مطالعه تجربی آسیب‌های زیرسطحی و مکانیزم‌های باربرداری در فرآیند فرزکاری با جت آب و ساینده بر روی سرامیک آلومینیوم اکسید

ماشینکاری مواد ترد مثل سرامیک آلومینیوم اکسید به دلیل سختی و مقاومت سایشی زیاد، آسیب‌های زیرسطحی وارده و کیفیت سطحی پایین قطعات، توسط روشهای سنتی بسیار دشوار بوده و به دلیل سایش شدید ابزار برشی بسیار پرهزینه می‌باشد. در این میان، ماشینکاری با جت آب و ساینده به دلیل عدم وجود تنشهای حرارتی، نیروی بسیار کم وارد به قطعه کار، عدم تماس مستقیم بین ابزار و قطعه کار، عدم نیاز به تیز کردن ابزار و سازگاری با محیط زیست، کاربرد زیادی در برشکاری مواد سخت و شکننده دارد. لذا در این تحقیق به مطالعه تجربی فرآیند فرزکاری با جت آب و ساینده بر روی سرامیک آلومینیوم اکسید پرداخته شده است. در این راستا تاثیر پارامترهای ورودی از قبیل فشار جت آب، سرعت پیشروی، درصد وزنی ذرات ساینده و فاصله نازل از سطح قطعه کار، بر روی آسیبهای زیرسطحی و مکانیزم‌های باربرداری (میکرو برش و میکرو شکست) تحلیل شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، مکانیزم غالب براده‌برداری برای سرامیک آلومینیوم اکسید میکرو شکست میاشد که در آن، عملیات براده‌برداری از طریق ایجاد میکرو ترک‌ها و تشکیل میکرو چاله‌هایی صورت میپذیرد که در ناحیه‌ای پایین‌تر از عمق برخورد ذرات ساینده ایجاد می‌شوند. همچنین مشاهده گردید که با افزایش مقدار فشار، کاهش سرعت پیشروی، کاهش فاصله نازل و افزایش درصد وزنی ذرات ساینده، احتمال تشکیل ترکهای زیرسطحی بیشتر میگردد. بر اساس نتایج آنالیز واریانس، مهم‌ترین پارامترهای تاثیرگذار بر عمق آسیب‌های زیرسطحی به ترتیب عبارتند از فشار جت آب، درصد وزنی ذرات ساینده، سرعت پیشروی و فاصله نازل از سطح قطعه کار.

Experimental study of subsurface damage and material removal mechanisms in abrasive waterjet milling process of aluminum oxide ceramic

Machining of hard and brittle materials such as aluminum oxide ceramic by conventional machining processes is very difficult due to the high hardness and wear resistance of this material, subsurface damages, poor surface quality and severe wear of the cutting tool. In this regard, abrasive water jet machining is widely used for machining of hard and brittle materials due to its excellent properties such as lack of thermal stresses, low machining forces, lack of mechanical contact between the specimen and cutting tool and compatibility with environment. Hence, in this research, abrasive water jet milling of aluminum oxide ceramic was experimentally investigated. In this respect, the influence of input parameters such as water jet pressure, feed rate, abrasive particles weight fraction and nozzle gap was evaluated on subsurface damages and material removal mechanisms (i.e. microcutting and microfracture). The obtained results indicate that the dominant material removal mechanism for aluminum oxide is microfracture, in which, material removal takes place by formation of microcracks and microcraters beneath the abrasives indentation depth. Also, the results demonstrate that the probability of subsurface damages formation increases by increasing the jet pressure, decreasing feed rate, decreasing the nozzle gap and increasing the abrasives weight fraction. The statistical analysis of variance (ANOVA) revealed that the most significant parameters affecting subsurface damage depth are water jet pressure, weight fraction of abrasive particles, feed rate and nozzle gap, respectively. The contribution percentage of these parameters is 54.37%, 31.15%, 12.91% and 1.57%, respectively.