La découpe au jet d'eau est peut-être une méthode de traitement plus simple, mais elle est équipée d'un poinçon puissant et oblige l'opérateur à rester conscient de l'usure et de la précision de plusieurs pièces.
Le procédé de découpe au jet d'eau le plus simple consiste à découper des matériaux au jet d'eau à haute pression. Cette technologie est généralement complémentaire à d'autres technologies de traitement, telles que le fraisage, le laser, l'électroérosion et le plasma. Dans le processus au jet d'eau, aucune substance nocive ni vapeur ne se forme, et aucune zone affectée par la chaleur ou contrainte mécanique n'est formée. Les jets d'eau peuvent découper des détails ultra-fins sur la pierre, le verre et le métal ; percer rapidement des trous dans le titane ; couper la nourriture; et même tuer les agents pathogènes dans les boissons et les trempettes.
Toutes les machines à jet d'eau sont équipées d'une pompe qui peut pressuriser l'eau pour l'acheminer vers la tête de coupe, où elle est convertie en un débit supersonique. Il existe deux principaux types de pompes : les pompes à entraînement direct et les pompes à surpression.
Le rôle de la pompe à entraînement direct est similaire à celui d'un nettoyeur haute pression, et la pompe à trois cylindres entraîne trois pistons directement à partir du moteur électrique. La pression de service continue maximale est de 10 à 25 % inférieure à celle des pompes de surpression similaires, mais cela les maintient toujours entre 20 000 et 50 000 psi.
Les pompes basées sur un intensificateur constituent la majorité des pompes à ultra haute pression (c'est-à-dire des pompes de plus de 30 000 psi). Ces pompes contiennent deux circuits de fluide, un pour l'eau et l'autre pour l'hydraulique. Le filtre d'entrée d'eau passe d'abord à travers un filtre à cartouche de 1 micron puis un filtre de 0,45 micron pour aspirer l'eau du robinet ordinaire. Cette eau entre dans la pompe de surpression. Avant qu'elle n'entre dans la pompe de surpression, la pression de la pompe de surpression est maintenue à environ 90 psi. Ici, la pression est augmentée à 60 000 psi. Avant que l'eau ne quitte finalement le groupe motopompe et n'atteigne la tête de coupe via la conduite, l'eau traverse l'amortisseur. L'appareil peut supprimer les fluctuations de pression pour améliorer la cohérence et éliminer les impulsions qui laissent des marques sur la pièce.
Dans le circuit hydraulique, le moteur électrique situé entre les moteurs électriques aspire l'huile du réservoir d'huile et la met sous pression. L'huile sous pression s'écoule vers le collecteur et la vanne du collecteur injecte alternativement de l'huile hydraulique des deux côtés de l'ensemble biscuit et piston pour générer l'action de course du surpresseur. Puisque la surface du piston est plus petite que celle du biscuit, la pression de l’huile « augmente » la pression de l’eau.
Le surpresseur est une pompe alternative, ce qui signifie que l'ensemble biscuit et piston fournit de l'eau à haute pression d'un côté du surpresseur, tandis que l'eau à basse pression remplit l'autre côté. La recirculation permet également à l'huile hydraulique de refroidir lorsqu'elle retourne dans le réservoir. Le clapet anti-retour garantit que l'eau à basse et haute pression ne peut s'écouler que dans une seule direction. Les cylindres haute pression et les embouts qui encapsulent les composants du piston et du biscuit doivent répondre à des exigences particulières pour résister aux forces du processus et aux cycles de pression constants. L'ensemble du système est conçu pour tomber en panne progressivement et les fuites s'écouleront vers des « trous de drainage » spéciaux qui peuvent être surveillés par l'opérateur afin de mieux planifier l'entretien régulier.
Un tuyau spécial à haute pression transporte l'eau jusqu'à la tête de coupe. Le tuyau peut également offrir une liberté de mouvement à la tête de coupe, en fonction de la taille du tuyau. L'acier inoxydable est le matériau de choix pour ces tuyaux, et il existe trois tailles courantes. Les tuyaux en acier d'un diamètre de 1/4 de pouce sont suffisamment flexibles pour être connectés à des équipements sportifs, mais ne sont pas recommandés pour le transport sur de longues distances d'eau à haute pression. Étant donné que ce tube est facile à plier, même en rouleau, une longueur de 10 à 20 pieds peut réaliser un mouvement X, Y et Z. Les tuyaux plus grands de 3/8 de pouce transportent généralement l'eau de la pompe jusqu'au bas de l'équipement en mouvement. Bien qu’il puisse être plié, il ne convient généralement pas aux équipements de déplacement de pipelines. Le plus grand tuyau, mesurant 9/16 pouces, est idéal pour transporter de l’eau à haute pression sur de longues distances. Un diamètre plus grand permet de réduire la perte de pression. Les tuyaux de cette taille sont très compatibles avec les grosses pompes, car une grande quantité d’eau à haute pression présente également un plus grand risque de perte de pression potentielle. Cependant, les tuyaux de cette taille ne peuvent pas être pliés et des raccords doivent être installés dans les coins.
La machine de découpe au jet d'eau pure est la première machine de découpe au jet d'eau et son histoire remonte au début des années 1970. Par rapport au contact ou à l'inhalation de matériaux, ils produisent moins d'eau sur les matériaux, ils conviennent donc à la production de produits tels que des intérieurs d'automobile et des couches jetables. Le fluide est très fin (0,004 pouces à 0,010 pouces de diamètre) et fournit des géométries extrêmement détaillées avec très peu de perte de matière. La force de coupe est extrêmement faible et la fixation est généralement simple. Ces machines sont les mieux adaptées à un fonctionnement 24 heures sur 24.
Lorsque vous envisagez une tête de coupe pour une machine à jet d'eau pur, il est important de se rappeler que la vitesse d'écoulement correspond aux fragments ou particules microscopiques du matériau déchirant, et non à la pression. Pour atteindre cette vitesse élevée, de l'eau sous pression s'écoule à travers un petit trou dans une pierre précieuse (généralement un saphir, un rubis ou un diamant) fixée à l'extrémité de la buse. La coupe typique utilise un diamètre d'orifice de 0,004 pouces à 0,010 pouces, tandis que les applications spéciales (telles que le béton projeté) peuvent utiliser des tailles allant jusqu'à 0,10 pouces. À 40 000 psi, le débit provenant de l’orifice se déplace à une vitesse d’environ Mach 2, et à 60 000 psi, le débit dépasse Mach 3.
Différents bijoux ont une expertise différente en matière de découpe au jet d'eau. Le saphir est le matériau à usage général le plus courant. Ils durent environ 50 à 100 heures de temps de coupe, bien que l'application au jet d'eau abrasif divise par deux ces temps. Les rubis ne conviennent pas à la découpe au jet d'eau pure, mais le débit d'eau qu'ils produisent est très adapté à la découpe à l'abrasif. Dans le processus de coupe abrasive, le temps de coupe des rubis est d’environ 50 à 100 heures. Les diamants sont beaucoup plus chers que les saphirs et les rubis, mais le temps de taille se situe entre 800 et 2 000 heures. Cela rend le diamant particulièrement adapté à un fonctionnement 24 heures sur 24. Dans certains cas, l’orifice en diamant peut également être nettoyé par ultrasons et réutilisé.
Dans la machine à jet d’eau abrasif, le mécanisme d’élimination de la matière n’est pas le débit d’eau lui-même. A l’inverse, le flux accélère les particules abrasives pour corroder le matériau. Ces machines sont des milliers de fois plus puissantes que les machines de découpe au jet d'eau pur et peuvent couper des matériaux durs tels que le métal, la pierre, les matériaux composites et la céramique.
Le jet abrasif est plus grand que le jet d’eau pure, avec un diamètre compris entre 0,020 pouces et 0,050 pouces. Ils peuvent couper des piles et des matériaux jusqu'à 10 pouces d'épaisseur sans créer de zones affectées par la chaleur ni de contraintes mécaniques. Bien que leur résistance ait augmenté, la force de coupe du jet abrasif est toujours inférieure à une livre. Presque toutes les opérations de jet abrasif utilisent un dispositif de jet et peuvent facilement passer d'une utilisation à tête unique à une utilisation à plusieurs têtes, et même le jet d'eau abrasif peut être converti en jet d'eau pure.
L'abrasif est du sable dur, spécialement sélectionné et dimensionné, généralement du grenat. Différentes tailles de grille conviennent à différents travaux. Une surface lisse peut être obtenue avec des abrasifs de 120 mailles, tandis que les abrasifs de 80 mailles se sont révélés plus adaptés aux applications générales. La vitesse de coupe abrasive de 50 mesh est plus rapide, mais la surface est légèrement plus rugueuse.
Bien que les jets d’eau soient plus faciles à utiliser que de nombreuses autres machines, le tube mélangeur nécessite l’attention de l’opérateur. Le potentiel d'accélération de ce tube est semblable à celui d'un canon de fusil, avec différentes tailles et différentes durées de vie. Le tube mélangeur longue durée est une innovation révolutionnaire dans la découpe au jet d'eau abrasif, mais le tube reste très fragile : si la tête de coupe entre en contact avec un accessoire, un objet lourd ou le matériau cible, le tube peut se briser. Les tuyaux endommagés ne peuvent pas être réparés, donc pour réduire les coûts, il faut minimiser le remplacement. Les machines modernes disposent généralement d'une fonction de détection automatique des collisions pour éviter les collisions avec le tube mélangeur.
La distance de séparation entre le tube de mélange et le matériau cible est généralement comprise entre 0,010 pouce et 0,200 pouce, mais l'opérateur doit garder à l'esprit qu'une séparation supérieure à 0,080 pouce provoquera du givrage sur le dessus du bord coupé de la pièce. La découpe sous-marine et d’autres techniques peuvent réduire ou éliminer ce givrage.
Initialement, le tube mélangeur était en carbure de tungstène et n'avait qu'une durée de vie de quatre à six heures de coupe. Les tuyaux composites à faible coût d'aujourd'hui peuvent atteindre une durée de vie de 35 à 60 heures et sont recommandés pour le dégrossissage ou la formation de nouveaux opérateurs. Le tube composite en carbure cémenté prolonge sa durée de vie jusqu'à 80 à 90 heures de coupe. Le tube composite en carbure cémenté de haute qualité a une durée de vie de coupe de 100 à 150 heures, convient au travail de précision et quotidien et présente l'usure concentrique la plus prévisible.
En plus de fournir du mouvement, les machines-outils à jet d'eau doivent également inclure une méthode de fixation de la pièce et un système de collecte et de collecte de l'eau et des débris provenant des opérations d'usinage.
Les machines stationnaires et unidimensionnelles sont les jets d'eau les plus simples. Les jets d'eau fixes sont couramment utilisés dans l'aérospatiale pour découper les matériaux composites. L'opérateur introduit le matériau dans le ruisseau comme une scie à ruban, tandis que le collecteur ramasse le ruisseau et les débris. La plupart des jets d’eau fixes sont des jets d’eau purs, mais pas tous. La machine à refendre est une variante de la machine stationnaire, dans laquelle des produits tels que le papier sont introduits dans la machine et le jet d'eau coupe le produit dans une largeur spécifique. Une machine à tronçonner est une machine qui se déplace le long d'un axe. Ils travaillent souvent avec des machines à refendre pour créer des motifs en forme de grille sur des produits tels que des distributeurs automatiques tels que des brownies. La machine à refendre coupe le produit dans une largeur spécifique, tandis que la machine à couper transversalement coupe le produit alimenté en dessous.
Les opérateurs ne doivent pas utiliser manuellement ce type de jet d’eau abrasif. Il est difficile de déplacer l’objet coupé à une vitesse spécifique et constante, et c’est extrêmement dangereux. De nombreux fabricants ne proposent même pas de machines pour ces réglages.
La table XY, également appelée machine de découpe à plat, est la machine de découpe jet d'eau bidimensionnelle la plus courante. Les jets d'eau pure coupent les joints, les plastiques, le caoutchouc et la mousse, tandis que les modèles abrasifs coupent les métaux, les composites, le verre, la pierre et la céramique. L'établi peut mesurer aussi peu que 2 × 4 pieds ou aussi grand que 30 × 100 pieds. Habituellement, le contrôle de ces machines-outils est assuré par CNC ou PC. Les servomoteurs, généralement dotés d'un retour en boucle fermée, garantissent l'intégrité de la position et de la vitesse. L'unité de base comprend des guidages linéaires, des boîtiers de roulement et des vis à billes, tandis que l'unité pont comprend également ces technologies et que le réservoir de collecte comprend un support de matériau.
Les établis XY sont généralement disponibles en deux styles : l'établi à portique à rail intermédiaire comprend deux rails de guidage de base et un pont, tandis que l'établi en porte-à-faux utilise une base et un pont rigide. Les deux types de machines incluent une certaine forme de réglage de la hauteur de la tête. Ce réglage de l'axe Z peut prendre la forme d'une manivelle manuelle, d'une vis électrique ou d'une vis servo entièrement programmable.
Le puisard de l'établi XY est généralement un réservoir d'eau rempli d'eau, équipé de grilles ou de lattes pour soutenir la pièce. Le processus de découpe consomme lentement ces supports. Le piège peut être nettoyé automatiquement, les déchets sont stockés dans le conteneur, ou cela peut être manuel, et l'opérateur pellete régulièrement le bidon.
À mesure que la proportion d’articles pratiquement dépourvus de surfaces planes augmente, les capacités à cinq axes (ou plus) sont essentielles pour la découpe au jet d’eau moderne. Heureusement, la tête de coupe légère et la faible force de recul pendant le processus de coupe offrent aux ingénieurs de conception une liberté que le fraisage sous forte charge ne possède pas. La découpe au jet d'eau à cinq axes utilisait initialement un système de gabarit, mais les utilisateurs se sont rapidement tournés vers le système à cinq axes programmable pour se débarrasser du coût du gabarit.
Cependant, même avec un logiciel dédié, la découpe 3D est plus compliquée que la découpe 2D. La partie arrière composite du Boeing 777 en est un exemple extrême. Tout d'abord, l'opérateur télécharge le programme et programme le personnel flexible « pogostick ». Le pont roulant transporte le matériau des pièces, la barre à ressort est dévissée à une hauteur appropriée et les pièces sont fixées. L'axe Z spécial non coupant utilise une sonde de contact pour positionner avec précision la pièce dans l'espace et des points d'échantillonnage pour obtenir l'élévation et la direction correctes de la pièce. Après cela, le programme est redirigé vers la position réelle de la pièce ; la sonde se rétracte pour laisser place à l'axe Z de la tête de coupe ; le programme s'exécute pour contrôler les cinq axes afin de maintenir la tête de coupe perpendiculaire à la surface à couper et pour fonctionner selon les besoins. Déplacement à une vitesse précise.
Des abrasifs sont nécessaires pour couper des matériaux composites ou tout métal de plus de 0,05 pouce, ce qui signifie qu'il faut empêcher l'éjecteur de couper la barre à ressort et le lit de l'outil après la coupe. La capture de points spéciaux est le meilleur moyen de réaliser une découpe au jet d'eau sur cinq axes. Des tests ont montré que cette technologie peut arrêter un avion à réaction de 50 chevaux en dessous de 6 pouces. Le cadre en forme de C relie le receveur au poignet de l'axe Z pour attraper correctement la balle lorsque la tête coupe toute la circonférence de la pièce. Le récupérateur de points arrête également l'abrasion et consomme des billes d'acier à un rythme d'environ 0,5 à 1 livre par heure. Dans ce système, le jet est arrêté par la dispersion de l'énergie cinétique : une fois que le jet entre dans le piège, il rencontre la bille d'acier contenue, et la bille d'acier tourne pour consommer l'énergie du jet. Même lorsqu'il est horizontal et (dans certains cas) à l'envers, le capteur de taches peut fonctionner.
Toutes les pièces à cinq axes ne sont pas également complexes. À mesure que la taille de la pièce augmente, l’ajustement du programme et la vérification de la position de la pièce et de la précision de coupe deviennent plus compliqués. De nombreux magasins utilisent quotidiennement des machines 3D pour des découpes 2D simples et des découpes 3D complexes.
Les opérateurs doivent être conscients qu'il existe une grande différence entre la précision des pièces et la précision du mouvement de la machine. Même une machine offrant une précision presque parfaite, un mouvement dynamique, un contrôle de vitesse et une excellente répétabilité peut ne pas être en mesure de produire des pièces « parfaites ». La précision de la pièce finie est une combinaison d'erreur de processus, d'erreur de machine (performance XY) et de stabilité de la pièce (fixation, planéité et stabilité de la température).
Lors de la découpe de matériaux d'une épaisseur inférieure à 1 pouce, la précision du jet d'eau est généralement comprise entre ±0,003 et 0,015 pouces (0,07 à 0,4 mm). La précision des matériaux de plus de 1 pouce d'épaisseur est comprise entre ±0,005 et 0,100 pouces (0,12 à 2,5 mm). La table XY haute performance est conçue pour une précision de positionnement linéaire de 0,005 pouces ou plus.
Les erreurs potentielles qui affectent la précision incluent les erreurs de compensation d'outil, les erreurs de programmation et le mouvement de la machine. La compensation de l'outil est la valeur entrée dans le système de contrôle pour prendre en compte la largeur de coupe du jet, c'est-à-dire la quantité de trajectoire de coupe qui doit être élargie pour que la pièce finale obtienne la taille correcte. Pour éviter les erreurs potentielles lors des travaux de haute précision, les opérateurs doivent effectuer des essais de coupe et comprendre que la compensation de l'outil doit être ajustée en fonction de la fréquence d'usure du tube de mélange.
Les erreurs de programmation se produisent le plus souvent parce que certaines commandes XY n'affichent pas les dimensions sur le programme pièce, ce qui rend difficile la détection du manque de correspondance dimensionnelle entre le programme pièce et le dessin CAO. Les aspects importants du mouvement de la machine qui peuvent introduire des erreurs sont l'écart et la répétabilité de l'unité mécanique. Le réglage du servo est également important, car un mauvais réglage du servo peut entraîner des erreurs d'espacement, de répétabilité, de verticalité et de broutage. Les petites pièces d'une longueur et d'une largeur inférieures à 12 pouces ne nécessitent pas autant de tables XY que les grandes pièces, de sorte que le risque d'erreurs de mouvement de la machine est moindre.
Les abrasifs représentent les deux tiers des coûts d’exploitation des systèmes à jet d’eau. D'autres incluent l'électricité, l'eau, l'air, les joints, les clapets anti-retour, les orifices, les tuyaux de mélange, les filtres d'entrée d'eau et les pièces de rechange pour les pompes hydrauliques et les cylindres haute pression.
Le fonctionnement à pleine puissance semblait au début plus coûteux, mais l’augmentation de la productivité dépassait le coût. À mesure que le débit d’abrasif augmente, la vitesse de coupe augmentera et le coût par pouce diminuera jusqu’à atteindre le point optimal. Pour une productivité maximale, l'opérateur doit faire fonctionner la tête de coupe à la vitesse de coupe la plus rapide et à la puissance maximale pour une utilisation optimale. Si un système de 100 chevaux ne peut faire fonctionner qu’une tête de 50 chevaux, alors l’exécution de deux têtes sur le système peut atteindre cette efficacité.
L’optimisation de la découpe au jet d’eau abrasif nécessite une attention particulière à la situation spécifique, mais peut permettre d’excellentes augmentations de productivité.
Il n'est pas judicieux de couper un entrefer supérieur à 0,020 pouce, car le jet s'ouvre dans l'espace et coupe grossièrement les niveaux inférieurs. Empiler les feuilles de matériau étroitement ensemble peut empêcher cela.
Mesurez la productivité en termes de coût par pouce (c'est-à-dire le nombre de pièces fabriquées par le système), et non en termes de coût horaire. En fait, une production rapide est nécessaire pour amortir les coûts indirects.
Les jets d'eau qui percent souvent les matériaux composites, le verre et les pierres doivent être équipés d'un contrôleur capable de réduire et d'augmenter la pression de l'eau. L'assistance au vide et d'autres technologies augmentent la probabilité de réussir à percer des matériaux fragiles ou stratifiés sans endommager le matériau cible.
L'automatisation de la manutention n'a de sens que lorsque la manutention représente une grande partie du coût de production des pièces. Les machines à jet d'eau abrasif utilisent généralement un déchargement manuel, tandis que la découpe de plaques utilise principalement l'automatisation.
La plupart des systèmes à jet d'eau utilisent de l'eau du robinet ordinaire et 90 % des opérateurs de jet d'eau n'effectuent aucune préparation autre que l'adoucissement de l'eau avant de l'envoyer au filtre d'entrée. Utiliser l'osmose inverse et les déioniseurs pour purifier l'eau peut être tentant, mais l'élimination des ions permet à l'eau d'absorber plus facilement les ions des métaux dans les pompes et les tuyaux haute pression. Cela peut prolonger la durée de vie de l'orifice, mais le coût de remplacement du cylindre haute pression, du clapet anti-retour et du couvercle d'extrémité est beaucoup plus élevé.
La découpe sous-marine réduit le givrage de la surface (également appelé « buée ») sur le bord supérieur de la découpe au jet d'eau abrasif, tout en réduisant considérablement le bruit du jet et le chaos sur le lieu de travail. Cependant, cela réduit la visibilité du jet, il est donc recommandé d'utiliser une surveillance électronique des performances pour détecter les écarts par rapport aux conditions de pointe et arrêter le système avant tout dommage aux composants.
Pour les systèmes qui utilisent différentes tailles de tamis abrasif pour différents travaux, veuillez utiliser un stockage et un dosage supplémentaires pour les tailles courantes. Les vannes de transport en vrac petites (100 lb) ou grandes (500 à 2 000 lb) et les vannes de dosage associées permettent une commutation rapide entre les tailles de maille du tamis, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les tracas, tout en augmentant la productivité.
Le séparateur peut couper efficacement des matériaux d'une épaisseur inférieure à 0,3 pouce. Bien que ces pattes puissent généralement assurer une seconde rectification du taraud, elles permettent d'obtenir une manipulation plus rapide du matériau. Les matériaux plus durs auront des étiquettes plus petites.
Machine avec jet d’eau abrasif et contrôle de la profondeur de coupe. Pour les bonnes pièces, ce processus naissant peut constituer une alternative intéressante.
Sunlight-Tech Inc. a utilisé les centres de micro-usinage et de microfraisage laser Microlution de GF Machining Solutions pour produire des pièces avec des tolérances inférieures à 1 micron.
La découpe au jet d’eau occupe une place dans le domaine de la fabrication des matériaux. Cet article explique comment fonctionnent les jets d'eau pour votre magasin et examine le processus.
Heure de publication : 04 septembre 2021