Obróbka wysokociśnieniowym stłumieniem wodnym oraz wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym zaliczana do grupy technologii określanej mianem High-Tech, jest jedną z metod erozyjnych sposobów obróbki. Zalety tej metody obróbki polegają na m.in. na stosowaniu przyjaznych ekologicznie i powszechnie dostępnych mediów obróbkowych, jakimi są woda i ścierniwo, możliwości obróbki praktycznie każdego materiału w tym niejednorodnych (kompozyty zbrojone włóknami) w dużym zakresie grubości. Kolejne zalety tej metody sposobu obróbki, jak np. brak wpływów cieplnych na materiał obrabiany, niewielka szerokość cięcia, łatwość automatyzacji uzasadniają stosowanie metody obróbki strumienia wodnościernego w przemyśle lotniczym, samochodowym, kosmicznym, zbrojeniowym, spożywczym i szeregu innych. Dla uzyskania materiałów o najwyższej jakości powierzchni obrobionej uzyskanej metodą wodnościerną konieczny jest właściwy dobór parametrów obróbki. Z powodu złożonego wzajemnego oddziaływania wielu parametrów obróbki wodnościernym poszukuje się rozwiązań, które w sposób prosty, szybki i niedrogo opracują model, który prognozowałby głębokość przecięcia bez przeprowadzania badań eksperymentalnych lub, jeśli istnieje taka konieczność, ich zmniejszenia do minimum. Do tej pory zbudowano jedynie kilka prostych modeli, które wykorzystywały metodę elementów skończonych, w celu określenia mechanizm erozji. Badania te jednak dotyczyły z reguły tylko materiałów jednorodnych (np. stal). Celem nadrzędnym pracy jest zbudowanie modelu, który umożliwi prognozowanie głębokości erozji materiałów niejednorodnych typu włókniste kompozyty polimerowe. W celu wyjaśnienia zjawisk powstających w czasie procesu cięcia strumieniem wodnościernym zbudowano nieliniowy, dynamicznych model MES. Podstawowym zadaniem podczas projektowania modelu jest opracowanie wzajemnego oddziaływania narzędzia i materiału przedmiotu obrabianego. Model materiału obrabianego uwzględnia takie warunki, jakimi są: ortotropia charakterystyczna dla kompozytów zbrojone włóknami długimi, warunki warstwy przejściowej definiującej połączenie międzywarstwowe. Model narzędzia opiera się na dwóch podejściach: pierwszy, do analizy uderzenia pojedynczej cząstki ścierniwa w powierzchnię przedmiotu obrabianego dla celów śledzenia penetracji cząstki w kompozycie, drugi, do analizy uderzenia strumienia wodnego dla celów śledzenia penetracji czystej wody w materiale i śledzenia zjawisk różnych zniszczeniowych, takich jak delaminacja. Na podstawie pierwszego modelu opracowano model matematyczny do prognozowania całkowitej głębokości przecięcia w zależności od niektórych wybranych parametrów obróbki tj. ciśnienie, posuw, strumień ścierniwa. Na podstawie drugiego modelu zbadano wpływ zastosowania strumienia czystej wody na charakter erozji kompozytu. Dodatkowo wyznaczono odkształcenia i naprężenia w otoczeniu strefy przecięcia materiału przedmiotu obrabianego jako wynik erozyjnego działania strumienia wodnościernego. Badania modelowe poddano weryfikacji na drodze doświadczeń laboratoryjnych. Zbadano szczegółowy wpływ warunków pracy (tj. ciśnienie strumienia wodnościernego, posuw głowicy tnącej, natężenia przepływu ścierniwa) na głębokość erozji i topografię przecięcia. Wykonano szereg eksperymentów, w którym zmieniano w szerokim zakresie parametry i zarejestrowano odpowiadające im kształty szczelin przecięcia. Badania wykonano dla kilku rodzajów próbek kompozytowych. Wykorzystano maszynę do obróbki strumieniem wodnościernym, o maks. ciśnieniu strumienia wodnościernego 380 [MPa]. Zarys wrębu w próbkach kompozytowych, topografia przecięcia i głębokość szczeliny zostały zmierzone na maszynie pomiarowej. Kształt wrębów przedstawiono na fotografiach. Wyniki badań doświadczalnych potwierdziły możliwość prognozowania głębokości erozji na drodze obliczeń metodą elementów skończonych. Model MES w sposób dokładny, czyli na poziomie akceptowalnego błędu wyniku tj. ok. 10%.
The waterjet machining and abrasive waterjet machining belongs to group of technology, which is called High-Tech. The advantages of AWJM rely on using ecological and commonly accessible machining of each material including inhomogeneous materials (composites reinforced by fibers). The other advantages of the AWJM such as: no thermal effects inside workpiece, narrow cutting width and automation facility let to apply that machining method in automotive, aircraft, aerospace and military industry. It is necessary to proper choice of machining parameters to obtain workpiece surface with good quality machined by AWJM. Due to the complex interaction of several AWJM parameters should be created simple, quick and inexpensive method of predict depth kerf model without experimental researches . Up to day only few simply models were created using the finite element method, which allow analyzing erosion mechanism. However that research concerned only homogenous materials (e.g. steel). The main objective of the doctor's thesis is developing a model for prediction of the depth of cut of inhomogeneous materials (polymeric composites reinforced by fibers). A nonlinear dynamic finite element model has been developed in order to explain the behavior of the process. During development of model the basis of task has been definition of interaction between the tool and a workpiece. There are detailed analysis design composite materials and cutting tool. Two analysis has been conducted: first, the impacting single abrasive particle into surface of workpiece analysis, second, the analysis impacting pure waterjet in order to observation of penetration water inside material and tracing failure phenomena such us delamination. On the basis of first model a mathematical model for depth kerf prediction was developed. The one depends on several machining parameters i.e. pressure, traverse rate, abrasive flow rate. On the basis of second model the influence pure waterjet on character of composite erosion mechanism was studied. Additionally deformations and stresses in the workpiece material, the vicinity of the cutting interface as a result of the erosion impact by abrasive waterjet were obtained. The FEA of AWJM was verified by experimentation. The effect of the working condition e.g. waterjet [pressure, traverse rate, abrasive flow rate on the depth of cut and kerf topography are investigated in detail. Extensive series of AWJM experiments for large range of working conditions were made and corresponding kerf shapes were recorded. The research for several specimens were earned out. The machine tool had a maximum pressure of 380 MPa. The workpiece kerf profile, cutting topography and kerf depth were measured on the measuring machine. The profile as photos was presented. The experimental results confirmed capability of the FEM in predicting the depth of cut. The model accurately predicts the depth of erosion acceptable range of calculation error i.e. 10%.
