Comment les jets d'eau se comparent aux fonctionnalités traditionnelles de travail des métaux

Un jet d'eau peut fournir des pièces avec des précisions qui rivalisent avec un processus d'usinage. Dans certains cas, ces tolérances de coupe peuvent être de +/- 0,0005 po.

Un jet d'eau est un outil polyvalent, avec un nom polyvalent.

La plupart des lecteurs de The FABRICATOR ont l'habitude de lire sur les jets d'eau et même de les voir chez FABTECH. Les machines peuvent découper des formes complexes dans une variété de métaux et de non-métaux. La technologie se distingue vraiment comme la seule option de coupe dans certaines applications, car le flux d'eau à haute pression et de grenat abrasif utilisé pour couper le métal ne modifie pas les propriétés du métal de base pendant le processus de coupe. (Les processus de coupe thermique peuvent créer une zone affectée par la chaleur autour de la zone de coupe qui modifie la microstructure du métal, introduisant ainsi une variabilité dans le processus, ce qui n'est pas le bienvenu dans les activités hautement contrôlées telles que la fabrication aérospatiale. Le jet d'eau est un processus de coupe à froid.)

Mais le jet d'eau peut faire bien plus que la découpe de tôles 2D et de structures en plaques et tubulaires. Il peut offrir des fonctionnalités de travail des métaux qui ne sont dupliquées que par des appareils tels que les machines d'électroérosion (EDM) et les fraiseuses.

Lorsque la découpe au jet d'eau est parfois appelée "usinage au jet d'eau", les personnes qui utilisent cette expression sont plus correctes que ne le reconnaissent leurs pairs dans le monde de la fabrication. Les jets d'eau enlèvent la matière dans un processus d'érosion contrôlé mais accéléré. Les puces ne sont pas produites, mais c'est toujours un processus soustractif. Et dans certains cas, il s'agit d'un processus soustractif beaucoup plus efficace que d'autres technologies traditionnelles de travail des métaux.

Une machine à jet d'eau peut couper la géométrie rapidement, plusieurs fois plus vite qu'une fraiseuse CNC. À titre d'exemple, considérons un travail impliquant de l'aluminium, plus précisément une plaque de montage de moteur de 1,25 po d'épaisseur en aluminium 6061 T6 (voir la figure 1).

Il faut 18 minutes pour découper toute la plaque au jet d'eau. (Pour les besoins de cette conversation, ces pièces sont fabriquées avec une tolérance moyenne à l'esprit.) La configuration pour le travail est de 15 minutes.

Pour couper la même pièce sur une fraiseuse CNC traditionnelle, le processus prend environ 30 minutes. Le grand défi pour cette application est que la pièce doit être retournée pour terminer le travail. Étant donné que la pièce doit être maintenue dans des étaux, elle doit être retirée, retournée et fixée avant que l'outil de coupe puisse retirer l'excès d'épaisseur de matériau que les étaux ont saisi lors du retrait initial du matériau.

De plus, le temps de configuration pour ce type de travail est beaucoup plus long que celui d'un travail de découpe au jet d'eau. C'est environ 2,5 heures.

Les choses deviennent encore plus intéressantes si la même pièce était en titane, qui peut être difficile à usiner. La faible conductivité thermique du matériau permet aux températures de monter rapidement dans la zone de travail, ce qui a un effet néfaste sur les outils de coupe. En particulier, avec l'élévation des températures, le titane devient plus malléable, ce que certains appellent aussi « gommeux », et peut adhérer à l'outillage.

Avec tout cela à l'esprit, une plaque de montage de moteur de 1,5 po d'épaisseur en titane est traitée au jet d'eau en 36 minutes. La même pièce sur une fraiseuse CNC nécessite 390 minutes.

FIGURE 1. Un jet d'eau n'a besoin que de 18 minutes pour découper cette forme dans de l'aluminium 6061 T6 de 1,25 po d'épaisseur. Pour couper la même pièce sur une fraiseuse CNC traditionnelle, le processus prend environ 30 minutes et la pièce doit être retournée pour terminer le travail.

Comme le savent tous les ateliers, les temps d'arrêt des machines sont mal vus dans la plupart des cas, car si la machine ne crée pas de pièces, elle n'est pas impliquée dans des activités lucratives. C'est là que le jet d'eau brille vraiment par rapport au moulin.

En moyenne, un magasin peut configurer un jet d'eau pour un travail en 15 minutes. Aucun appareil lourd et encombrant ne doit être chargé sur la table. La pièce doit simplement être placée sur les lattes de la table. De plus, un seul dispositif de coupe est nécessaire.

Pendant ce temps, un atelier d'usinage peut nécessiter environ 2,5 heures par travail pour la configuration. Chaque usine utilise des dispositifs de serrage qui sont lourds et longs à installer avant le travail de coupe. Ces types de travaux de déchiquetage utilisent également plusieurs outils de coupe, qui doivent tous être chargés dans la machine et référencés sur la pièce à usiner.

De plus, comme un jet d'eau peut fonctionner avec une grande plaque, plusieurs pièces - certaines similaires et d'autres complètement différentes en géométrie - peuvent être imbriquées sur la même pièce. Les fraiseuses CNC nécessitent toujours une scie pour couper le stock de matériau en ébauches, et dans la plupart des cas, la fraiseuse ne travaillera que sur une seule pièce à la fois.

Pour une coupe de haute précision, les EDM sont difficiles à égaler. Il y a une raison pour laquelle ils sont utilisés dans le monde de l'outillage et de la fabrication de moules. La technologie, qui enlève de la matière d'une pièce à l'aide d'une série de décharges à répétition rapide entre deux électrodes, est utilisée pour ajouter des formes complexes dans le métal qui sont autrement difficiles à produire avec des outils de coupe conventionnels.

Le problème avec les EDM est qu'ils sont très lents. C'est le compromis avec une machine qui offre des niveaux de précision aussi élevés.

Ou est-ce? Les machines à jet d'eau plus petites peuvent fournir des coupes précises avec des tolérances de +/- 13 µm ou +/- 0,0005 po. Bien que ce ne soit pas à la précision que les EDM peuvent atteindre, ce que certains pourraient suggérer est de +/- 0,0002 po (selon les caractéristiques de la pièce, bien sûr), c'est toujours une plage de précision que beaucoup considéreraient comme un travail de haute précision.

Avec de petites buses et la capacité de fournir un jet d'eau et d'abrasif très fin, ces machines de haute précision peuvent fournir des coupes spécifiées par le client, mais avec un très petit trait de scie. C'est pourquoi ces machines se trouvent couramment dans les environnements de fabrication associés à la fabrication de haute précision, tels que les entreprises électroniques, les fabricants de dispositifs médicaux et les sous-traitants de la défense.

Imaginez un multi-outil médical avec de minuscules dents qui, lorsqu'elles sont mises en vibration, sont utilisées pour couper quelque chose comme de l'os. Les dents sont si petites qu'elles ne pouvaient pas être usinées dans une fraiseuse traditionnelle, et un EDM n'était pas une option car il ne pouvait pas produire l'outil assez rapidement. C'est là que le jet d'eau a pu fournir la précision nécessaire pour la pièce et dans des délais attractifs pour le fabricant.

Appeler un jet d'eau un "couteau suisse" est trop exagéré car il peut vraiment faire beaucoup de choses qui seraient normalement associées à différents types de machines à travailler les métaux (voir Figure 2). Par exemple, considérez la possibilité de découper des formes qui nécessiteraient normalement une broche.

FIGURE 2. Une tête de découpe à 5 axes permet à un jet d'eau de découper une pale de ventilateur dans une plaque.

Le brochage est apparu il y a près de 200 ans comme moyen de créer des poulies et des engrenages. Aujourd'hui, il est couramment utilisé dans la création d'engrenages de haute précision pour l'industrie automobile et les composants d'avion.

Un magasin ne peut pas percer s'il n'a pas d'outil de brochage. La broche enlève le métal lorsque le métal est déplacé contre la broche fixe ou lorsque la broche est déplacée contre l'objet fixe. La broche - qui a des dents dont la taille et la forme sont modifiées sur la longueur de l'outil, généralement avec de plus petites élévations par dent au début - effectue des passes d'ébauche, de semi-finition et de finition lorsque l'outil enlève le métal de la pièce.

Les jets d'eau peuvent dupliquer les capacités de coupe de la broche. Il peut créer le perçage initial, couper la forme circulaire dans un chemin singulier, puis effectuer le suivi des touches de finition, en ajustant la vitesse d'alimentation de la machine selon les besoins pour créer la finition de précision nécessaire pour terminer le travail.

Un autre exemple est celui des angles vifs internes qu'une fraiseuse peut produire sur des pièces (voir Figure 3). Si vous utilisez un 1- par 1-in. carré de titane comme point de départ, seule une fraiseuse CNC peut fournir un rayon interne aussi petit que le plus petit foret. À ce stade, le processus d'enlèvement de matière va être très lent.

Un jet d'eau peut fournir une coupe avec un 0,010-in. kerf, résultant en un coin intérieur du carré de titane qui semble avoir une caractéristique interne qui a été réalisée par une fraiseuse CNC.

Les jets d'eau peuvent également couper des non-métaux, tels que la fibre de carbone, beaucoup plus efficacement que les fraiseuses CNC.

Si une fraiseuse CNC est utilisée sur un tel matériau, les outils conventionnels ne sont pas recommandés. L'usinage de la fibre de carbone nécessite un outillage spécial, des vitesses de broche plus élevées que les métaux et des vitesses d'avance inférieures à celles des métaux. Les taux d'alimentation réduits aident à maintenir la chaleur basse et à éviter d'endommager la fibre de carbone.

Les jets d'eau sont capables de percer la fibre de carbone sans qu'il soit nécessaire de pré-percer un trou. Dans certains cas où un matériau à faible niveau d'adhérence ou des structures en fibre de carbone très basiques sont utilisés, un diamètre de 0,0625 pouce. une perceuse peut être nécessaire pour commencer le trou. (Si un jet d'eau et un abrasif ont été utilisés pour percer dans ce matériau en fibre de carbone moins cher, l'eau se fraye un chemin entre les nombreuses couches du matériau et un délaminage peut se produire. En règle générale, la perceuse se trouve à côté de la buse du jet d'eau.) Une fois que ce trou est fait, le jet d'eau peut commencer à couper la fibre de carbone.

Il est rare qu'un atelier de fabrication de métaux finisse par offrir des services de travail des métaux dans le seul but de poursuivre ce type de travail. En règle générale, un client demande si le magasin envisagerait de le faire, et c'est ainsi qu'il se retrouve avec des moulins et des tours sur le sol.

Pour les ateliers qui ne veulent pas être des opérations d'usinage complètes, un jet d'eau est un outil de coupe polyvalent qui peut offrir de nombreuses capacités de coupe d'une fraiseuse. Il s'agit simplement de comprendre ce que le jet d'eau peut offrir et d'utiliser pleinement ces capacités.

FIGURE 3. Les jets d'eau peuvent également produire des caractéristiques internes très complexes sur les pièces.