Development of a compensation model for abrasive waterjet cutting dimensional defects

Waterjet cutting is widely recognized as one of the most versatile non-conventional machining processes, thanks to its ability to process a great range of materials and thicknesses, introducing negligible thermal damage and limited residual stresses. Despite these advantages, precision applications are still limited by characteristic cutting defects. In particular, the loss of jet energy through the thickness leads to kerf taper, while the interaction between the jet and the material causes a jet lag between the commanded trajectory and the effective erosion front. These effects become especially critical in complex geometries, as corners and sharp features, which may exhibit poor dimensional accuracy. This research work starts with the aim of finding a way to correct the typical defects of waterjet technology in order to achieve higher machining precision. This thesis proposes the development of a compensation model able to reduce cutting defects. A calibration phase is first conducted, which relates the variables describing jet behavior (taper and jetlag) and the variable process parameters like feed rate and material thickness. Building on this calibration, a geometrical model is developed to predict the profile shape of the machined part and to compute the jet tilt angles to correct the cutting defects.The model developed has been tested performing several experiments to verify its prediction and compensation accuracy, showing how the model can be used for actual industrial applications.

Il taglio a getto d’acqua è ampiamente riconosciuto come uno dei processi di lavorazione non convenzionale più versatili, grazie alla sua capacità di lavorare un’ampia gamma di materiali e spessori, introducendo un danno termico trascurabile e tensioni residue limitate. Nonostante questi vantaggi, le applicazioni di precisione sono ancora limitate da difetti di taglio caratteristici del processo. In particolare, la perdita di energia del getto lungo lo spessore porta alla conicità del taglio (kerf taper), mentre l’interazione tra getto e materiale provoca un ritardo del getto (jet lag) tra la traiettoria comandata e il fronte effettivo di erosione. Tali effetti diventano particolarmente critici in geometrie complesse, come angoli e spigoli vivi, che possono mostrare una scarsa accuratezza dimensionale. Questo lavoro di ricerca nasce con l’obiettivo di individuare una strategia per correggere i difetti tipici della tecnologia waterjet, al fine di ottenere una maggiore precisione di lavorazione. La tesi propone lo sviluppo di un modello di compensazione in grado di ridurre i difetti di taglio. In primo luogo viene condotta una fase di calibrazione, che mette in relazione le variabili descrittive del comportamento del getto (taper e jet lag) con i parametri di processo, quali velocità di avanzamento e spessore del materiale. Sulla base di tale calibrazione, viene sviluppato un modello geometrico per predire la forma del profilo lavorato e calcolare gli angoli di inclinazione del getto necessari a compensare i difetti di taglio. Il modello proposto è stato testato attraverso diversi esperimenti per verificarne la capacità predittiva e l’accuratezza della compensazione, mostrando come possa essere impiegato in applicazioni industriali reali.