Analysis of application of the material force response to the abrasive water jet impact

Abstract

The abrasive waterjet is already well described in terms of physics, but descriptions of the waterjet machining process are very complex and unsuitable for monitoring of this process, so it is important to look into the problem from the other side. The response of the material has been studied in past but the idea of using this response for online monitoring of the process remains unexplored. This thesis aims at studying this response using series of experiments. Two parameters that were selected as the best for this thesis were the forces exerted by the abrasive water jet upon the material and the vibrations of the sample. These parameters were measured at different workstation and upon different materials. Measured values were then compared and constants were defined that determine the effect of the used material and workstation on the measured force. These constants might help to determine, if the machining process was without errors. Measured force should be approximately equal to the product of these constants and the ideal force. This ideal force is calculated as a product of the applied pumping pressure and the cross-section area of the water nozzle. Measured vibrations are expected to be inversely proportional to the mass of the workpiece. They can be also expected to be proportional to the measured forces. The theoretical and experimental values were compared, and it was discovered that in the axis of the jet flow direction the errors are the lowest and fairly consistent. If the relative error exceeded some threshold values, it was discovered that the cut was not completed. This can be used in practice for monitoring of the cutting process in a real time to determine, if any error in the machining process or failure occurred.

Abrazivní vodní paprsek je již dobře fyzikálně popsán, ale popisy procesu obrábění vodním paprskem jsou velmi složité a nevhodné pro monitorování tohoto procesu, proto je třeba se na problém podívat z druhé strany. Odezva materiálu byla studována již dříve, ale myšlenka využití této odezvy pro online monitorování procesu zůstává neprozkoumaná. Cílem této diplomové práce je studium této odezvy pomocí série experimentů. Dva parametry, které byly vybrány jako nejlepší pro tuto práci, byly síly způsobené abrazivním vodním paprskem na materiálu a vibrace vzorku. Tyto parametry byly měřeny na různých pracovních stanicích a na různých materiálech. Naměřené hodnoty byly následně porovnány a byly definovány konstanty, které určují vliv použitého materiálu a pracovního místa na naměřenou sílu. Tyto konstanty by mohly pomoci určit, zda byl proces obrábění bez chyb. Naměřená síla by se měla přibližně rovnat součinu těchto konstant a ideální síly. Tato ideální síla se vypočítá jako součin použitého tlaku a plochy průřezu vodní trysky. Očekává se, že naměřené vibrace budou nepřímo úměrné hmotnosti obrobku. Lze také očekávat, že budou úměrné naměřeným silám. Byly porovnány teoretické a experimentální hodnoty a bylo zjištěno, že v ose směru paprsku jsou chyby nejmenší a poměrně konzistentní. Pokud relativní chyba překročila určené mezní hodnoty, bylo zjištěno, že řez nebyl v pořádku. Toho lze v praxi využít k monitorování procesu v reálném čase, by bylo možné zjistit, zda nedošlo při obrábění materiálu k chybě nebo poruše.