Analytical modeling of kerf profile for 3 axis abrasive waterjet machining(AWJM)
3 eksen aşındırıcılı su jeti operasyonunda kerf profilinin analitik modellenmesi
Yazar: YİĞİT ÖZCAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ LÜTFİ TANER TUNÇ
Sabancı Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Aşındırıcılı su jetiyle kesim süreçleri, klasik frezeleme yöntemleriyle kesilmesi zor olan ve klasik frezeleme işlemlerinde çok düşük takım ömrüne sebep olan, nikel ve titanyum alaşımı gibi malzemelerden tasarlanan parçaların işlenmesinde potansiyel avantajlar sunmaktadır. Ancak halihazırda, endüstriyel uygulamalarda çoğunlukla iş parçasının tam derinlikte kesildiği 2 eksenli çevresel kesme (routing) amacıyla, profil geometrilerin elde edilmesinde kullanılmaktadır. Aşındırıcılı su jeti kesim süreçlerinde aşındırma oranı ve dolayısıyla su jetinin etki edebileceği kesme derinliği değeri, pompa basıncı, aşındırıcı miktarı, jetin parçaya çarpma açısı ve jetin ilerleme hızı gibi süreç parametrelerine bağlıdır. Su jetinin etki edebileceği kesme derinliğinin süreç parametreleriyle ilişkisi bilinebilirse hem daha verimli süreç şartları belirlenebilir hem de yalnızca 2 eksen kesme değil kontrollü aşındırma derinliğiyle 3 eksen yüzey frezelemede özellikle takım ömrü sorunu yaşanan kabalama aşamasında bir imalat süreci olarak kullanılabilir.
Bu tezde, 3 eksen aşındırıcılı su jeti kesim süreçlerinin teorik modellenmesiyle birlikte deneysel ve teorik analizinin ele alınması amaçlanmıştır. Su jeti kesme süreçleri, işlemesi zor malzemelerin kesilmesinde önemli avantajlar sağlasa da bu alandaki bilgi birikimi ve uygulama sınırlıdır. Teknolojik gelişim yönünden göreceli olarak yeni süreçler olması sebebiyle süreç modelleme, uygulama ve parametre seçimi alanlarında teorik ve uygulama yönlerinden bilgiye ihtiyaç vardır. 
Bu tezde, 3 eksenli aşındırıcılı su jeti kesim süreçleriyle ilgili aşındırma mekaniğinin modellenmesi, süreç parametrelerinin süreç performansına etkisi, elde edilecek parça yüzeyinin tahmini, süreç-tezgâh (robot) etkileşimi üzerinde çalışılarak bütüncül bir yaklaşım sunulmuştur. Ayrıca, süreçten kaynaklanan boyutsal hataların telafisi ile beraber bu telafi yöntemleri 3 eksen takım yolları üzerinde uygulanmıştır. Geliştirilen modeller deneysel olarak doğrulanmış, gerekli görüldüğü durumlarda modeller üzerinde düzeltmeler yapılacak stratejiler belirlenmiştir. Tezde ayrıca 3 eksenli aşındırıcılı su jeti kesme sürecinin endüstriyel uygulamalarına da yer verilmiş ve bu imalat sürecinin hangi durumlarda ekonomik ve faydalı hale geldiği incelenmiştir. Havacılık sektöründe aşındırıcılı su jeti kesme süreçlerinin potansiyel olarak avantaj sağlayabileceği parçalar seçilmiştir ve bu süreçler için, tezde geliştirilen süreç modelleri kullanılarak, verimli işleme koşulları belirlenmiştir. Tezin gelişmekte olan bu alanda gerekli bilgi birikimi ve bilimsel altyapıyı oluşturma yönünde hem akademik hem de endüstriyel bakımdan önemli katkıları olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Abrasive water jet machining (AWJM) processes can be used to machine materials difficult-to-cut materials, i.e. very soft or very hard, from foams, composites to nickel and titanium alloys, which are difficult to cut with conventional milling methods due to material softness issues or very low tool life. However, it is currently being used in the production of profile geometries for the purpose of 2-axis circumferential (routing) cutting where the part is cut thoroughly in industrial applications. The erosion rate in AWJM processes, and hence the cutting depth value, depends on several parameters such as pump pressure, amount of abrasive, jet angle and traverse speed (feed) of jet. If the cutting depth to which the water jet acts on the surface can be known in relation to the process parameters, more efficient process conditions can be found, and it can be used as even 5-axis machining process rather than just 2-axis. 
In this thesis, the theoretical modelling of 3-axis abrasive water jet processes is studied. The theoretical analysis is verified by experimental analysis and discussions are provided. Although AWJM processes provide significant advantages in machining of difficult-to-cut, the knowledge in this area is limited. As being a relatively new process, process modelling, application and parameter selection issues require further investigations. 
In this thesis, modelling of the abrasion space ("kerf") of 3-axis AWJM processes, the effect of abrasive process parameters on the process performance and the estimation of the machined part surface were studied. In addition, compensation techniques for dimensional errors caused by the process is discussed to be applied on 5-axis toolpaths. The developed model is experimentally verified and, if necessary, corrections performed on the process model. The thesis also includes the application of the 3-axis AWJM process to the industry and analyze the economic and usefulness of this manufacturing process. Parts from different sectors which may be potentially advantageous for AWJM are selected and efficient processing conditions are determined using process models developed in the thesis. The field of development of the thesis is an important contribution to the necessary knowledge and scientific infrastructure both in academic and industrial aspects.