée. Dans un second temps, l'effet de la plasticité sur cette équivalence est étudié. Un phénomène de formation et écoulement de bourrelet, particulièrement influent sur la sollicitation de galetage, est alors mis en évidence. Ce constat invalide totalement l'hypothèse d'équivalence galetage - indentation formulée précédemment. Ainsi, il est démontré que pour modéliser fidèlement les phénomènes induits par l'opération, il est indispensable de considérer le contact roulant libre du galet sur un solide en trois dimensions. En tirant partie de cette étude, une nouvelle méthode de modélisation de l'opération de galetage par la technique des Éléments Finis est alors proposée. Une attention particulière est portée sur la définition d'une méthode de caractérisation mécanique préalable du matériau, notamment adaptée à la problématique par l'utilisation d'un essai de compression spécifique. En ce qui concerne l'état géométrique de la surface, les résultats numériques sont en bon accord avec les mesures expérimentales. De plus, pour les grandeurs mécaniques (dureté superficielle et contraintes résiduelles), une correspondance qualitative est obtenue. Finalement, il apparaît que ce modèle apporte une contribution notable à la compréhension de l'opération, ouvrant la voie à une modélisation plus fidèle. / Roller burnishing is a cost effective surface enhancement process. To value this process, industry needs a tool to estimate the roughness, the hardness and the residual stress distribution of a burnished workpiece. To achieve this goal, different models have been built in the past. The two most comprehensive are based on the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. In this study, a new approach of the modeling of roller burnishing is proposed. For this, physical phenomena that occur around the contact area have been precisely studied. Firstly, the mechanical problem that is posed is solved analytically assuming a perfectly elastic behavior. In this case, equivalence between normal contact and rolling contact is proved. Secondly, the effect of plasticity on that result is studied. A phenomenon of accumulation and flow of material, which effect appears to be particularly important on the mechanical and geometrical characteristics of the burnished surface is highlighted. This observation imposes to reject the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. Consequently, it is conclude that any model can't be reliable until it considers the rolling contact of the roller on the workpiece. On this basis, a new finite element model of roller burnishing is established. Finally, numerical results are compared to experimental measurements. Concerning geometrical state, a quantitatively good correlation is observed while a qualitatively agreement is obtained for the two mechanical indicators. It can be concluded that this new EF model give a better understanding of the mechanics of roller burnishing process and will give the opportunity to improve parameters process or to adapt parameters according to the wished mechanical and geometrical characteristics of the workpiece.