Air-assisted water jet cutting technology

Modern industrial applications require more and more often products characterized by tight tolerances and small features: this trend pushes machining technologies to continuously improve in order to reach higher and higher standards of quality and precision on the final workpiece. In this scenario, for water jet technology it is important to achieve a deeper understanding of the process sources of variability and inaccuracy, consequently overcoming its limitations and eventually leading to new developments and industrial possibilities or applications. In WJ applications,the very high upstream pressure together with the use of sharp-edged orifices allow the outflowing jet to achieve the hydraulic flip regime, which turns out to be the best fluid-dynamic condition to work with, being characterized by high coherence and a long breakup length. As often happens, reality goes much beyond theory as it can be noticed that during real working conditions external factors such as the presence of rebounding water or humidity can cause the temporary loss of jet stability by perturbing the hydraulic flip condition, causing inception of instabilities and thus jet pulsations. These disturbances can be neglected in common industrial applications where an extreme accuracy is not required, but they may be critical in case of high-precision water jet machining where an extreme control on the jet is crucial. A possible solution to this problem is proposed through a modification of the orifice inner geometry, namely a small-diameter hole connecting the orifice tube to the outside ambient in order to allow a controlled intake of air inside the orifice, with the aim of modifying the air flow field preventing the jet from the previous mentioned disturbances and finally enhancing the process stability. As a result the research work reports the proof of concept of a novel Air-Assisted Water Jet (AAWJ) system able to guarantee the optimal working conditions through a controlled air intake inside the orifice. The proposed solution has been proved to be viable and gives promising results in terms of external disturbances reduction, active control on the cutting process and process monitoring. The AAWJ principle can be applied both to PureWater Jet (PWJ) and Abrasive Water Jet (AWJ), addressing to an holistic improvement of the WJ technology. As a matter of fact, this could open the way to new possible high performance water jet applications.

Le moderne applicazioni industriali richiedono requisiti di qualità sempre più stringenti e tolleranze sempre più strette: questa tendenza costringe le tecnologie di produzione ad un miglioramento continuo al fine di raggiungere standard di qualità e precisioni sul pezzo finale sempre più alti. In questo scenario, per la tecnologia water jet è estremamente importante acquisire più profonda coscienza delle principali fonti di disturbo che generano variabilità e inaccuratezza durante la lavorazione, cercando di superare i suoi principali limiti tecnologici aprendo la strada a nuovi sviluppi e quindi a nuove possibili applicazioni industriali. Nelle applicazioni water jet, le elevate pressioni di lavoro unite all’utilizzo di ugelli a spigolo vivo consentono di ottenere le migliori condizioni fluidodinamiche di efflusso per questo genere di applicazioni, producendo un getto in regime di “hydraulic flip” caratterizzato da un’elevata lunghezza coerente. Ma come spesso accade, la realtà si discosta dalla mera analisi teorica come può essere facilmente notato durante le quotidiane condizioni di lavoro dove fattori di disturbo esterni quali la presenza di acqua proiettata e umidità possono perturbare la condizione di “hydraulic flip” e causare temporanee instabilità che si traducono in pulsazioni del getto. Queste fonti di disturbo possono essere trascurate nelle applicazioni industriali più comuni dove non è richiesta un’elevata accuratezza, ma diventano critiche nel caso di applicazioni di alta precisione dove il controllo del getto è fondamentale. In questo lavoro è proposta una possibile soluzione a questo problema, che prevede la modifica della geometria interna di un ugello standard mediante la creazione di un piccolo foro che metta in comunicazione la parte interna dell’ugello con l’esterno, consentendo l’immissione controllata di aria al fine di modificare il campo di moto interno all’ugello proteggendo il getto dai suddetti disturbi e garantendo la stabilità dello stesso. Tali soluzioni sono prima state verificate numericamente e successivamente si sono tradotte nella realizzazione di innovativi prototipi di sistemi assistiti ad aria, capaci di garantire le condizioni ottimali di lavoro e di adattare il getto alla specifica applicazione o allo specifico materiale in lavorazione. Tali soluzioni si sono dimostrate efficaci, fornendo promettenti risultati in termini di riduzione dei fattori di disturbo esterni, controllo attivo della struttura del getto ed anche monitoraggio di processo. Il principio dell’Air-Assisted Water Jet può essere infatti applicato sia per applicazioni ad acqua pura (Pure Water Jet) che ad abrasivo (Abrasive Water Jet) e si propone come un metodo per innovare la tecnologia water jet nel suo complesso. Concludendo, l’Air-Assisted Water Jet apre la strada al getto d’acqua verso nuove possibili applicazioni d’avanguardia e di alta precisione.