Les bases de la pression de découpe au jet d'eau

La pression de découpe au jet d'eau appropriée provient d'une combinaison de la puissance de la pompe et du diamètre de la buse et de l'orifice. Bien sûr, le réglage de la pression optimale n'est qu'un point de départ.

Depuis la création de la technologie du jet d'eau il y a près de 50 ans, il y a eu un débat continu sur la combinaison de pression et de puissance qui permet d'obtenir des performances de coupe optimales. Des nombres plus importants se traduisent-ils par une coupe meilleure ou plus rapide ? Quelle combinaison de pression, de puissance et de buse est la meilleure pour une application donnée ? Qu'est-ce que tout cela signifie vraiment?

Pour encadrer la discussion, supprimons l'argument de l'intensificateur par rapport aux pompes à entraînement direct. Si vous avez déjà enquêté sur l'achat d'un système à jet d'eau, vous avez probablement été confronté à une multitude de données de marketing et de vente montrant les avantages de chacun. Les pompes à multiplicateur hydraulique peuvent fournir des pressions exceptionnellement élevées au prix d'un système hydraulique énergivore. D'autres ont préconisé des systèmes à entraînement direct utilisant une pompe à vilebrequin mécanique (voirFigure 1).

Au cours des décennies précédentes, un compromis entre ces technologies existait. Les pompes d'intensification étaient considérées comme plus faciles et moins chères à entretenir, en particulier à des pressions élevées, tandis que les systèmes à entraînement direct offraient une efficacité énergétique plus élevée. La technologie a évolué et les compromis ont changé au fil des ans.

Quoi qu'il en soit, les principes de base de la découpe au jet d'eau n'ont pas changé. La combinaison buse / orifice aide à pressuriser l'eau lorsqu'elle est extraite de la tuyauterie haute pression à travers une ouverture mesurée en centièmes de pouce. Passant à travers un orifice de petit diamètre, l'eau forme un jet d'eau cohérent qui passe ensuite à travers une buse venturi, où une quantité dosée d'abrasif granulaire est aspirée dans le flux d'eau. Le mélange d'eau et de particules abrasives passe à travers un tube de mélange en céramique spécial, et la boue abrasive/eau résultante sort de la buse sous la forme d'un flux de coupe cohérent de particules abrasives se déplaçant à très grande vitesse.

Les abrasifs ne coupent que lorsqu'ils parviennent à atteindre le matériau. La maille de l'abrasif doit être de la bonne taille pour l'orifice afin d'éviter le colmatage. Le grenat à quatre-vingts mailles est le plus universel entre les tailles de buse, tandis que le grenat à mailles 50 est beaucoup plus grossier et est généralement utilisé avec des orifices de plus grand diamètre tels que 0,022 ou 0,020 po. L'utilisation d'une buse plus étroite avec un grenat à mailles 50 augmentera la probabilité d'obstructions. Pour les buses plus petites utilisées pour les applications de haute précision, telles que 0,014 ou 0,010 pouces. buses, un maillage de 120 ou plus est optimal.

La taille de la buse n'est pas le seul facteur qui détermine le maillage idéal pour une application donnée. Tout comme le papier de verre, les finitions de surface plus fines nécessitent des tailles de maille plus élevées et plus fines. Un grenat de 220 mesh fournira des finitions plus lisses et plus précises sur 80 mesh, en particulier lors de la coupe de matériaux fins.

La pression est déterminée par le volume d'eau poussé à travers un orifice de buse par une pompe (voirFigure 2 ). Plus l'orifice est petit, plus la pression est élevée. Hypothétiquement, avec une pompe de 100 HP et un large orifice, vous pourriez maximiser votre jet d'eau à 30 000 PSI, mais aucun OEM ne vend quelque chose comme ça parce que ce n'est pas efficace. D'un autre côté, il est possible d'atteindre 60 000 PSI avec une pompe de 5 CV, mais les applications sont très limitées et l'orifice serait absurdement étroit.

La puissance est proportionnelle à la pression multipliée par le débit volumique (P = kp × V). Pour une puissance de pompe donnée, toute augmentation de pression doit s'accompagner d'une diminution proportionnelle du débit volumique. Cela signifie qu'une pompe à haute pression doit utiliser une buse avec un orifice plus petit. Par exemple, une pompe intensificateur de 50 HP avec un 0,014-in. l'orifice de la buse à 60 KSI est limité à 0,010 po. orifice à 90 KSI.

Pour les applications au jet d'eau pur réalisées sans abrasifs, une pression plus élevée peut conduire à une coupe plus rapide. En fait, le plus petit diamètre du jet provenant d'un système à haute pression peut être plus efficace dans les applications de coupe à l'eau uniquement, telles que les produits alimentaires ou le caoutchouc mousse. Dans les systèmes de découpe au jet d'eau abrasif, cependant, l'abrasif effectue la découpe, pas l'eau. Au lieu de cela, l'eau accélère les petites particules abrasives dans un flux cohérent qui peut éroder le matériau coupé.

De 10 000 à 60 000 PSI, la vitesse de découpe au jet d'eau abrasif augmente régulièrement. La finition et la précision s'améliorent également car le PSI plus élevé concentre les particules en un seul point. À des pressions plus élevées, cependant, la relation directe entre le PSI et la vitesse de coupe commence à se dégrader.

Figure 1Dans une pompe à jet d'eau à entraînement direct, la puissance provient du carter de manivelle, illustré ici.

C'est selon un article de 2018 du Dr Axel Henning, Pete Miles et Ernst Schubert intitulé "Effects of Particle Fragmentation on Performance of the Abrasive Waterjet", présenté à la Conférence internationale sur le jet d'eau, dans lequel les auteurs ont étudié comment les performances de coupe étaient liées à la taille des particules abrasives (voirfigure 3 ). Ils ont constaté qu'à des pressions plus élevées, les grains abrasifs se brisent et deviennent une poussière plus fine avant de sortir de la buse, ce qui réduit la puissance de coupe.

La puissance détermine le volume d'eau sortant d'une buse à jet d'eau. Par exemple, avec un 0.022-in. orifice, une pompe intensificateur de 50 HP fonctionnant à 60 000 PSI produira généralement 1 gallon par minute (GPM). Une pompe de 100 HP fonctionnant à 60 000 PSI produira généralement 2 GPM.

La puissance à la pompe n'est pas la même que la puissance à la buse, et les systèmes à entraînement direct et à intensification ont des caractéristiques d'efficacité de pompe différentes. Mais si le débit d'abrasif, le diamètre de la buse/orifice et la puissance au niveau de la buse sont tous les mêmes, une pompe à intensification et une pompe à entraînement direct couperont à la même vitesse à travers les matériaux et les épaisseurs les plus courants.

Les effets de la puissance supplémentaire dépendent également du matériau à couper. Une puissance plus élevée accélérera certainement l'usinage d'aluminium de 3 pouces d'épaisseur, mais les effets seront négligeables lors de l'usinage de cales à l'aide d'un 0,010 pouce. orifice. Lors de la coupe de matériaux très fins, il peut être préférable de travailler à une puissance inférieure à laquelle la variation de fréquence est plus stable. Une autre option serait d'utiliser une pompe avec un entraînement à fréquence variable.

Dans l'ensemble, on peut dire que le moyen le plus efficace d'augmenter l'efficacité de la découpe au jet d'eau est d'augmenter le rendement de la pompe en termes de puissance, car cela entraîne la poussée de plus d'eau et d'abrasif à travers la buse et à travers le matériau.

Trouver la meilleure combinaison de puissance et de pression pour une machine donnée, c'est comme vous dire la meilleure façon de conduire votre voiture. Une Scion xA se conduit très différemment d'une Shelby Cobra. De plus, selon l'état du moteur de ces deux véhicules, le soin apporté avec eux, leur âge et la façon dont ils ont été assemblés, la puissance et les performances des deux véhicules peuvent osciller énormément. Si le Cobra a été abusé et non entretenu et que le xA est en pleine forme… vous obtenez le point. Les deux véhicules vous conduiront du point A au point B; la question se résume vraiment à la qualité de la conduite.

Cela étant dit, certaines combinaisons de puissance et de pression ont tendance à fonctionner dans des conditions idéales et avec des tailles d'orifice/buse spécifiques. Pour poursuivre l'analogie avec la voiture, pensez aux chiffres dansFigure 4 comme vous le feriez pour la consommation de carburant affichée sur les voitures neuves. Les combinaisons puissance/pression indiquées dans le tableau peuvent être considérées comme optimales sur le papier, mais elles ne tiennent en aucun cas compte de ce qui peut se passer dans votre machine. Considérez-les comme un bon point de départ pour optimiser votre découpe au jet d'eau sur un matériau spécifique. Pour la plupart des métaux standard, y compris l'aluminium, l'acier, le laiton et le titane, les conditions de coupe correctes diffèrent selon que le matériau est épais ou mince.

L'acrylique et d'autres plastiques sont d'excellents candidats pour la découpe au jet d'eau grâce à l'absence de transfert de chaleur, mais ils ont tendance à avoir des problèmes d'écaillage ou de fissuration lors du perçage. Le verre se comporte de la même manière à cet égard. Pour les matériaux fragiles ou qui ont tendance à se délaminer, commencez par un perçage à basse pression, puis augmentez la vitesse de coupe.

Les mousses nécessitent une approche complètement différente, car le procédé au jet d'eau n'utilise pas d'abrasifs. Au lieu de se concentrer sur la taille des orifices/buses, les fabricants peuvent optimiser les applications de mousse en ajustant la taille du bijou. (Le bijou est l'endroit où l'eau à haute pression passe à l'eau à grande vitesse.) Un bon point de départ est 20-50 HP et 60 KSI de pression et une taille de bijou de 0,011 po.

Vous ne pouvez pas optimiser la découpe au jet d'eau sous vide. Même avec l'équilibre parfait entre la taille des mailles du grenat, la pression, la puissance et le diamètre de l'orifice/de la buse, des temps de cycle et une rentabilité tout aussi parfaits peuvent rester hors de portée. Dans tout environnement de production suffisamment complexe, les problèmes de productivité peuvent être causés par de nombreux facteurs, la technologie des pompes étant l'un d'entre eux.

Figure 2La combinaison buse/orifice aide à pressuriser l'eau lorsqu'elle est extraite de la tuyauterie haute pression à travers une ouverture.

Quoi qu'il en soit, le jet d'eau abrasif est passé d'un équipement spécialisé pour les fabricants à un nouvel outil polyvalent dans les ateliers d'usinage et les installations de fabrication du monde entier. Même si la technologie change, l'eau et le grenat restent en grande partie les mêmes. Tant que ces matériaux constituent la base de toute découpe au jet d'eau abrasif, la puissance et la pression joueront un rôle majeur.

La réponse la plus simple au débat entre la puissance et la pression est qu'il n'y a pas vraiment de débat. Les deux jouent un rôle important dans l'optimisation des processus à jet d'eau, mais l'importance relative de la puissance et de la pression dépend entièrement de votre application à jet d'eau et de l'état de la machine à jet d'eau elle-même.

Pour la plupart des ateliers qui cherchent à augmenter la vitesse de coupe sur une machine existante, l'ajout d'une pompe de plus grande puissance offrira le plus grand avantage. Cependant, la seule façon de trouver le meilleur équilibre entre la puissance et la pression est d'effectuer de nombreuses expériences et d'avoir une relation de travail étroite avec les experts en applications du fabricant de jets d'eau.