3D cutting defects compensation model for abrasive waterjet in industrial applications

Waterjet can be considered the most flexible non conventional cutting technology, due to its capability to machine various materials with a wide thickness range. Moreover, its limited side effects left on the machined part make waterjet suitable for special applications. Indeed, waterjet machined parts neither present thermal or chemical alterations, nor significant residual mechanical stresses or deformations. However, waterjet technology presents some typical problems due to the fact that the jet is not solid as a milling tool but it is a stream of water, air and abrasive, interacting with the machined material. This interaction causes a kerf width varition along the thickness due to the jet power loss while penetrating the workpiece (taper). Moreover, the jet is pushed forward the feed direction, thus resulting in a poor machining of complex features like corners, expecially on the lower surface (jet lag). The aim of this work is to improve the quality of waterjet 3D cut on metal sheets, reducing typical defects in order to achieve near-net-shape parts. In this case, 3D cut consists in achieving set slopes on the machined walls. This is made possible by the combination of the 5-axis cutting head tilt angles. This dissertation illustrates the development of a compensation model able to reduce cutting defects suitably modifying these angles. The compensation model is made of two parts, the calibration and the geometrical error correction. The calibration model relates the defects detected on simple linear cuts (taper and jet lag) and the process parameters like feed rate, material thickness and nominal cutting head tilt angle. Starting from analytical calibration functions, the geometrical model is able to predict machined part profile shape and to correct cutting head tilt angles in order to reduce cutting defects. The model developed for Aluminium alloys was tested to verify its prediction and compensation accuracy. With this approach the defects are reduced at least of 50% in most critical conditions. Great effort was put in writing rigorous and repeatable cutting and measurement procedures in order to make this approach as general as possible.

La tecnologia waterjet sta avendo un notevole successo nelle applicazioni manifatturiere grazie alla sua capacità di lavorare differenti materiali e ai minimi effetti lasciati sulla parte lavorata. Infatti, i pezzi lavorati non presentano alterazioni termiche o chimiche, né sollecitazioni o deformazioni meccaniche residue. Tuttavia, la tecnologia waterjet presenta alcuni problemi dovuti al fatto che il getto non è solido come un'utensile da asportazione di truciolo, ma è un mix di acqua, aria e abrasivo che interagisce con il materiale da lavorare. L'interazione con il materiale genera una variazione del solco di taglio lungo lo spessore dovuta alla perdita di potenza del getto (taper). Inoltre, il getto viene deflesso all'indietro rispetto la direzione d'avanzamento causando difetti in geometrie complesse come gli spigoli (jet lag). Lo scopo del lavoro è il miglioramento della qualità del taglio 3D della tecnologia waterjet. In questo caso, il taglio 3D consiste nell'ottenere pareti con una specifica inclinazione attraverso la combinazione degli angoli d'inclinazione di una testa di taglio a 5 assi. Viene descritto lo sviluppo di un modello di compensazione in grado di ridurre i difetti modificando gli angoli d'inclinazione. Il modello di compensazione si divide in due parti, la calibrazione e la correzione geometrica dei difetti. Il modello di calibrazione mette in relazione il jet lag e il taper contenuti in semplici tagli lineari con parametri di processo, come velocità d'avanzamento, spessore del materiale e l'angolo nominale d'inclinazione della testa. Attraverso le funzioni di calibrazione, il modello geometrico è in grado di prevedere il profilo del componente tagliato e di correggere gli angoli d'inclinazione della testa al fine di ridurre i difetti. Il modello sviluppato per una lega di alluminio è stato validato al fine di verificarne la precisione di previsione e di compensazione. Con questo approccio i difetti sono stati ridotti di circa il 50% nelle condizioni più critiche. Inoltre, un grande sforzo è stato fatto nel descrivere in modo preciso le procedure di taglio e di misura al fine di rendere questo approccio il più generale possibile.