Development of monitoring strategies for uniform material removal in micro polishing

Micro polishing is a finishing process that, plays a vital role in many product process chain. At state of the art, micro polishing is mainly achieved with laser or fluid jet machining. The potentiality of micro-mechanical polishing, however, allows the tool to reach difficult features and give better process control. The primary objective of the current work is to conceptualise, develop and lastly apply, monitoring strategies to achieve uniform material removal. Being micro-mechanical polishing, a relatively new process where little is know at state of the art. The work gives a detailed description of the variables that affect the material removal distribution, and it delves into the development of monitoring solutions towards a more deterministic process. The forces acting on both system and workpiece are described with some initial hypotheses. A set of experiments are then carried out to validate these hypotheses. From the described parameters affecting polishing, vibration has been selected for an in-depth analysis. It has been found that the natural frequencies of the structure increase the material removal rate without compromising the surface roughness. Therefore by the right selection of parameters, it is possible to speed up the polishing process without affecting the overall quality of the component. The work not only tackles material removal rate analysis, but it also deals with the improvement of surface roughness and defect detection. A critical analysis of sensor requirements, together with a location optimisation, is presented in order to achieve optimal monitoring strategies. The combined use of dynamometer, accelerometer and acoustic emission sensor has been found to fully describe the polishing process throughout the whole frequency spectrum. From the frequency analysis of those sensors, form, waviness and roughness of the polished samples, have been estimated and verified experimentally. A correlation between absorbed current and offset has been found. This correlation is then used to develop a redundant system for a machine fault analysis. Similar correlations have been found between offset and vibrations, and similarly, a workpiece fault analysis is conceptualised, developed and validated. Small defects as pull out on the polishing workpiece are detected through the developed monitoring solutions. The work also focuses on tool shape reconstruction by means of a triangulation laser system. This is done to relate the tool geometry evolution with tool wear. Lastly, a suite of GUIs have been developed to perform probing and referencing of the workpiece with a repeatable and accurate approach.

Micro polishing è un processo di finitura che ha un ruolo fondamentale in molte catene di produzione. In letteratura, micro polishing è ottenuto solo con laser o fluid jet machines. Le potenzialità del micro polishing, tuttavia, consentono all’utensile di effettuare lavorazioni complesse ed avere un controllo migliore sul processo. L’obiettivo principale del seguente lavoro di tesi è di concettualizzare, sviluppare e infine applicare strategie di monitoraggio per avere una rimozione del materiale uniforme. Il lavoro di tesi descrive accuratamente le variabili che influenzano la distribuzione del materiale rimosso, e approfondisce lo sviluppo di soluzioni di monitoraggio verso un processo più deterministico. Le forze che agiscono sia sul sistema che sul pezzo sono descritte con alcune ipotesi iniziali. Viene quindi effettuata una serie di esperimenti per convalidare queste ipotesi. Tra i parametri descritti che riguardano il polishing, le vibrazioni sono state selezionate per un'analisi approfondita. È stato riscontrato che le frequenze naturali della struttura aumentano la velocità di rimozione del materiale senza compromettere la rugosità della superficie. Pertanto, con la giusta selezione di parametri, è possibile accelerare il processo di polishing senza influire sulla qualità complessiva del componente. Il lavoro non solo affronta l'analisi della rimozione del materiale, ma si occupa anche del miglioramento della rugosità superficiale e del rilevamento dei difetti. Viene presentata un'analisi critica dei requisiti dei sensori, insieme a un'ottimizzazione della loro posizione, al fine di ottenere strategie di monitoraggio ottimali. L'uso combinato di dinamometro, accelerometro e sensore di emissione acustica è stato usato per descrivere completamente il processo di polishing in tutto lo spettro delle frequenze. Dall'analisi di frequenza di tali sensori, la forma, l'ondulazione e la rugosità dei campioni sono state stimate e verificate sperimentalmente. È stata trovata una correlazione tra corrente assorbita e offset. Questa correlazione viene quindi utilizzata per sviluppare un sistema ridondante per un'analisi dei guasti della macchina. Correlazioni simili sono state trovate tra offset e vibrazioni, e similmente, un'analisi dei difetti del pezzo viene concettualizzata, sviluppata e validata. Piccoli difetti come pull outs vengono rilevati attraverso le soluzioni di monitoraggio sviluppate. Il lavoro si concentra anche sulla ricostruzione della forma dell'utensile mediante un sistema laser a triangolazione. Questo viene fatto per mettere in relazione l'evoluzione della geometria dell'utensile con l'usura dell'utensile. Infine, è stata sviluppata una suite di GUI per referenziare l’utensile al pezzo con un approccio ripetibile e preciso.