مطالعه تجربي آسيب‌هاي زيرسطحي و مكانيزم‌هاي باربرداري در فرآيند فرزكاري با جت آب و ساينده بر روي سراميك آلومينيوم اكسيد

Experimental Study of Subsurface Damage and Material Removal Mechanisms in Abrasive Waterjet Milling Process of Aluminum Oxide Ceramic

ماشينكاري مواد ترد مثل سراميك آلومينيوم اكسيد به دليل سختي و مقاومت سايشي زياد، آسيب‌هاي زيرسطحي وارده و كيفيت سطحي پايين قطعات، توسط روشهاي سنتي بسيار دشوار بوده و به دليل سايش شديد ابزار برشي بسيار پرهزينه مي‌باشد. در اين ميان، ماشينكاري با جت آب و ساينده به دليل عدم وجود تنشهاي حرارتي، نيروي بسيار كم وارد به قطعه كار، عدم تماس مستقيم بين ابزار و قطعه كار، عدم نياز به تيز كردن ابزار و سازگاري با محيط زيست، كاربرد زيادي در برشكاري مواد سخت و شكننده دارد. لذا در اين تحقيق به مطالعه تجربي فرآيند فرزكاري با جت آب و ساينده بر روي سراميك آلومينيوم اكسيد پرداخته شده است. در اين راستا تأثير پارامترهاي ورودي از قبيل فشار جت آب، سرعت پيشروي، درصد وزني ذرات ساينده و فاصله نازل از سطح قطعه كار، بر روي آسيبهاي زيرسطحي و مكانيزم‌هاي باربرداري (ميكرو برش و ميكرو شكست) تحليل شده است. بر اساس نتايج به دست آمده، مكانيزم غالب براده‌برداري براي سراميك آلومينيوم اكسيد ميكرو شكست است كه در آن، عمليات براده‌برداري از طريق ايجاد ميكرو ترك‌ها و تشكيل ميكرو چاله‌هايي صورت مي پذيرد كه در ناحيه‌اي پايين‌تر از عمق برخورد ذرات ساينده ايجاد مي‌شوند. همچنين مشاهده گرديد كه با افزايش مقدار فشار، كاهش سرعت پيشروي، كاهش فاصله نازل و افزايش درصد وزني ذرات ساينده، احتمال تشكيل ترك-هاي زيرسطحي بيشتر ميگردد. بر اساس نتايج آناليز واريانس، مهم‌ترين پارامترهاي تأثيرگذار بر عمق آسيب‌هاي زيرسطحي به ترتيب عبارتند از فشار جت آب، درصد وزني ذرات ساينده، سرعت پيشروي و فاصله نازل از سطح قطعه كار.

Machining of brittle materials 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. 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. The obtained results indicate that the dominant material removal mechanism for aluminum oxide is micro-fracture, in which, material removal takes place by formation of micro-cracks and micro-craters beneath the abrasives indentation depth. 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.