Simulation of the Vibratory Peening Process

Le grenaillage vibratoire est un procédé de finition qui combine deux procédés en un. Il a le même effet que le grenaillage conventionnel qui augmente la durée de vie en fatigue en introduisant des contraintes résiduelles de compression tout en polissant la pièce traitée, ce qui est généralement fait par tribofinition. Ce procédé est également censé améliorer la productivité industrielle puisqu'il combine le grenaillage de précontrainte et la tribofinition en un seul procédé. Cette étude fait partie d'un projet plus général qui vise à expliquer les avantages des technologies avancées de traitement de surface sur les matériaux aérospatiaux. Polytechnique Montréal a collaboré avec Safran France et le Centre technologique en aérospatiale (CTA). Ce travail se concentre sur la réalisation d'une étude préliminaire de simulations par éléments discrets afin d'évaluer les champs de vitesse à l'intérieur de la machine de grenaillage vibratoire pendant son fonctionnement. Il comprend également une étude expérimentale permettant d'instrumenter la machine de grenaillage vibratoire afin de déterminer le mouvement 3D de la machine de grenaillage vibratoire. La revue de la littérature a révélé que l'amplitude et la fréquence de la machine de grenaillage vibratoire étaient les paramètres les plus pertinents pour caractériser les effets du grenaillage vibratoire. La première partie de l'introduction présente le processus de grenaillage vibratoire et les paramètres qui caractérisent le processus tels que la couverture et l'intensité Almen. Les études ont montré que le grenaillage conventionnel et le grenaillage vibratoire peuvent atteindre une gamme d'intensité Almen de 0.12 mmA à 0.25 mmA. La deuxième partie se concentre sur les moyens de contrôler une machine de grenaillage vibratoire. La modélisation cinématique de la machine montre que le mouvement d'une machine de grenaillage vibratoire est vertical. Cette partie montre également les technologies courantes qui permettent de mesurer les vibrations à basse fréquence. La troisième partie de la revue de la littérature a présenté les méthodes de modélisation de l'écoulement granulaire. Elle a montré que la méthode des éléments discrets est la plus pertinente pour mesurer les champs de vitesse à l'intérieur d'une machine de grenaillage vibratoire. Les études réalisées avec la méthode des éléments discrets ont montré que les forces normales entre la grenaille et la pièce contribuent à l'effet de martelage tandis que les forces tangentielles contribuent à l'effet de polissage. Les expériences ont montré que le grenaillage vibratoire a principalement des modes de vibration verticaux tandis que les modes de vibration rotatifs et horizontaux peuvent être négligés. L'amplitude de la machine de grenaillage vibratoire aux fréquences d'arbre imposées de 17.5 Hz à 30 Hz varie de 1.7 mm à 2.6 mm. Pour des fréquences d'arbre spécifiques, le deuxième mode de vibration influence les champs de déplacement et de vitesse des grenailles à l'intérieur de la machine de grenaillage vibratoire. Il s'agit d'un mode de vibration de basse fréquence à 3 Hz pour les fréquences d'arbre de 22.5 Hz et 30 Hz. L'amplitude est respectivement de 5.3 mm et 8.5 mm à 22.5 Hz et 30 Hz. Les simulations basées sur le mouvement mesuré de la machine de grenaillage vibratoire ont montré que la vitesse d'impact normale de la grenaille sur la pièce varie linéairement avec la fréquence de l'arbre de la machine de grenaillage vibratoire. La vitesse d'impact atteint 0.6 m/s à 17.5 Hz et 0.95 m/s à 30 Hz. De plus, une corrélation linéaire a été trouvée entre l'intensité Almen et la vitesse d'impact. Enfin, cette étude préliminaire a permis de conclure que la méthode des éléments discrets était appropriée pour avoir une meilleure compréhension du processus de grenaillage vibratoire et guider les prochaines recherches sur l'interaction entre les grenailles et la pièce avec le processus de grenaillage vibratoire.

Abstract

Vibratory peening is a finishing process that combines two processes in one. It has the same effect as shot peening that increases fatigue life by inducing compressive residual stresses while polishing the treated part, which is usually done by vibratory finishing. This process is also believed to improve the industrial productivity since it combines the shot peening and the vibratory finishing processes into one single process. This study is part of a more general project that aims to explain the befenits of advanced surface treatment technologies on aerospace materials. Polytechnique Montréal collaborated with Safran France and Centre Technologique en Aérospatiale (CTA). This work concentrates on realizing a preliminary study of discrete elements simulations to assess velocity fields inside the vibratory peening machine during operation. It also involves an experimental study to intrument the vibratory peening machine to determine its 3D motion. The literature review reveals that the amplitude and the frequency of the vibratory peening machine were the most relevant parameters to characterize the effects of the process. The first part of the literature survey presents the vibratory peening process and the parameters that characterize it such as coverage and Almen intensity. The studies show that both shot peening and vibratory peening can reach a range of Almen intensities of 0.12 mmA to 0.25 mmA. The second part focuses on the ways of monitoring a vibratory peening machine. The kinematic modelling of the machine shows that the motion of a vibratory peening machine is vertical. This part also shows the common technologies able to measure vibrations at low frequencies. The third part of the literature review presents the ways of modelling granular flow. It shows that the discrete element method is the most relevant method to predict velocity fields inside a vibratory peening machine. The studies produced with the discrete element method show that normal forces between shot and the workpiece contributed to the peening effect while tangential forces contributed to the polishing effect. The experiments show that our vibratory peening machine has mainly vertical modes of vibrations. The amplitude of the vibratory peening machine at imposed shaft frequencies ranging from 17.5 Hz to 30 Hz varies from 1.7 mm to 2.6 mm. For specific shaft frequencies, second mode of vibration influences the displacement and velocity fields of media inside the vibratory peening machine. The second mode of vibration is a typical frequency of 3 Hz for 22.5 Hz and 30 Hz shaft frequencies. The amplitude is respectively of 5.3 mm and 8.5 mm at 22.5 Hz and 30 Hz. The simulations based on the measured motion of the vibratory peening machine show that the normal impact velocity of shot on the workpiece varies linearly with the shaft frequency of the vibratory peening machine. The impact velocity reaches 0.6 m/s at 17.5 Hz and 0.95 m/s at 30 Hz. Moreover, a linear correlation has been found between Almen intensity and impact velocity. Finally, this preliminary study permits to conclude that the discrete element method was appropriate to have a better understanding of the vibratory peening process and guide the next research about the interaction between media and workpiece with the vibratory peening process.