Mechanical Engineering

Introduction Abrasive water jet cutting is an extended version of water jet cutting; in which the water jet contains abrasive particles such as silicon carbide or aluminum oxide in order to increase the  material  removal  rate  above  that  of  water  jet  machining.  Almost  any  type  of  material ranging  from  hard  brittle  materials  such  as  ceramics,  metals  and  glass  to  extremely  soft materials such as foam and rubbers can be cut by abrasive water jet cutting. The narrow cutting stream and computer controlled movement enables this process to produce parts accurately and efficiently. This machining process is especially ideal for cutting materials that cannot be cut by laser or thermal cut. Metallic, non-metallic and advanced composite materials of various thicknesses can be cut by this process. This process is particularly suitable for heat sensitive materials that cannot be machined by processes that produce heat while machining. The schematic of abrasive water jet cutting is shown in Figure 15 which is similar to water jet cutting apart from some more features underneath the jewel; namely abrasive, guard and mixing tube. In this process, high velocity water exiting the jewel creates a vacuum which sucks abrasive from the abrasive line, which mixes with the water in the mixing tube to form a high velocity beam of abrasives Applications Abrasive  water  jet  cutting  is  highly  used  in  aerospace,  automotive  and  electronics industries. In aerospace industries, parts such as titanium bodies for military aircrafts, engine components (aluminium, titanium, and heat resistant alloys), aluminum body parts andinteriorcabin parts are made using abrasive water jet cutting. In automotive industries, parts like interior trim (head liners, trunk liners, and door panels) and  fiber  glass  body  components  and  bumpers  are  made  by  this  process.  Similarly,  in electronics industries, circuit boards and cable stripping are made by abrasive water jet cutting. Advantages of abrasive water jet cutting •       In most of the cases, no secondary finishing required •       No cutter induced distortion •       Low cutting forces on work pieces •       Limited tooling requirements •       Little to no cutting burr •       Typical finish 125-250 microns •       Smaller kerf size reduces material wastages…

Introduction Water  jet  cutting  can  reduce  the  costs  and  speed  up  the  processes  by  eliminating  or reducing expensive secondary machining process. Since no heat is applied on the materials, cut edges are clean with minimal burr. Problems such as cracked edge defects, crystallization, hardening, reduced weldability and machinability are reduced in this process. Water jet technology uses the principle of pressurizing water to extremely high pressures, and allowing the water to escape through a very small opening called “orifice” or “jewel”. Water jet cutting uses the beam of water exiting the orifice to cut soft materials. This method is not suitable for cutting hard materials. The inlet water is typically pressurized between 1300 – 4000 bars. This high pressure is forced through a tiny hole in the je el, hich is typically 0.18 to 0.4 mm in diameter. Picture of water jet chinning process. Applications Water jet cutting is mostly used to cut lower strength materials such as wood, plastics and aluminum. When abrasives are added, (abrasive water jet cutting) stronger materials such as steel and tool steel. Advantages of Water Jet Cutting •   There is no heat generated in water jet cutting; which is especially useful for cutting    tool steel and other metals where excessive heat may change the properties of the material. •   Unlike machining or grinding, water jet cutting does not produce any dust or particles that are harmful if inhaled. •   Other advantages are similar to abrasive water jet cutting Disadvantages of water jet cutting •   One of the main disadvantages of water jet cutting is that a limited number of materials can be cut economically. •   Thick parts cannot be cut by this process economically and accurate ly…

Material removal in AJM takes place due to brittle fracture of the work material due to impact of high velocity abrasive particles. Modeling has been done with the following assumptions: (i) Abrasives are spherical in shape and rigid. The particles are characterized by the mean grit diameter (ii) The kinetic energy of the abrasives are fully utilized in removing material (iii) Brittle materials are considered to fail due to brittle fracture and the fracture volume is considered to be hemispherical with diameter equal to choral length of the indentation (iv) For ductile material, removal volume is assumed to be equal to the indentation volume due to particulate impact

Abrasive:  Material – Al2O3 / SiC / glass beads Shape – irregular / spherical Size – 10 ~ 50 μm Mass flow rate – 2 ~ 20 gm/min Carrier gas: Composition – Air, CO2, N2 Density – Air ~ 1.3 kg/m3 Velocity – 500 ~ 700 m/s Pressure – 2 ~ 10 bar Flow rate – 5 ~ 30 lpm Abrasive Jet : Velocity – 100 ~ 300 m/s Mixing ratio – mass flow ratio of abrasive to gas Stand-off distance – 0.5 ~ 5 mm Impingement Angle – 60  ~    90 Nozzle: Material – WC Diameter – (Internal) 0.2 ~ 0.8 mm Life – 10 ~ 300 hours

In Abrasive Jet Machining (AJM), abrasive particles are made to impinge on the work material at a high velocity. The high velocity abrasive particles remove the material by micro- cutting action as well as brittle fracture of the work material. In AJM, generally, the abrasive particles of around 50 μm grit size would impinge on the work material at velocity of 200 m/s from a nozzle of I.D. of 0.5 mm with a standoff distance of around 2 mm. The kinetic energy of the abrasive particles would be sufficient to provide materialremoval due to brittle fracture of the work piece or even micro cutting by the abrasives.            Schematic Arrangement of AJM      

•          Abrasive Jet Machining (AJM) •          Abrasive Water Jet Machining (AWJM) •          Water Jet Machining (WJM) •          Ultrasonic Machining (USM)

1 ULTRA SONIC MACHINING USM is a mechanical material removal process in which the material is removed by repetitive impact of abrasive particles carried in liquid medium on to the work surface, by a shaped tool, vibrating at ultrasonic frequency. 2 ABRASIVE JET MACHINING It is the material removal process where the material is removed or machined by the impact erosion of the high velocity stream of air or gas and abrasive mixture, which is focused on to the work piece. 3. LASER BEAM MACHINING Laser-beam machining is a thermal material-removal process that utilizes a high- Energy, Coherent light beam to melt and vaporize particles on the surface of metallic and non- Metallic work pieces. Lasers can be used to cut, drill, weld and mark. LBM is particularly suitable for making accurately placed holes. 4. ELECTRON EAM MACHINING It is the thermo-electrical material removal process on which the material is removed by the high velocity electron beam emitted from the tungsten filament made to…

1.     Mechanical Processes •          Abrasive Jet Machining (AJM) •          Abrasive Water Jet Machining (AWJM) •          Water Jet Machining (WJM) •          Ultrasonic Machining (USM)              2. Electrochemical Processes •          Electrochemical Machining (ECM) •          Electro Chemical Grinding (ECG) •          Electro Jet Drilling (EJD) 3. Electro-Thermal Processes •          Electro-discharge machining (EDM) •          Laser Jet Machining (LJM) •          Electron Beam Machining (EBM) 4. Chemical Processes…

• Extremely hard and brittle materials or Difficult to machine material are difficult to Machine by traditional machining processes. • When the work piece is too flexible or slender to support the cutting or grinding Forces when the shape of the part is too complex.

• Generally macroscopic chip formation by shear deformation • Material removal takes place due to application of cutting forces – energy domain can be Classified as mechanical • Cutting tool is harder than work piece at room temperature as well as under machining Conditions Non-conventional manufacturing processes is defined as a group of processes that     remove excess material by various techniques involving mechanical, thermal, electrical or chemical energy or combinations of these energies but do not use a sharp cutting tools as it needs to be used for traditional manufacturing processes. Material removal may occur with chip formation or even no chip formation may take place. For example in AJM, chips are of microscopic size and in case of Electrochemical machining material removal occurs due to electrochemical dissolution at atomic level.