Study on mesh dependence of cutting zone dimensions prediction during abrasive waterjet machining

Abstract

Abrasive Waterjet Machining is a non-conventional material removal process, preferred to be used for the cutting of difficult-to-cut materials, due to its ability to remove material without the use of a tool and without causing heat affected zones. Experimentally, monitoring the phenomena taking place in the cutting area is very difficult, due to various reasons such as the high speed of the particles and the obstruction due to the water stream. Thus, a simulation approach, based on experimental data, is required in order to be able to explain these phenomena. In this work, a 3D thermo-mechanical Finite Element model is presented with realistic representation of the positioning of discrete abrasive particles and the dependence of cutting zone dimensions on the mesh size is investigated. After simulation, results are compared to experimental results, mesh independence study is conducted and finally, conclusions on the optimum mesh size are drawn and observed process characteristics are discussed.

Абразивна водоструменева обробка – це нетрадиційний процес видалення матеріалу, який краще використовувати для різання важкооброблюваних матеріалів через його здатності видаляти матеріал без використання інструменту і без створення зон термічного впливу. Експериментально, моніторинг явищ, що відбуваються в зоні різання, дуже утруднений через різноманітні причини, такі як висока швидкість частинок і перешкоди через потік води. Таким чином, імітаційний підхід, заснований на експериментальних даних, є найкращим для того, щоб пояснити ці явища. У даній роботі представлена тривимірна кінцево-елементна термомеханічна модель з реалістичним поданням положення дискретних абразивних частинок і досліджена залежність розмірів зони різання від розміру сітки. Після моделювання результати порівнюються з експериментальними результатами, проводиться дослідження незалежності сітки і, нарешті, робляться висновки про оптимальний розмір сітки і обговорюються характеристики процесу, які спостерігаються. Моделювання проводилося для трьох різних значень тиску гідроабразивного струменю з трьома різними сітками, і після цього були зроблені висновки що, існує явний вплив розміру елементу сітки на прогнозовані розміри зони різання. Що стосується глибини різання, різниця між ячеями різної щільності була більш очевидною для випадків зі швидкістю частинок 400 і 620 м/с, і в кожному випадку глибина різання була вище для більш дрібних ячей. Що стосується довжини і ширини обрізки, мінімальні зміни спостерігалися при різних розмірах елементів сітки. Крім того, розмір сітки безпосередньо вплинув на максимальну температуру заготовки, причому прогнозована температура була вище для більш дрібних сіток. Нарешті, запропонована модель була здатна передбачити експериментально спостережувані тенденції абразивної водоструменевої обробки (AWJM) і, таким чином, її можна вважати надійною для майбутніх досліджень.