BAB I

PENDAHULUAN

1.1         Latar Belakang

WJM cocok untuk memotong plastik, makanan, insulasi karet, karpet dan headliners, dan tekstil. Bahan yang keras (Harder) seperti seperti kaca, keramik, beton, dan komposit tangguh dapat dipotong dengan menambahkan abrasive ke aliran jet air bertekanan pada mesin air jet abrasive (AWJM), yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1974 untuk membersihkan logam sebelum pengobatan permukaan logam.

Penambahan abrasive ke air jet ditingkatkan untuk penghapusan material dan menghasilkan kecepatan tingkat pemotongan antara 51 dan 460 mm/min. Umumnya, AWJM pemotongan 10 kali lebih cepat dibandingkan konvensional. Mesin metode material komposit mengklaim bahwa air jet abrasive lebih kuat daripada jet air murni kali.

Perkakas pemotong logam jenis Abrasive Water Jet Machining (AWJM) saat ini tiba-tiba saja menjadi populer di pasaran karena mesin ini bisa melakukan pekerjaan cepat untuk program kendali komputer (CNC) dan bisa membuat waktu pengerjaan berjalan singkat. Mesin ini cepat untuk mengatur, menelusuri bagian-bagian suku cadang yang tergolong rumit dan menawarkan perpindahan cepat di sekitar medan kerja.

Mesin ini dilengkapi dengan alat yang bisa digunakan baik untuk operasi primer ataupun sekunder dan bisa membuat bagian rumit dengan cepat dari hampir semua keluaran suku cadang dari berbagai bahan dan jenis material.

Gambar 1.1 Mesin AWJM CNC

Salah satu keunggulan utama dari mesin ini adalah bahwa mesin pemotong logam jenis ini tidak membuat panas material, baik itu benda kerja maupun area kerja. Segala macam bentuk rumit mudah dibuat dengan AWJM. Mesin ini dengan cepat telah berubah menjadi mesin pembuat uang, dalam arti kata banyak keuntungan finansial dari penggunaan mesin ini untuk proses produksi.

1.2         Tujuan

Adapun tujuan dari pengetahuan tentang seluk beluk mesin pemotong logam Abrasive Water Jet machinig (AWJM) adalah sebagaui berikut:

1.    Agar pembaca/mahasiswa memiliki persiapan untuk bersaing di dunia usaha khususnya dibidang produksi.

2.    Agar pembaca/mahasiswa tidak canggung andai bertemu dengan mesin ini baik didunia kerja atau bukan, dan telah memiliki dasar pengetahuan tentang mesin AWJM ini.

BAB II

DASAR TEORI

2.1         Pengertian

Abrasive Water Jet Machining (AWJM) adalah suatu mesin pemotong logam yang telah dikembang menjadi mesin dengan sistem kendali komputer (CNC), dimana gerakan pemotongannya ialah penembakan air bertekanan tinggi ke benda kerja yang mana dicampur dengan pasir abrasive. Sehingga ketika campuran ini menyentuh material kerja, terjadilah proses pemotongan logam akibat gesekan dan tekanan tinggi oleh air dan pasir abrasive tersebut.

Gambar  2.1 Mesin AWJM

2.2         Prinsip Kerja Mesin AWJM

Penting untuk memahami bahwa jet abrasif bukan hal yang sama seperti  jet air biasa meskipun mereka hampir sama. Teknologi Jet Air pemotong logam telah ada sejak awal 1970-an atau lebih, dan jet abrasif memperpanjang konsep tentang sepuluh tahun kemudian. Teknologi Keduanya menggunakan prinsip menekan air dengan tekanan yang sangat tinggi, dan memungkinkan air untuk mengalir melalui suatu celah kecil yang biasanya disebut lubang pencekik (orifice). Jet air menggunakan daya keluaran dari tekanan air dari celah  orifice untuk memotong barang lembut seperti permen, tetapi tidak efektif untuk memotong bahan lebih keras seperti logam.

Gambar 2.2 Pemotongan material lunak oleh mesin Jet air

Sedangkan pada AWJM sistem penekanan airnya tergolong mirip, hanya saja pada tekanan air tersebut dicampurkan pasir garnet  yang tajam, dinamakan juga pasir abrasive (abrasive dalam bahasa ingrris berarti menggosok ,mengikis) sehingga bisa dikatakan konstruksi tool-nya sedikit berbeda dengan tool jet air biasa.

Gambar 2.3 Pasir garnet

Konstruksi tool untuk AWJM bisa dilihat pada gambar Gambar 2.4 dibawah ini. Bahwa tool pada AWJM ini memiliki 2 saluran masuk dan satu saluran keluar. Dalam AWJM, aliran air jet juga berfungsi untuk mempercepat partikel abrasif, bukan air untuk menyebabkan pengikisan (removal) material melainkan pergesekan partikel. Setelah jet air murni dibuat, abrasive ditambahkan baik menggunakan metode injeksi atau penangguhan ditunjukkan pada. Parameter penting dari abrasive adalah
material struktur dan kekerasan, perilaku mekanik, bentuk butiran.
ukuran butir, dan distribusi.

      

Gambar 2.4 Tool untuk AWJM

Proses pemotongan logam oleh AWJM ini bisa diihat pada gambar dibawah ini.Terlihat pasir abrasive yang diboncengi oleh air bertekanan tinggi menabrak permukaan material sehingga butiran halus pasir-pasir abrasive tersebut mengikis secara partikel dari permukaan material benda kerja,karena terus menerus,makapelepasan materila berangsur sedikit demi sedikit.Karena didorong oleh air yang bertekan dan berkecepatan tinggi,proses ini menjadi lebih cepat.

         

Gambar 2.5 Skema pemotongan logam oleh AWJM

Gambar 2.6 Proses pemotongan logam oleh AWJM

Air yang masuk ke inlet tool biasanya bertekanan antara 20000 dan 60000 Pounds Per Square Inch (PSI). Ini dipercepat melalui dinding kecil di lubang orifice yang biasanya berdiameter 0,18 hingga 0.4 mm. Hal ini menciptakan variasi bentuk kecepatan yang sangat tinggi dari aliran air tersebut. AWJM menggunakan suatu saluran lain pada tool dimana saluran ini akan dihubungkan dengan ruang campur (Mixing) di dalam tool. Orifice saluran itu juga dibentuk dengan diameter tertentu sinar yang sama air untuk mempercepat partikel kasar yaitu pasir granite sehingga dengan kecepatan yang cukup dpat melakukan pengikisaan permukaan materil sehingga terjadilah proses pemotongan logam.

2.3         Bagian-Bagian Utama Mesin AWJM

Komponen dari mesin pemotong logam AWJM meliputi :

·      Sistem Abrasive Pengiriman

·      Sistem Kontrol

·      Pompa

·      Nozzle

·      Sistem Motion

Gambar 2.7 Bagian-bagian dari mesin AWJM

Gambar 2.8 Mekanisme sistem aliran dan transportasi pada AWJM

Gambar 2.9 Konstruksi  susunan komponen-komponen AWJM konvensional

2.4         Tool dan Pompa Supply

1.      Nozzle

Tool digunakan sebagai media penembak dari aliran air+pasir abrasive bertekanan tinggi. Tool disini juga bisa dikatakan sebagai nozzel yang mana nozzle itu dapat didefinisikan sebagai pemercepat aliran fluida.

Gambar 2.10 Bagian-bagian Nozzle pada AWJM

Gambar 2.11 Nozzle standar OMAX

2.      Pompa Supply hydraulic

Proses pemotongan jet air dimulai dengan pompa intensifier, yang menciptakan tekanan ultra tinggi (lebih dari 50.000 psi) tekanan air yang dibutuhkan untuk memotong bahan keras. Pompa intensifier menggunakan tekanan hidrolik atas sistem air. Sebuah motor besar tenaga kuda drive dengan pompa hidrolik dapat menciptakan kekuatan tekanan hidrolik pada piston dalam silinder. Tekanan hidrolik diperkuat oleh rasio silinder hidrolik yang lebih besar yang dimana akan mendorong piston kecil ke silinder yang telah diisi dengan air, sehingga menciptakan tekanan air ultra-tinggi.

Gambar 2.12 Motor Penggerak untuk penghasil tekanan hidrolik

3.      Air-Jet-Intensifier

Air bertekanan dikirim ke kepala pemotongan oleh salah satu tabung dengan tekanan tinggi atau sedang.

Gambar 2.13 water jet Intensifier

Gambar 2.14 Pompa tripleks tenaga kuda (crankshafts)

Air tekanan tinggi diterapkan pada sebuah lubang dengan diameter yang khas mulai dari 0,005 inchi ke 0,020 inchi. Lubang ini dibuat dalam sebuah diamond atau safir yang digunakan untuk menahan abrasi air yang bertekanan tinggi. Lubang menciptakan aliran air berkecepatan dan bertekanan tinggi yang digunakan untuk memotong material.

Setelah air keluar dari orifice yang kasar dimana dapat ditambahkan untuk aliran air sebagai alat potong untuk bahan yang keras. Ketika memotong bahan yang keras, termasuk baja, stainless steel, aluminium, batu, kayu, plastik, gelas, dan sebagainya, itu merupakan pemotongan actual  yang menggunakan jenis tindakan seperti menggergaji mekanis.
        

Gambar 2.15 Proses AWJM seperti penggergajian mekanis

2.5     Sistem  Pengiriman  Abrasive

Abrasive merupakan sebuah laju aliran sederhana dari pasir granite yang  halus secara konstan.Semua itu diperlukan untuk kelancaran proses pemotongan yang  akurat. Sistem konstruksi pengiriman abrasive yang modern dirancang untuk  menghilangkan getaran dan penggumpalan pasir granite. Hal ini merupakan persoalan yang rawan pada padatan sistem metering katup pengiriman abrasive konstruksi sebelumnya.

Gambar 2.16 Sistem metering katup pengiriman abrasive

2.6         Sistem Kontrol

Secara historis, mesin pemotongan jet air abrasif telah menggunakan sistem kontrol tradisional CNC yang mana sering dikenl dengan nama "G-code". Namun, ada gerakan cepat dari teknologi ini untuk sistem jet abrasif, terutama untuk aplikasi mesin jangka pendek dan terbatas untuk produksi toko.

G-code merupakan pengendali yang dikembangkan untuk memindahkan alat pemotong kaku, seperti pabrik akhir atau pemotong mekanis. Tingkat umpan untuk alat ini umumnya diselenggarakan konstan atau bervariasi hanya dalam kenaikan tersendiri untuk sudut dan kurva. Setiap kali perubahan dalam tingkat pemasukan perintah(Command) pemrograman.

Gambar 2.17 Contoh pemakaian CNC G-Code

Air jet atau jet abrasif pasti bukan merupakan alat pemotong kaku yang menggunakan tingkat feed konstan akan menghasilkan berat undercutting atau lancip di sudut-sudut dan di sekitar kurva. Selain itu, perubahan langkah membuat diskrit tingkat masukan juga akan mengakibatkan pemotongan tidak rata di mana transisi terjadi. Perubahan dalam tingkat pakan sudut dan kurva harus dibuat lancar dan secara bertahap, dengan laju perubahan ditentukan oleh jenis bahan yang potong, ketebalan, geometri bagian dan sejumlah parameter nozzle.

2.7         Proses Kemampuan

Variabel proses umum termasuk tekanan, diameter nozzle, penyanderaan jarak jenis, kasar, nomor grit, dan laju benda kerja pakan. Sebuah abrasive jet memotong air melalui lembaran 356,6-mm-tebal beton atau baja perkakas 76,6-mm-tebal plat di 38 mm/menit dalam single pass. Kekasaran permukaan yang dihasilkan berkisar antara 3,8 dan 6,4 pM, sementara toleransi dari ± 0,13 mm diperoleh. Repeatability dari ± 0,04 mm, kuadrat dari 0,043 mm, dan kelurusan 0,05 mm per sumbu. Foundry pasir sering digunakan untuk memotong dan gerbang bangun. Namun, garnet, yang merupakan bahan abrasif yang paling umum, adalah 30 persen lebih efektif daripada pasir.

Gambar 2.18 Suku cadang hasil dari proses AWJM

Selama mesin dari kaca tingkat pemotongan 16,4 mm³/min tercapai yang 4 sampai 6 kali untuk logam. Kekasaran permukaan tergantung pada benda kerja bahan, ukuran grit, dan jenis abrasive. Bahan dengan laju penyisihan tinggi menghasilkan kekasaran permukaan yang besar. Untuk alasan ini, butiran halus digunakan untuk mesin logam lunak untuk mendapatkan kekasaran yang sama sebagai yang keras. Penurunan kekasaran permukaan, lebih kecil ukuran butir, berkaitan dengan mengurangi kedalaman potong dan pelat badan kaku chip lintas bagian. Selain jumlah yang lebih besar dari butir per unit bubur volume, semakin banyak yang jatuh pada area permukaan unit. Sebuah cairan pembawa yang terdiri dari air dengan aditif anti korosi telah kerapatan yang jauh lebih besar daripada udara. Hal ini memberikan kontribusi untuk ercepatan lebih tinggi butir gandum dengan kecepatan yang lebih tinggi dan meningkat akibat Tingkat penghasilan geram. Selain itu, menyebar cairan pembawa atas permukaan Proses mekanis 45 Side feed. Tekanan generasi Abrasive reservoir Air nozzle Fokus tabung Machining kepala Air Benda kerja Air Abrasive penyimpanan Lumpur Penangguhan Suspensi nosel Feed Tengah Gambar 2.27 Injection dan jet suspense. pengisian rongga dan membentuk sebuah film yang menghambat tindakan mencolok butir. Menonjol dan bagian atas penyimpangan permukaan adalah yang pertama terpengaruh, dan meningkatkan kualitas permukaan. Kaczmarek (1976) menunjukkan bahwa penggunaan air jet udara satu untuk mendapatkan izin, rata-rata, nomor kekasaran yang lebih tinggi demi satu, dibandingkan dengan efek dari jet udara. Dalam WJM tinggi kecepatan Inconel, Hashish (1992) menyimpulkan bahwa kekasaran meningkat pada tingkat umpan yang lebih tinggi serta di lumpur yang lebih rendah aliran tarif. Advanced air jet dan mesin AWJ sekarang tersedia di mana beban komputer desain dibantu komputer (CAD) gambar dari lain sistem. Komputer menentukan titik awal dan akhir dan urutan operasi. Operator kemudian masuk jenis material dan alat offset data. Komputer menentukan tingkat pakan dan melakukan
pemotongan. sistem mesin lainnya beroperasi dengan modem dan CAD / computer-aided manufacturing (CAM) kemampuan yang memungkinkan
transfer dari CATIA, AUTOCAD, IGES, dan format DXF. Komputer menjalankan sebuah program yang menentukan, dalam hitungan detik, bagaimana meminimalkan sampah ketika memotong dari balok atau plat.

2.8     Limbah AWJM

Waterjets yang lebih ramah lingkungan Abrasivejets biasanya menggunakan garnet sebagai bahan abrasif. Garnet adalah mineral non-reaktif yang lembam secara biologis. Satu-satunya masalah dengan waterjets adalah ketika Anda memotong bahan yang berbahaya (seperti timah). Waterjets  lebih aman karena tidak ada asap berbahaya, seperti logam menguap, dan tidak ada resiko kebakaran. Jarak antara akhir nosel waterjet dan bahan biasanya sangat kecil, walaupun hati-hati diperlukan ketika nozel waterjet dinaikkan.

2.9     Keuntungan AWJM dibandingkan EDM

EDM singkatan dari Electrical Discharge Machining dan digunakan untuk mesin elektrik bahan konduktif, seperti baja dan titanium. Busur listrik cepat discharge antara elektroda dan bahan benda kerja.Rangkaian busur menghilangkan logam dengan pelelehan dan menguap itu, pada dasarnya mengikis logam menggunakan listrik. Partikel yang memerah pergi dengan terus menerus beredar non-melakukan fluida, seperti air deionisasi atau minyak tanah. EDM dapat membuat bentuk rumit dalam bahan keras yang sulit untuk mesin dengan menggunakan metode tradisional.

Keuntungan WATERJETS adalah, meskipun bagian atas dapat dilakukan dengan menggunakan EDM, namun waterjets  jauh lebih cepat untuk membuatnya dari pada meggunakan EDM. Waterjets bisa dianggap seperti mesin EDM super-cepat dengan kurang presisi. Ini berarti bahwa banyak bagian dari kategori yang sama, bahwa EDM akan melakukan dapat melakukannya lebih cepat dan lebih murah di abrasivejet, jika toleransi tidak ekstrim. Teknologi baru memungkinkan jet Abrasive untuk memperoleh toleransi hingga + / 003 "-. (0.075mm).

BAB III

JURNAL

Pengaruh Sudut Tubrukan dan Kecepatan

Dalam Kawah Lingkaran Dalam Mesin Jet Air Abrasif

Dengan Cara Multi-Partikel Simulasi Tubrukan

Abstrak: Penelitian ini berfokus pada mekanisme erosi diamati selama air jet mesin abrasif (AWJ). Sebuah ANSYS / LS-Dyna 3D perangkat lunak berbasis elemen hingga (EH) model ini dikembangkan untuk representasi dari proses erosi dalam konfigurasi 3D. Solusi model FE yang diusulkan, yang menyumbang efek partikel tubrukan ganda pada benda kerja yang terbuat dari stainless steel (AISI 304), diperoleh dengan menggunakan sistem cluster 16-node. Pengaruh sudut tubrukan dan kecepatan partikel saat ini sedang dipelajari, sedangkan lingkaran kawah bahan itu juga dievaluasi. Hasil penelitian ini ditemukan berada dalam perjanjian yang sangat baik dengan rekan-rekan eksperimental mereka.
Kata kunci: AWJ pemotongan; abrasif; kawah; bundar.

Referensi tulisan ini harus dilakukan sebagai berikut: Maniadaki, K., Antoniadis, A. dan Bilalis, N. (2011) 'Pengaruh sudut tubrukan dan kecepatan dalam lingkaran kawah dalam mesin jet air abrasif dengan cara multi-partikel simulasi tubrukan ', Int. J. Machining dan machinability Bahan, Vol. 10, No 1/2, pp.34-47.

Catatan biografis: Kyriaki Maniadaki adalah kandidat PhD di Produksi
Teknik dan Jurusan Manajemen, Universitas Teknik Kreta, karena
2004. Beliau meraih gelar di bidang Fisika dari Departemen Fisika, Universitas Kreta, (Heraklion-1999) dan MSc dalam Fisika Atom dan Molekuler (Laser), juga dari Departemen Fisika, Universitas Kreta, (Heraklion-2002). Kepentingan penelitiannya adalah tentang pemodelan elemen terbatas. Dia adalah anggota Desain dan Lab Manufaktur sejak tahun 2004, bekerja untuk proyek penelitian Archimedes: "Waterjet memotong dengan pemodelan elemen terbatas”. Ia memberikan kursus di TEI Kreta, Cabang Chania, semester yang sedang berjalan 'Transfer Fenomena' (kursus dan laboratorium), Teknis semester lalu Termodinamika (laboratorium), 'Listrik Sirkuit' (laboratorium).

Aristomenis Antoniadis adalah sebuah Assoc. Profesor di Technical University of Crete, Dept Teknik Produksi dan Manajemen. Minat penelitiannya adalah pada manufaktur, simulasi dari proses pemotongan, peralatan manufaktur, komputer kontrol numerik, CAD / CAM, desain mesin CAE, analisis elemen terbatas dan reverse engineering, digitalisasi. Sebelum bergabung dengan fakultas di Technical University of Crete, ia bekerja di Institut Pendidikan Teknik Kreta di Desain dan Lab Manufaktur. Karyanya ada di bidang teknologi produksi, reverse engineering dan desain mekanik. Sebelum TEI Kreta, ia bekerja di TEI dari Serres, Universitas Thessaloniki dan Thessaly.

Nicholas Bilalis adalah Profesor di Technical University of Crete, Departemen Teknik Produksi dan Manajemen dan Direktur CAD Lab. Ia memperoleh Diploma Teknik Elektro Teknik, dari NTUA (1978), MSc dalam Desain Teknik Mesin dari Aston University of Birmingham (1979) dan gelar PhD dari Loughborough University of Technology (1983). Penelitian ilmiah yang dia lakukan adalah tentang: CAD / CAM dan pemodelan proses manufaktur, pengembangan produk baru dan manajemen, alat untuk pengembangan produk, prototipe cepat dan perkakas cepat, virtual prototyping dan manufaktur, elektronik saat ini metode pelatihan berbasis dan desain untuk pembongkaran.

3.1         Introduction

Sebagai teknologi manufaktur maju, air jet abrasif (AWJ) cutting semakin banyak digunakan dalam berbagai jenis aplikasi di industri. Sebuah nozel halus digunakan untuk menghasilkan sebuah jet air koheren dan supersonik, yang diikuti oleh entrainment partikel abrasif untuk membentuk AWJ sangat kuat. Kerusakan bahan yang disebabkan oleh serangan partikel entrained dalam sistem cairan AWJ, berdampak permukaan dengan kecepatan tinggi disebut 'Erosi'. Erosi adalah proses yang kompleks dan itu tergantung pada sejumlah parameter seperti, kecepatan partikel ukuran-density-bentuk, sudut tubrukan, sifat mekanik bahan yang tererosi, dll. Bahan dihapus ketika strain melebihi material ketegangan-kegagalan nilai. Removal material terjadi karena mikro-plastik deformasi dan / atau patah (rapuh) (El Tobgy et al., 2005).

Sejumlah penulis berusaha untuk mengatasi masalah menggambarkan air jet mekanisme erosi abrasif, dengan mempelajari dampak dari satu partikel tunggal, berdasarkan penelitian eksperimental dan teori mikroskopis. Memang, Finnie (1958) mengembangkan mikro-pemotongan pertimbangannya asumsi perilaku plastik dari target. Bitter (1963) mengusulkan pembagian proses bahan-removal tersebut ke dalam dua mode: yang pertama disebut 'cutting wear' diamati dari sudut tubrukan rendah, dan yang kedua disebut 'Deformation wear' diamati pada sudut tubrukan tinggi. Dia juga menyarankan formula matematika yang sesuai untuk evaluasi volume bahan dihapus. Neilson dan Gilchrist (1968) mengusulkan sebuah versi sederhana dari model Bitter, dengan memperkenalkan sebuah model erosi disederhanakan ulet matematika, sementara mereka mempertahankan Model Bitter untuk erosi rapuh. Hashish (1984) erosi dimodifikasi Finnie itu model untuk menjelaskan pengaruh bentuk partikel dalam kasus bahan rapuh. Hashish (1984) dan Chen et al. (1996) mengusulkan bahwa mekanisme erosi - saat memproses kedua bahan ulet dan rapuh melalui AWJs - terdiri dari tiga zona pemotongan dengan dua yang pertama dari mereka untuk menjadi anggapan sebagai pemotongan memakai (cutting wear) dan memakai deformasi (deformation wear), berturut-turut. Hashish (1984), juga menyarankan bahwa modus memakai pemotongan ditandai dengan membajak dan memotong deformasi. Pembajakan terjadi pada besar nilai sudut rake negatif, sementara deformasi pemotongan terjadi ketika partikel dampak material pada nilai sudut rake positif. Proses memakai mirip dengan yang diamati dalam proses grinding konvensional, bagaimanapun, deskripsi eksplisit dari mekanisme erosi cukup membosankan, sebagai partikel dapat memiliki kedua kecepatan linier dan sudut (Wang dan Wong, 1999). Hutchings dan Winter (1974) mempelajari perilaku erosi bahan ulet diproses oleh partikel berbentuk bola. Mereka menyarankan bahwa penghilangan materi adalah karena membajak. Mereka menemukan bahwa dampak dari partikel pertama mengakibatkan penciptaan bibir materi yang mengelilingi kawah, sebuah proses yang dihentikan setelah dampak berikutnya dari partikel tambahan. Mereka juga menemukan bahwa mekanisme deformasi tidak tergantung pada ukuran partikel. Sejumlah penulis juga berusaha untuk mengatasi masalah deformasi material yang disebabkan oleh AWJ, dari mekanika klasik (makroskopik) sudut pandang. Mayoritas studi ini meliputi metode numerik dengan metode elemen hingga (FEM). Metode numerik dapat dikritik karena tidak bisa memberikan wawasan mikroskopis rinci seperti pemotongan dan / atau membajak. Namun demikian, mereka ditandai dengan berbagai keuntungan karena mereka mampu untuk mensimulasikan perilaku erosi dari beberapa bahan, di bawah kondisi yang berbeda (kecepatan partikel ukuran-density-bentuk, sudut dampak, dll), sehingga mengurangi kebutuhan melakukan berbagai eksperimen nyata. Selain itu, keakuratan FE berbasis model mungkin tepat disempurnakan dengan menggunakan informasi yang diperoleh oleh aplikasi eksperimental. El Tobgy dkk. (2005), mengusulkan unsur elasto-plastik hingga (FE) model untuk simulasi proses erosi dalam konfigurasi 3D. Model mereka FE menyumbang termal elastik plastik perilaku material, efek dari dampak partikel ganda, serta removal material. Mereka menggunakan tegangan alir perilaku material berdasarkan model materi Masak Johnson (Johnson dan Cook, 1985). Solusi numerik diperoleh melalui perangkat lunak ABAQUS / eksplisit didasarkan pada model setengah FE. Untuk akurat menggambarkan mekanisme erosi, mereka menganggap beberapa (tiga) partikel, karena nilai erosi ditunjukkan untuk distabilkan setelah dampak dari tiga partikel. Junkar dkk. (2006) melalui simulasi FE, kasus-partikel tunggal dampak dan simulasi mereka eksperimental divalidasi. Mereka menganalisis pengaruh satu dampak partikel tunggal abrasif pada bahan benda kerja menggunakan analisis elemen hingga eksplisit (FEA). Hasil simulasi dibandingkan dan divalidasi dengan hasil eksperimen tambahan dengan cara kebulatan kawah. Mereka beranggapan perilaku plastisitas bahan piecewise linear dan solusi dari model mereka diperoleh melalui perangkat lunak ANSYS / LS-Dyna. Dampak dari satu partikel disimulasikan untuk kasus tiga kecepatan partikel yang berbeda dan tiga nilai sudut yang berbeda dampak (sembilan simulasi secara total). Dalam kasus simulasi numerik, kecepatan partikel dianggap, sedangkan pada kasus eksperimen, tekanan yang sesuai digunakan sebagai gantinya. Selama validasi eksperimental mereka, 200 kawah diperiksa untuk masing-masing kasus pengujian di atas. Hasil numerik (kawah kebulatan) ditemukan berada dalam perjanjian baik dengan rekan-rekan eksperimental mereka. Ahmadi-Brooghani dkk. (2007) menyatakan bahwa akurasi solusi numerik yang dicapai dapat ditingkatkan dengan mengadopsi pendekatan tingkat ketegangan dan / atau dengan mengasumsikan model Johnson-Cook untuk bahan target, yang secara inheren non-linear dan tergantung tingkat ketegangan. Memang, mereka diperpanjang karya Junkar dkk. (2006) dengan menerapkan model Johnson-Cook, sementara solusi model FE mereka diperoleh dengan menggunakan software FEA ABACUS / CAE pada komputer Pentium 4, untuk kasus tunggal abrasif partikel. Hasil numerik mereka terbukti sedikit lebih dekat dengan yang eksperimental sesuai Junkar dkk. (2006).

Maniadaki dkk. (2007) diselidiki dan dianalisis secara rinci perilaku material benda kerja di bawah pelampiasan jet air murni. Dalam konteks ini, model FE yang menyumbang sifat mekanik dasar kedua benda kerja dan bahan partikel abrasif, saat ini diperkenalkan untuk kasus mesin AWJ
(AWJM). Memang, penelitian ini terdiri dari perpanjangan penting dari pekerjaan Junkar dkk. (2006) yang menyelidiki dampak dari hanya satu partikel abrasif tunggal sebagai 20 partikel berdampak dianggap untuk pertama kalinya, memungkinkan untuk penentuan lebih rinci dan tepat dari geometri kawah yang dihasilkan dan evolusinya. Dampak berbagai penjuru dan kecepatan partikel dianggap dan 'lingkaran kawah' disebut dievaluasi. Pemodelan ini memungkinkan juga untuk evaluasi bentuk bundar di berbagai titik di dalam kawah. Dengan demikian, lingkaran kawah sebagai fungsi dari kedalaman penetrasi juga ditampilkan. Hasil penelitian menunjukkan variasi yang signifikan dalam geometri kawah selama dampak dari partikel pertama, sementara stabilisasi bentuknya adalah sekitar dicapai setelah dampak dari partikel 13 atau 14.

Sisa dari makalah ini diorganisasikan sebagai berikut: Model FE yang diusulkan dijelaskan dalam Bagian 2 dan hasil simulasi yang disajikan dalam Bagian 3. Akhirnya, kesimpulan dari penelitian ini diringkas dalam Bagian 4.

3.2     FE Model Deskripsi

A. Sasaran deskripsi

Bahan target dipertimbangkan dalam penelitian ini adalah AISI 304 stainless steel, diasumsikan elasto-plastik dengan kemampuan kegagalan material kriteria. Target terdiri dari unsur Lagrangian, dihapus ketika strain mereka melebihi strain kegagalan ambang yang telah ditentukan, yang disebut ketegangan kegagalan. Properti target mekanik dan bentuk dirangkum dalam Tabel 1 (lihat juga Gambar 1).

Tabel 1 Sasaran materi dan sifat bentuk

Gambar 1 Meshing dan sifat material dari 20-partikel - sistem target (lihat versi online untuk warna)

Seperti dalam kertas Junkar dkk. (2006), target terdiri dari delapan-node elemen bata, memungkinkan untuk perbandingan langsung dengan hasil ini. Untuk tujuan akurasi numerik, target meshing saat ini cukup padat (jumlah Fes secara bertahap meningkat sampai stabilisasi hasil yang diperoleh). Hal ini dicapai melalui prosesor pra-ICEM ANSYS CFD yang memungkinkan untuk penentuan menyulitkan geometri, meshing, kondisi batas (dampak sudut dan kecepatan partikel) dan sifat material, (ANSYS 5.1 ICEMCFD, 2004). File yang dihasilkan kemudian diumpankan ke pemecah LS-Dyna.

Tabel 2 bahan Abrasive dan sifat bentuk

B. Abrasive deskripsi

Dalam penelitian ini, 20 partikel dampak dianggap memiliki skema bola ditandai dengan diameter sebesar 0,1 mm (100 pM). Sifat mereka mekanik dan bentuk dirangkum dalam Tabel 2 (lihat juga Gambar 1).

Dampak partikel diasumsikan padat kaku seperti:

a.    Tekanan yang dihasilkan dan ketegangan yang menarik untuk target saja, sedangkan asumsi padat kaku mengarah ke nol ketegangan dan tekanan untuk partikel abrasif.

b.    Beban komputasi dengan demikian secara signifikan mengurangi

c.    Perbandingan hasil berjalan dan disajikan oleh Junkar et al. 's (2006) mengharuskan adanya kondisi simulasi setara.

Seperti dalam kasus target, partikel meshing dicapai melalui ANSYS CFD ICEM pra-prosesor.

C. FE model solusi

Solusi matematika dari (baik untuk target dan partikel) lengkap FE
model yang dijelaskan dalam dua subbagian sebelumnya dicapai melalui LS-Dyna 3D kode (Versi manual LS-Dyna Kata Kunci Pengguna 97). Sistem operasi adalah linux86-64 dengan hpmpi, didirikan pada sistem delapan-node paralel 64-bit pemrosesan cluster. Keuntungan utama dari sistem ini adalah kemampuan penanganan 'skala besar masalah' ditandai dengan grid padat, waktu kecil-langkah nilai, sejumlah besar Fes, dll, membutuhkan waktu komputasi yang sangat tinggi. Sistem tertentu mengurangi beban komputasi dengan faktor empat, jika dibandingkan dengan komputer Pentium 4 yang khas pribadi (PC).

Selama solusinya, dampak dari 20 partikel dianggap untuk pertama kalinya, berbeda dengan studi tentang Junkar dkk. (2006) dan El Tobgy dkk. (2005), yang mempelajari kasus hanya satu dan tiga partikel, masing-masing. Algoritma ini dihentikan setelah dampak dari partikel ke-20 sedangkan total waktu eksekusi (untuk sistem cluster) bervariasi dari 35 menit hingga 140 menit tergantung pada sudut dampak dan kecepatan.

3.3     Hasil simulasi

Dampak dari 20 partikel abrasif disimulasikan untuk tiga nilai dampak kecepatan (180, 200 dan 220 m / detik) dan tiga nilai sudut dampak (30 °, 60 °, 90 °, sembilan kasus secara total) juga untuk mempelajari Junkar dkk. (2006). Kesamaan mengenai kasus uji telah dilakukan untuk tujuan perbandingan. Junkar dkk. (2006) mempelajari keausan erosi dengan mensimulasikan dampak dari satu partikel tunggal tanpa mempertimbangkan efek potensial partikel yang akan datang, berbeda dengan model ini yang menyumbang dampak partikel ganda. Algoritma kontak-dampak (Hallquist, 1977) yang digunakan, menyumbang energi kinetik partikel, momentum, inersia dan semua kekuatan dan momen yang mempengaruhi mereka. Ketika partikel mempengaruhi permukaan target, beberapa dari mereka dapat menyebabkan deformasi plastik tanpa hanya removal material, sedangkan partikel berikutnya bertanggung jawab untuk penghapusan dari zona plastis cacat. Simulasi seperti tingginya jumlah abrasive, bertujuan untuk penentuan evolusi bentuk kawah. Itu juga bertujuan untuk investigasi keberadaan batas potensi 'mapan' dalam hal geometri kawah.

Gambar 2 tahap ketegangan Plastik setelah setiap dampak partikel dengan target (lihat versi online untuk warna)

Gambar 3 Von merindukan tekanan setelah dampak dari partikel-11 (lihat versi online untuk warna)

A.   Tahap Ketegangan Plastik

Gambar 2 menunjukkan jenis plastik target menghasilkan sebagai fungsi dari jumlah partikel un tuk kasus sudut dampak sama dengan 30 ° dan kecepatan partikel sama dengan 200 m/s. Hasil jelas menunjukkan bahwa simulasi akurat dari proses erosi mengharuskan itu pertimbangan beberapa partikel, karena kedua jenis bahan plastik dan bentuk kawah dan ukuran bervariasi secara signifikan untuk setidaknya pertama sepuluh sampai 12 partikel.

Nilai maksimal dari skala regangan sama dengan 0,55 mewakili material tersebut (AISI 304) kegagalan saring. Melengkapi gambar di atas, von misses tekanan setelah dampak dari partikel-11 diperlihatkan pada Gambar 3.

B.   Kawah lingkaran definisi dan evaluasi

Lingkaran kawah didefinisikan sebagai rasio:

dengan d1 mewakili diameter lingkaran didefinisikan oleh dimensi kawah kecil dan d2 mewakili diameter lingkaran didefinisikan oleh dimensi kawah utama, lihat Gambar 4.

Gambar 4 definisi Kawah bundar

Bundar Top didefinisikan sebagai lingkaran diukur pada permukaan atas target-nya. Evaluasi sebagai fungsi dari jumlah partikel ditunjukkan pada Gambar 5 untuk kasus sudut dampak sama dengan 30 ° dan kecepatan partikel sama dengan 200 m/s. Gambar 5 menunjukkan variasi yang signifikan bagi lingkaran kawah, yang menstabilkan - setelah partikel 12 - untuk nilai sama dengan 0,4300 yang cukup dekat dengan hasil eksperimen yang sesuai (0,4984) dari Junkar dkk. (2006). Hasil ini membenarkan klaim penulis untuk simulasi partikel beberapa.

Atas permukaan target kawah bundar untuk semua uji kasus sembilan dipertimbangkan, adalah diringkas pada Gambar 6. Untuk tujuan perbandingan, nilai-nilai eksperimental yang sesuai dievaluasi oleh Junkar dkk. (2006), juga ditampilkan (garis putus-putus). Seperti dalam kasus sebelumnya, lingkaran kawah yang ditampilkan bervariasi secara signifikan. Kebutuhan untuk simulasi partikel beberapa masih jelas. Nilai lingkaran stabil ditemukan berada dalam perjanjian baik dengan rekan-rekan yang sesuai mereka eksperimental.

Gambar 5 Kawah bundar dibandingkan partikel nomor (φ = 30 °, v = 200 m/s) (lihat versi online untuk warna)

Gambar 6 kawah numerik dan eksperimental jumlah bundar dibandingkan partikel (semua kasus uji) (lihat versi online untuk warna)

Kecepatan partikel tidak signifikan mempengaruhi batas stabilisasi bentuk bundar, kecuali beberapa kasus tes di mana peningkatan timbal partikel kecepatan peningkatan parsial dari batas stabilisasi (Gambar 6). Dalam beberapa kasus, nilai bundar stabil ditemukan
agak berbeda dari rekan eksperimen (Junkar et al., 2006), karena model FE yang diusulkan tidak memperhitungkan fenomena seperti pengurangan energi kinetik partikel karena interaksi partikel, defleksi partikel dan fragmentasi, yang terjadi
dalam aplikasi AWJ nyata.
Untuk kasus φ = 90 °, bundar ini diharapkan dievaluasi sangat dekat ke satu, karena partikel simulasi diasumsikan idealnya bola. Dalam karya eksperimental Junkar dkk. (2006), asumsi tersebut tidak berlaku, sehingga bentuk bundar dievaluasi diharapkan akan kurang dari satu. Untuk kasus φ <90 °, bundar menurun hingga nilai yang kurang dari satu, karena komponen horizontal dari  kecepatan          partikel (momentum) menyeret bahan ke arah kecepatan. Dalam kasus              φ          =60°    atau φ = 30 °, hasil ini mendekati nilai teoritis darib         dosa     (φ),        seperti  ditunjukkan        oleh       Gambar 7

Gambar 7 penentuan geometris dari lingkaran kawah (φ <90 °) (lihat versi online untuk               warna

Pemeriksaan lebih dekat dari sisi kanan Gambar 7 menunjukkan bahwa dalam kasus φ <90 °, bentuk bundar kawah dapat dievaluasi sebagai:

C.  Bundar evaluasi dalam kawah

Dalam konteks penelitian ini, bentuk bundar di dalam kawah juga diselidiki untuk pertama kalinya. Memang, bundar dievaluasi di pesawat yang telah ditentukan spesifik - sejajar dengan permukaan atas - dalam kawah, setelah dampak dari partikel (20) lalu. Pesawat-pesawat di mana lingkaran dievaluasi, ditentukan oleh titik-titik simpul target non-cacat itu. Pandangan sisi target cacat ditunjukkan pada Gambar 8 (φ = 60, v = 220 m / detik), dimana kedua kedalaman pesawat tersebut dan yang d2 kawah berdiameter mengakibatkan utama, digambarkan. Titik terendah dipertimbangkan, sesuai pada akhir dari 'daerah pemotongan penuh'.

Gambar 8 Pesawat yang digunakan untuk mengukur lingkaran kawah (lihat versi online untuk warna)

Rincian lebih lanjut mengenai Gambar 8, ditunjukkan pada Gambar 9. Sisi kiri sesuai dengan titik vertikal terhadap bidang dampak pandang, menggambarkan dimensi kawah dievaluasi kecil d1 sepanjang kedalaman kawah, variasi yang ditemukan diabaikan. Dimensi d2 kawah utama bersama dengan lingkaran kawah versus kedalaman kawah ditampilkan di sisi kanan Gambar 9.

Gambar pengukuran lingkaran 9 di dalam kawah (lihat versi online untuk warna)

     Gambar 10 merangkum hasil sebelumnya untuk kasus φ = 60 ° (semua tiga kecepatan partikel). Pemeriksaan lebih dekat dari Gambar 10 menunjukkan bahwa kedalaman potong penuh daerah adalah sebanding dengan kecepatan partikel, sebuah fakta yang tampaknya masuk akal dan juga dilaporkan oleh Ahmadi-Brooghani dkk. (2007). Selanjutnya, bundar kawah cenderung kesatuan dengan meningkatnya dampak kecepatan.

Gambar 10 bundar Kawah dibandingkan kedalaman kawah.

Berdasarkan hasil sebelumnya, perilaku removal material ditemukan sangat berbeda untuk sudut dampak yang beragam. Memang, untuk sudut dampak tinggi, penghapusan bahan mekanisme yang disediakan oleh model FE diusulkan ditemukan sesuai dengan yang (deformasi pemotongan) diusulkan oleh Hashish (1984), sedangkan untuk sudut dampak kecil mekanisme erosi yang diusulkan tampaknya mirip dengan 'membajak 'seperti yang disarankan oleh Hashish (1984) dan Hutchings dan Winter (1974).

Penjelasan potensi mekanisme erosi untuk kasus φ = 60 ° bisa menjadi sebagai berikut: partikel pertama berdampak target, menghapus materi dan kemudian tercermin (dengan kecepatan berkurang) kembali di udara sekitar arah yang sama. Partikel kedua berdampak pada permukaan cacat dan hasil untuk penetrasi kawah lebih lanjut. Partikel-partikel berikut berperilaku sama. Mekanisme erosi yang diusulkan tampaknya sesuai dengan
Mekanisme 'deformasi pemotongan' disarankan oleh Hashish (1984).
Untuk kasus φ = 30 °, mekanisme pemotongan yang berbeda diamati. Memang, partikel pertama berdampak target, menghapus materi, mengurangi momentum dan dipantulkan kembali di udara ke arah yang berlawanan. Dampak partikel berikutnya sudah cacat - tetapi tidak permukaan datar - dan selanjutnya tercermin dalam berbagai sudut. Dengan demikian, kedalaman penetrasi yang dihasilkan dapat diabaikan, sebagai partikel tidak menembus cukup dalam target untuk membuat area dipotong penuh. Perilaku ini tampaknya mirip dengan 'membajak' seperti yang disarankan oleh Hashish (1984) dan Hutchings dan Winter (1974).
Hasil yang sesuai mengenai kasus φ = 90 ° tidak disajikan, karena bundar selalu dievaluasi sama dengan satu, karena kebulatan partikel diasumsikan.

3.4     Kesimpulan

Simulasi dari mesin AWJ didasarkan pada model FE dianggap dalam penelitian ini. Model yang diusulkan FE menawarkan perpanjangan penting dari model begitu jauh disampaikan, dan itu account - untuk pertama kalinya dalam literatur - untuk simulasi beberapa (20) partikel. Hasil penelitian menunjukkan perbedaan signifikan pada bentuk dan ukuran kawah selama dampak dari sepuluh partikel pertama, sementara stabilisasi itu praktis dicapai setelah dampak sampai 12 untuk partikel-14. Bentuk bundar kawah dan ketergantungannya pada kedua sudut dampak dan kecepatan dampak juga telah dilakukan dan hasilnya ditemukan dalam perjanjian baik dengan rekan-rekan eksperimental mereka disediakan oleh Junkar dkk. (2006). Akhirnya, hasil mengenai lingkaran kawah sebagai fungsi dari kedalaman kawah juga ditampilkan untuk satu kasus simulasi

References

Ahmadi-Brooghani,  S.Y.,  Hassanzadeh,  H.  and  Kahhal,  P.  (2007)  ‘Modeling  of  single-particle impact in abrasive water jet machining’, International Journal of Mechanical Systems Science and Engineering, Vol. 1, No. 4, pp.231–236.

ANSYS ICEMCFD 5.1 (2004) Tutorial Manual.

Bitter, J.G.A. (1963) ‘A study of erosion phenomena: part I’, Wear, Vol. 6, pp.5–21.

Chen, L., Siores, E. and Wong, W.C.K. (1996) ‘Kerf characteristics in abrasive waterjet cutting of ceramic materials’, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 36, No. 11, pp.1201–1206.

El  Tobgy,  M.S.,  Ng,  E.  and  Elbestawi,  M.A.  (2005)  ‘Finite  element  modeling  of  erosive  wear’, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, pp.1337–1346.

Finnie, I. (1958) ‘The mechanism of erosion of ductile metals’, Proceedings of the Third National Congress of Applied Mechanics, New York, pp.527–532.

Hallquist,  J.O.  (1977)  Numerical  Procedure  for  Three Dimensional  Impact  Problems,  American Society of Civil Engineering, Preprint 2956.

Hashish, M. (1984) ‘A model study of metal cutting with abrasive water jets’, ASME Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 106, pp.88–100.

Hutchings,  I.M.  and  Winter,  R.E.  (1974)  ‘Particle  erosion  of  ductile  metals:  a  mechanism  of material removal’, Wear, Vol. 27, pp.121–128.

Johnson, G.R. and Cook, W. (1985) ‘Fracture characteristics of three metals subjected to various strains,  strain  rates,  temperatures  and  pressures’,  Engineering Fracture  Mechanics,  Vol.  21, No. 1, pp.31–48.

Junkar,   M.,   Jurisevic,   B.,   Fajdiga,   M.   and   Grah,   M.   (2006)   ‘Finite   element   analysis   of single-particle  impact  in  abrasive  water  jet  machining’,  International  Journal  of  Impact Engineering, Vol. 32, No. 7, pp.1095–1112.

LS-Dyna Keyword User’s Manual Version 97 (2007) Livermore Software Technology.

Maniadaki, K., Kestis, Th., Bilalis, N. and Αntoniadis, A.A. (2007) ‘Finite element based model for pure   waterjet   process   simulation’,   International   Journal   of   Advanced   Manufacturing Technology, Vol. 31, Nos. 9–10, pp.933–940(8).

Neilson,  J.  and  Gilchrist,  A.  (1968)  ‘Erosion  by  a  stream  of  solid  particles’,  Wear,  Vol.  11, pp.111–122.

Wang,  J.  and  Wong,  W.C.  (1999)  ‘A  study  of abrasive  waterjet  cutting  of  metallic  coated  sheet steels’, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 39, pp.855–870

DAFTAR PUSTAKA

1. www.waterjets.org ,
2. Processes and Materials of Manufacture by R.A. LINDBERG
3. SEMINAR TOPIC FROM www.edufive.com/seminartopics.html
4. www.pcmag.com/encyclopedia