Influence of the abrasive waterjet machining process on the surface for micromilling channels on titanium alloy

Titanium alloys are very popular in industrial applications thanks to their highly desirable properties: they are characterized by high strength-to-weight ratio, high fatigue resistance, biocompatibility and ability to maintain their strength in critical environments, such as at high temperatures or in corrosive conditions. However, due to their extremely low thermal conductivity and high chemical reactivity with many tool materials, titanium alloys are considered as hard to machine materials using traditional material removal processes. For these reasons abrasive waterjet (AWJ) technology is an excellent advanced manufacturing process to machine titanium alloys. Indeed, AWJ machining does not alter significantly the thermomechanical properties of workpieces, as its cutting mechanism involves abrasive particles mixed in a jet of high pressurized water, which do not induce localized material overheating. In addition, micromilling process is widely used in industrial applications, in response to the growing demand for high precision manufacturing. Micromilling allows to obtain high detailed features and at the same time guarantees ease of setup. The main objective of this thesis is to study the interaction of AWJ machining and micromilling, as an hybrid machining strategy. In this perspective, the function of AWJ machining is roughing and that of micromilling is finishing. Moreover, micromilling process applied to previously AWJ machined pockets is an underexplored topic in the current literature. This thesis focuses on the surface quality achievable after the sequential use of these two machining processes, by analyzing surface roughness, burrs formation and dimensional accuracy. Besides, this research work intends to support the optimization of hybrid machining strategies for titanium alloys, exploring its potential in high-precision manufacturing.

Le leghe di titanio sono largamente impiegate in ambito industriale grazie alle loro proprietà favorevoli. Tali leghe si distinguono per un'elevata resistenza in rapporto al loro peso, notevole resistenza a fatica, sono biocompatibili e mantegono la loro integrità strutturale in esercizio anche in ambienti critici, come nel caso di applicazioni ad alte temperature o in condizioni corrosive. Tuttavia, avendo una bassa conducibilità termica e non essendo chimicamente inerti nei confronti di molti materiali per utensili da taglio, queste leghe sono note per non essere facili da trattare con processi di asportazione di materiale tradizionali. Per queste ragioni, il taglio con getto d’acqua abrasivo (Abrasive Waterjet), rappresenta un'ottima scelta in qualità di processo avanzato per lavorazioni di leghe di titanio. Infatti, il meccanismo di asportazione di materiale che viene sfruttato dal getto d’acqua abrasivo, coinvolgendo particelle abrasive disperse in un getto d'acqua ad alta pressione, non causa un brusco innalzamento di temperatura localizzato quando agisce sul materiale e grazie a ciò non altera significativamente le proprietà termomeccaniche dei pezzi. Inoltre, un altro processo avanzato ampiamente utilizzato in ambito industriale, in risposta alla domanda crescente di manufatti ad alta precisione, è la microfresatura (micromilling). Tale processo di asportazione di truciolo consente microlavorazioni dettagliate e richiede una configurazione semplice. Questa tesi si pone come obbiettivo principale quello di studiare l'interazione di lavorazioni di fresatura per mezzo di getto d'acqua abrasivo e quello di microfresatura. In tale prospettiva, il getto d'acqua abrasivo viene impiegato per la sgrossatura, e in seguito la microfresatura per operazioni di finitura. In aggiunta, attualmente in letteratura la microfresatura applicata su tasche ottenute per mezzo di fresatura con getto d'acqua abrasivo è un tema non ancora esplorato in modo esaustivo. Questo lavoro di tesi si concentra sullo stato superficiale conseguente a tali lavorazioni svolte in modo sequenziale, analizzando la rugosità superficiale dei pezzi, la presenza di bave da microfresatura e l'accuratezza dimensionale. Infine, questa ricerca intende fornire un supporto per ottimizzare una strategia di lavorazione ibrida per leghe di titanio, investigando il suo potenziale per produzioni ad alta precisione.