The aim of this study is the design and performance analysis of a feeding system for a novel superfine abrasive in micro waterjet cutting (μAWJ). A method for the analysis of abrasive powders using an X-ray Computed Tomography is presented. The abrasive particles are analyzed in terms of size and shape, using the Ellipsoidal Factor, to evaluate the actual fluid dynamic resistance coefficient CD. The use of this CD value results in a more accurate estimation of the particle velocity in the jet. The abrasive flow rate steadiness is a fundamental requirement for the proposed system in order not to have discontinuity in cutting quality. This requirement is more relevant in μAWJ applications, where low m ̇_(a ) make the precise control crucial to meet the required tolerances. The device designed during the present study is a significant evolution of the first prototype by WJ_Lab. It uses a mixture composed of gel and a novel superfine abrasive (Barton Garnet W0, average particle size equal to 26 µm) to overcome the hygroscopicity-related problems, which may cause discontinuous feeding and cutting head clogging. A method for facing the suction effect caused by the mixing chamber depression is presented. In the novel system, the usual decoupler that allows air freely enter the jet, is replaced by a more evolved system. A ball valve is put on the abrasive line to counteract the mixing chamber suction and also the inlet air flow is managed by a dedicated valve attached to a coaxial injector. The volumetric air flow reduction in the jet results in a more effective momentum transfer from the water stream to the incoming abrasive flow, thus higher abrasive velocities may be achieved also in short focusing tubes. The performances of both systems (conventional and evolved injection) are compared in terms of jet coherence and finally a cutting test is performed in order to evaluate the surface quality achievable by using the W0 superfine abrasive.
Lo scopo di questo studio è la progettazione e l’analisi delle prestazioni di un sistema per l’adduzione di un abrasivo superfine nel taglio a micro getto d’acqua (µAWJ). Viene presentato un metodo per l’analisi delle polveri di abrasivo utilizzando una tomografia computerizzata a raggi X. Le particelle di abrasivo vengono analizzate in termini di dimensioni e forma, utilizzando il fattore ellissoidale delle stesse per valutare il coefficiente di resistenza fluidodinamica CD. L’utilizzo del valore del CD così ottenuto permette una più accurata stima della velocità delle particelle nel getto. Un requisito fondamentale del sistema proposto è la costanza della portata di abrasivo, in modo da non avere discontinuità nella qualità del taglio. Questo requisito è maggiormente rilevante in applicazioni μAWJ, dove le basse portate massiche di abrasivo rendono cruciale un suo controllo preciso per soddisfare le tolleranze richieste. Il dispositivo progettato durante il presente studio è un’evoluzione significativa del primo prototipo del WJ_Lab. Esso usa una miscela composta da gel e abrasivo innovativo superfine (Barton Garnet W0, avente particelle con diametro medio pari a 26 µm) per superare i problemi relativi all’igroscopicità, che potrebbero causare intasamenti nella testa di taglio. Viene presentato un metodo per contrastare l'effetto di suzione causato dalla depressione presente nella camera di miscelazione. Nel nuovo sistema, il tradizionale disaccoppiatore che consente all'aria di entrare liberamente nel getto, viene sostituito da un sistema più evoluto. Una valvola a sfera viene posta sulla linea dell’abrasivo per contrastare tale suzione. Anche il flusso d'aria in ingresso è gestito da una valvola dedicata attaccata a un iniettore coassiale. La riduzione della quantità di aria nel getto si traduce in un trasferimento della quantità di moto più efficace dalla corrente d'acqua al flusso di abrasivo, pertanto si possono ottenere velocità per le particelle di abrasivo più elevate anche in brevi tubi focalizzatori. Vengono confrontate le prestazioni di entrambi i sistemi (convenzionale ed evoluto) in termini di coerenza del getto e per ultimo è stata eseguita una prova di taglio per valutare la qualità superficiale ottenibile per mezzo dell’utilizzo dell’abrasivo superfine W0.
Superfine abrasive feeding performance in micro abrasive waterjet cutting
MERAVIGLIA, LUCA
2016/2017
Abstract
The aim of this study is the design and performance analysis of a feeding system for a novel superfine abrasive in micro waterjet cutting (μAWJ). A method for the analysis of abrasive powders using an X-ray Computed Tomography is presented. The abrasive particles are analyzed in terms of size and shape, using the Ellipsoidal Factor, to evaluate the actual fluid dynamic resistance coefficient CD. The use of this CD value results in a more accurate estimation of the particle velocity in the jet. The abrasive flow rate steadiness is a fundamental requirement for the proposed system in order not to have discontinuity in cutting quality. This requirement is more relevant in μAWJ applications, where low m ̇_(a ) make the precise control crucial to meet the required tolerances. The device designed during the present study is a significant evolution of the first prototype by WJ_Lab. It uses a mixture composed of gel and a novel superfine abrasive (Barton Garnet W0, average particle size equal to 26 µm) to overcome the hygroscopicity-related problems, which may cause discontinuous feeding and cutting head clogging. A method for facing the suction effect caused by the mixing chamber depression is presented. In the novel system, the usual decoupler that allows air freely enter the jet, is replaced by a more evolved system. A ball valve is put on the abrasive line to counteract the mixing chamber suction and also the inlet air flow is managed by a dedicated valve attached to a coaxial injector. The volumetric air flow reduction in the jet results in a more effective momentum transfer from the water stream to the incoming abrasive flow, thus higher abrasive velocities may be achieved also in short focusing tubes. The performances of both systems (conventional and evolved injection) are compared in terms of jet coherence and finally a cutting test is performed in order to evaluate the surface quality achievable by using the W0 superfine abrasive.File | Dimensione | Formato | |
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