Study on the applicability of coupled Eulerian-Lagrangian formulation in abrasive waterjet machining simulations

Abstract

Non-conventional machining processes are considered as reliable alternatives to the established conventional ones in the case of processing of difficult-to-cut materials. Especially, Abrasive Waterjet Machining (AWJM) is advantageous for this purpose, as it can handle a wide range of workpiece materials and does not cause heat affected zones. In order to study the phenomena occurring during AWJM, numerical simulations should be carried out along with experiments. As machining processes involve significant material deformation, Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) Finite Elements (FE) models have been proven significantly accurate for this purpose, compared to pure Lagrangian models. Thus, in the present study it is attempted to compare the predicted results of CEL and pure Lagrangian models in the case of AWJM and determine whether this method is applicable for the process or not. Simulation cases based on experimental results are employed and discussion on the predicted cutting zone dimensions, stress and temperature field is conducted.

Нетрадиційні процеси обробки розглядаються як надійні альтернативи загальноприйнятим традиційним способам обробки важкооброблюваних матеріалів. Зокрема, для цієї мети вигідна абразивна водоструменева обробка (AWJM), оскільки цим методом можна обробляти широкий спектр матеріалів заготовки і не викликати зон термічного впливу. Для вивчення явищ, що відбуваються під час AWJM, слід проводити чисельне моделювання поряд з експериментами. Оскільки процеси обробки пов'язані зі значною лагранжевими (CEL) кінцевими елементами (FE) виявилися значно більш точними для цієї деформацією матеріалу, моделі з сполученими ейлерово- мети в порівнянні з чисто лагранжевськими моделями. Однак очевидна відмінність полягає в тому, що хоча обидві моделі правильно передбачають збільшення глибини різання при збільшенні швидкості абразивних частинок, передбачена глибина різання в середовищі CEL значно нижче, ніж в лагранжевській. Можливим поясненням цього результату може бути те, що, оскільки в формулюванні CEL не може бути зазначено видалення елемента, механізм крихкої ерозії, який присутній в експериментальних роботах, не може бути належним чином представлений в моделюванні. Таким чином, результуючі розміри зони різання для моделі CEL обумовлені тільки пластичною ерозією, особливо через пластичну деформацію. У разі моделі Лагранжа, глибина різання в будь-якому випадку значно більше, і зона різання має характерні сліди ерозії, викликані видаленими елементами, і подальшу ерозію нових поверхонь. Проте, в разі моделі CEL, здається, що матеріал заготовки стискається тільки через удари частинок, і деформація заготовки значно менша і більш однорідна, при цьому початковий кратер розширюється в напрямку глибини різання і поперечного напрямку. і з майже симетричним полем напружень, що розвиваються далеко від основної зони різання. Таким чином, в цьому дослідженні зроблено спробу порівняти передбачені результати моделей CEL і чисто лагранжевських в разі AWJM і визначити, чи може бути застосований цей метод для процесу чи ні. Використовуються випадки моделювання, засновані на експериментальних результатах, і проводиться обговорення прогнозованих розмірів зони різання, полів напружень і температури.