Parameter selection approach and optimization in abrasive water jet machining

Abstract

Aşındırıcı su jeti, üretimde yüksek basınçlı su kullanan ve geleneksel olmayan bir imalat metodudur. Geleneksel frezeleme ile kıyaslandığında maliyet, zaman ve çevre açısından daha avantajlıdır. Bunun olması için parametrelerin doğru şekilde seçilmesi gerekir. Aşındırıcı su jeti uzun yıllardır kullanılan bir yöntem olduğundan, literatürde parametrelerin yüzey kalitesine ve talaş kaldırma miktarına olan etkisini anlatan birçok araştırma vardır.Bu çalışmanın odak noktası parametreler arasındaki ve parametrelerin prosesler üzerindeki etkiyi göz önünde bulundurarak bir parametre seçim yöntemi önermek. Parametreler arasındaki ilişkiye bakarak, parametreleri belirli aralıklarda seçmek üzere bir metot önerilmiştir. En etkili parametrenin aşındırıcı parçacık akış oranı, basınç ve hız iken, duruş mesafesi genel durumlarda minimum değer alınabilir. Önerilen bu yöntem parametreler arasındaki ilişkiyi gösterdiği gibi, parametre seçiminde sıralamaya da önem vermektedir.Minimum iş çevrim süresi ve maliyet farklı algoritmalar tarafından çözdürülmüştür. Bu çalışmada FMINCON çözümcüsü ve Genetik Algoritma kullanılmıştır. Zaman ve maliyet, belirtilen iki optimizasyon tekniği ile hesaplanmış ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Her iki algoritma birbirine yakın sonuçlar vermesine rağmen genetik algoritmadaki rastgelelikten dolayı, FMINCON çözümleyicisi tercih edilmiştir. Aşındırıcı su jeti tarafından işlenen parçalarda düzlemsellik, diklik ve dairesellik incelenmiştir. Bunun sonucunda aşındırıcı su jetinin verilen tolerans dahilinde belirtilen özellikleri gösteren parça işleyebildiği teyit edilmiştir.

Abrasive Water Jet Machining (AWJM) is a non-traditional machining technique that uses high pressurized water for production. It is advantageous in comparison to conventional milling in terms of being cost, time and environmentally effective. For this to be the case, parameters must be chosen accordingly. Since AWJM has been in use for over decades, a significant amount of research has been made of parameter effects on mainly obtaining the best surface quality and maximum material removal rate. This thesis proposes a parameter selection approach, taking the interrelations among the parameters that affect the process. By looking at the relations, a method is proposed to choose parameters within specific ranges. The most effective parameters are abrasive flow rate, pressure and feed rate, whereas stand-off distance can be taken as minimum in general. The proposed approach gives an insight into parameter relations, in addition to guiding the parameter selection order. Minimum cycle time and minimum total cost are also computed through different solvers. In this research, FMINCON solver of MATLAB © and Genetic Algorithm are used. Both time and cost are computed by the mentioned optimization techniques and compared in terms of their result. It is seen that both methods have similar results, however the randomness in genetic algorithm, FMINCON solver is preferred in this case. Flatness, perpendicularity and roundness features of parts that AWJM produced are also examined. It is concluded that abrasive water jet machining is capable of achieving part quality within the tolerance values for these features.