Usinage par jet d'eau - Principe de fonctionnement, applications, avantages

Qu'est-ce que l'usinage par jet d'eau ?

Usinage au jet d'eau (WJM), également connu sous le nom de découpe au jet d'eau , est un processus d'usinage non traditionnel qui utilise un jet d'eau à grande vitesse pour éliminer les matériaux de la surface de la pièce.

Des jets d'eau sont utilisés dans ce processus, qui agit comme un dispositif sous la forme d'une scie à eau. L'eau est rapidement soulevée et concentrée sur la pièce cible dans ce processus.

Il est capable d'utiliser des particules abrasives mélangées dans des matériaux de jet d'eau et certains métaux à haute vitesse et pression. Certains processus n'utilisent aucun abrasif, et ceux-ci sont connus sous le nom de processus d'usinage au jet d'eau pur.

Ce processus d'usinage utilise une pression d'eau allant de 200 MPa à 400 MPa. La pression varie en fonction de la pièce à partir de laquelle le matériau doit être extrait. Ce processus est similaire au phénomène naturel de l'érosion hydrique.

Il est principalement utilisé pour éliminer les matériaux des pièces non métalliques et souples telles que le plastique, le caoutchouc et le verre. Dans ce processus, un jet d'eau à grande vitesse est utilisé pour éliminer les matériaux de la pièce. Les principes de base de ce processus sont que l'énergie cinétique du jet d'eau doit être convertie en énergie de pression pour qu'il enlève la matière de la pièce.

Lorsqu'un jet d'eau entre en collision avec une pièce à usiner avec de l'énergie cinétique, l'énergie cinétique est convertie en énergie de pression. Cette énergie sous pression provoquera une contrainte sur la pièce et, par conséquent, le matériau de tension commencera à s'éloigner de la pièce.

Principe de fonctionnement de l'usinage par jet d'eau

Le principe de fonctionnement de l'usinage par jet d'eau est basé sur l'érosion hydrique . Le matériau est expulsé lorsqu'un jet d'eau à grande vitesse frappe la surface. Les matériaux tendres sont usinés au jet d'eau pure. Pour couper des matériaux durs, cependant, certaines particules abrasives sont mélangées à de l'eau pour l'usinage, appelée AWJM (Usinage Jet d'Eau Abrasif).

Pièces d'usinage par jet d'eau

L'élément clé de l'usinage par jet d'eau (WJM) est un jet d'eau,

1 . Réservoir

Un réservoir d'eau est utilisé pour stocker l'eau qui sera utilisée pendant le processus d'usinage. Le réservoir est généralement situé un peu au-dessus de l'ensemble de l'installation.

Ceci est fait pour assurer un flux d'eau continu et ininterrompu.

2. Pompe hydraulique

La pompe hydraulique est alimenté par une 30 kW (kW) moteur électrique et fournit de l'huile à des pressions allant jusqu'à 117 bars afin d'entraîner une pompe à piston plongeur appelée multiplicateur. La pompe hydraulique offre une flexibilité totale pour les applications de découpe et de nettoyage au jet d'eau. Il prend également en charge une ou plusieurs stations de coupe pour une productivité d'usinage accrue.

3. Intensificateur hydraulique

L'intensificateur accepte l'eau à basse pression (typiquement 4 bar) et l'expulse, à travers un accumulateur, à des pressions plus élevées jusqu'à 3000 à 4000 bar . L'intensificateur convertit l'énergie du fluide hydraulique à basse pression en eau à ultra haute pression. Le système hydraulique fournit une puissance hydraulique à un piston alternatif dans la section centrale de l'intensificateur.

4 . Accumulateur

L'accumulateur maintient le débit continu de l'eau à haute pression et élimine les fluctuations de pression. Il s'appuie sur la compressibilité de l'eau (12 % à 3 800 bar) afin de maintenir une pression de refoulement et une vitesse de jet d'eau uniformes lorsque le piston intensificateur change de direction.

5. Tube haute pression

Tube haute pression transporte de l'eau sous pression vers la tête de coupe. Les diamètres de tube typiques sont 6 à 14 mm . L'équipement permet un mouvement flexible de la tête de coupe. L'action de coupe est contrôlée soit manuellement, soit par l'intermédiaire d'une vanne télécommandée spécialement conçue à cet effet.

6 Buse

Dans l'usinage par jet d'eau, c'est un dispositif qui convertit l'énergie de pression de l'eau en énergie cinétique. La buse dans ce cas, convertit la pression du jet d'eau en un faisceau de jet d'eau à grande vitesse. Pour éviter l'érosion, la pointe de la buse est en rubis ou en diamant.

7. Vanne de régulation

Cette soupape de commande régule à la fois la pression et le débit de l'eau et la dirige vers le régulateur de débit. Les énergies de pression seront converties en énergie cinétique à ce stade.

8. Régulateur de débit

Un régulateur de débit régule le débit d'eau provenant de la vanne de régulation. Après avoir réglé le régulateur de débit, l'eau passera à travers la buse, convertissant la haute pression de l'eau en eau à grande vitesse.

9 .Attrapeur

Le attrapeur agit comme un réservoir pour recueillir les débris d'usinage entraînés dans le jet d'eau. De plus, il réduit les niveaux de bruit (105 décibels (dB)) associés à la réduction de la vitesse du jet d'eau de Mach 3 à des niveaux subsoniques.

Travail de l'usinage par jet d'eau

D'abord, une pompe est utilisé pour transférer l'eau à un débit élevé. L'eau entre dans l'intensificateur à basse pression et est transférée à l'accumulateur à une haute pression d'environ 3800 bar . L'accumulateur est un appareil qui stocke temporairement de l'eau à haute pression.

L'accumulateur L'eau à haute pression est transférée à une vanne de régulation, qui contrôle la direction de l'eau. La vanne de régulation convertit l'énergie de la pression de l'eau en énergie cinétique, convertissant l'eau à haute pression en eau à grande vitesse, qui est ensuite envoyée au régulateur de débit.

Le régulateur de débit régule le débit de l'eau et la dirige vers la buse. L'énergie cinétique de l'eau augmente considérablement dans la buse et la buse produit de l'eau à grande vitesse.

L'eau sort alors du trou et est dirigée vers la pièce. Lorsque le jet d'eau atteint la pièce, l'énergie cinétique est reconvertie en énergie de pression et la pièce est sous pleine pression.

Cette pression du jet d'eau provoquera des fractures sur la partie de la pièce où se trouve le vélo à jet d'eau, ainsi que des fissures à la surface de la pièce, et comme le jet d'eau continue de frapper la surface de la pièce pendant une période de temps prolongée. La fissure s'approfondira et le matériau sera retiré de la pièce.

La matière extraite est emportée par l'eau. Une fois le matériau retiré, l'eau qui coupe le matériau est collectée pour une utilisation ultérieure. Des parties des copeaux coupés à l'aide de ce procédé seront présentes dans le matériau de cette eau. Cette eau sera envoyée pour une purification supplémentaire, ou elle peut être réassemblée tout au long du processus d'usinage par jet.

Avantages et inconvénients de l'usinage par jet d'eau

Avantages

• Il a une capacité de coupe multidirectionnelle.
• Aucune chaleur n'est produite.
• Les coupes peuvent être commencées à n'importe quel endroit sans avoir besoin de trous pré-percés.
• Le mouillage du matériau de la pièce est minime.
• Il n'y a pas de déviation par rapport au reste de la pièce.
• La bavure produite est minime.
• L'outil ne s'use pas et n'a donc pas besoin d'être affûté.
• Le processus est respectueux de l'environnement.
• La contamination dangereuse par la poussière en suspension dans l'air et les problèmes d'élimination des déchets qui sont courants lors de l'utilisation d'autres méthodes de nettoyage sont éliminés.
• Il y a plusieurs têtes de traitement. Une fixation simple élimine un outillage coûteux et compliqué, qui
  réduit le délai d'exécution et diminue le coût.
• Le meulage et le polissage sont éliminés, ce qui réduit les opérations secondaires
  frais.
• Le trait de scie étroit permet un emboîtement serré lorsque plusieurs pièces sont découpées dans
  un seul blanc.
• Il est idéal pour dégrossir le matériau pour une forme proche du net.
• Il est idéal pour les matériaux réfléchissant le laser tels que le cuivre et l'aluminium.
• Il permet une coupe plus précise des matériaux souples.
• Il coupe des matériaux très épais tels que 383 mm en titane et 307 mm en Inconel.

Inconvénients / Limites

• Il n'est pas adapté à la production de masse en raison des exigences de maintenance élevées.
• Le coût initial est très élevé.
• Les matériaux très épais ne peuvent pas être usinés par ce processus.
• Il est utilisé pour couper des matériaux plus tendres, mais AWJM PEUT couper des matériaux plus durs pour une épaisseur limitée.

Applications de l'usinage par jet d'eau

WJM est utilisé sur les métaux, le papier, le tissu, le cuir, le caoutchouc, les plastiques, les aliments et
céramique. Il s'agit d'un processus de coupe polyvalent et économique qui peut être utilisé comme alternative aux méthodes d'usinage traditionnelles. Il élimine complètement les zones affectées par la chaleur, les fumées toxiques, les couches de refonte, l'écrouissage et les contraintes thermiques.

C'est la solution de nettoyage la plus flexible et la plus efficace disponible pour une variété de besoins industriels. En général, la surface découpée a un aspect sablé. De plus, les matériaux plus durs présentent une meilleure finition des bords. Les finitions de surface typiques vont de 1,6 µm de racine carrée moyenne (RMS) à très grossier selon l'application.

Les tolérances sont de l'ordre de ±25 µm sur un matériau fin. La rugosité et la tolérance de la surface produite dépendent de la vitesse d'usinage.

Les applications de WJM sont :-

• L'usinage par jet d'eau est utilisé pour découper, façonner et rationaliser les opérations dans une variété d'industries, y compris l'exploitation minière, l'automobile et l'aérospatiale.
• Le caoutchouc, les textiles, les plastiques, la mousse, le cuir, les composites, les carreaux, les verres en pierre, les aliments, le métal/papier et d'autres matériaux sont généralement mécanisés par jets d'eau (WJM ou AWJM).
• WJM est généralement utilisé pour couper des matériaux souples et faciles à usiner tels que des feuilles et des feuilles minces, du bois, des alliages de métaux non ferreux, des textiles, des nids d'abeilles, des plastiques, des polymères, des morceaux de cuir, etc.
• AWJM est fréquemment utilisé pour usiner des matériaux difficiles à usiner. Il est utilisé pour usiner des plaques épaisses en acier, aluminium et autres matériaux commerciaux, des plastiques renforcés, des composites à matrice métallique et à matrice céramique, des composites stratifiés, de la pierre, du verre, etc.
• Outre le processus d'usinage, des jets d'eau à haute pression sont utilisés pour éliminer les contraintes résiduelles lors du décapage de la peinture, de la chirurgie, du nettoyage, de l'urine et d'autres applications. Le perçage, le fraisage de poche, le tournage et l'alésage peuvent également être effectués avec AWJM.

Quelques questions relatives à l'usinage par jet d'eau

Quels sont les produits fabriqués par découpe au jet d'eau ?

La découpe au jet d'eau permet aux entreprises de créer une large gamme de pièces et de produits. Le matériel de verrouillage (boulons, engrenages, etc. ), les pièces automobiles, les composants électriques, les gros éléments de chaîne de montage et les prototypes de conception ne sont que quelques-uns des produits qu'ils fabriquent avec la découpe au jet d'eau. La découpe au jet d'eau peut également être utilisée par les artistes pour créer des œuvres d'art géométriquement précises et/ou complexes.

La découpe au jet d'eau est-elle durable ?

La découpe au jet d'eau est par nature un procédé favorable à l'environnement. La découpe au jet d'eau, contrairement aux systèmes de découpe mécaniques traditionnels, ne nécessite pas d'huiles de refroidissement ou de lubrification. Cela élimine le besoin de se débarrasser des puces chimiquement affectées. Le jet d'eau, contrairement aux techniques thermiques comme le plasma ou le laser, ne produit aucune fumée nocive pendant le processus de découpe.

L'abrasif grenat est non toxique et inerte, et comme très peu de métal est enlevé pendant le processus de coupe, très peu de métal réel est gaspillé. Cela permet de minimiser l'impact sur l'environnement.

Quelle est la précision d'une découpeuse au jet d'eau ?

Les jets d'eau à flux peuvent produire des produits avec des tolérances extrêmement serrées; certains systèmes peuvent atteindre des tolérances aussi basses que 0,001″. (0,025 mm). Les tolérances des pièces pour l'usinage par jet d'eau vont généralement de 0,003″ à 0,005″ de pouce. Pour les matériaux d'une épaisseur supérieure à 1 pouce, les machines créeront des pièces avec des tolérances allant de 0,005 à 0,100 pouce (0,12 à 2,5 mm).

En raison des différences de technologie, telles que le contrôle et la structure de la machine, les tolérances varient considérablement d'un fabricant à l'autre.

Quelle est la pression d'un découpeur à jet d'eau ?

Les pressions de découpe au jet d'eau varient généralement de 50 000 à 60 000 PSI. De nombreux systèmes plus récents sont soumis à une pression de 90 000 livres par pouce carré. L'eau est ensuite évacuée par un petit orifice usiné dans un diamant ou un saphir, qui mesure normalement entre 5 et 15 millièmes de pouce de diamètre. Le jet d'eau qui en résulte est supersonique, ce qui signifie qu'il se déplace plus vite que la vitesse du son. Heureusement, le débit est relativement faible, à environ 1/2 gallon par minute.

Quels sont les problèmes de sécurité concernant la découpe au jet d'eau ?

Le jet d'eau pénétrant dans la peau, se faire frapper par des débris volants et être exposé au bruit sont tous des risques et des préoccupations courants associés à l'usinage par jet d'eau. Travailler dans des espaces confinés, les risques de chute, les dangers respiratoires et oculaires, les chocs électriques et l'exposition potentielle à des substances dangereuses sont autant de risques liés au jet d'eau à haute pression.

Questions à choix multiples sur l'usinage par jet d'eau

Q. Quel est l'élément clé de l'usinage par jet d'eau pour l'enlèvement de matière ?
a) Porte-outil
b) Pièce à usiner
c) Jet d'eau
d) Source d'alimentation
Réponse : c
Explication : Le jet d'eau est celui qui est utilisé pour couper la pièce et enlever la matière.

Q. Lequel des éléments suivants ne fait pas partie du système d'usinage de l'usinage par jet d'eau ?
a) Transducteur
b) Accumulateur
c) Buse de découpe au jet
d) Pompe hydraulique
Réponse : un
Explication : Le transducteur ne fait pas partie de l'usinage par jet d'eau et d'autres composants relèvent de WJM.

Q. Quelle est la vitesse du jet d'eau dans l'usinage par jet d'eau ?
a) 100 m/s
b) 300 m/s
c) 700 m/s
d) 900 m/s
Réponse : ré
Explication :La vitesse du jet d'eau utilisé dans l'usinage par jet d'eau est d'environ 900 m/s.

Q. Quel type de matériaux ne peut pas être usiné à l'aide de l'usinage par jet abrasif ?
a) Matériaux souples
b) Matériaux durs
c) Matériaux difficiles à usiner
d) Aucun des éléments mentionnés
Réponse : un
Explication :Les matériaux tendres tels que les barres chocolatées, le bois tendre fin, etc. ne peuvent pas être usinés avec AJM.

Fréquemment Questions posées

L'usinage par jet d'eau est aussi appelé

Usinage au jet d'eau (WJM) également appelé découpe au jet d'eau. Il est défini comme un processus d'usinage non traditionnel dans lequel un jet d'eau à grande vitesse est utilisé pour éliminer les matériaux de la surface de la pièce. WJM peut être utilisé pour couper des matériaux plus tendres comme le plastique, le caoutchouc ou le bois.

Comment le matériau est-il éliminé par jet abrasif

Dans l'usinage par jet abrasif, un flux concentré de particules abrasives, transporté par de l'air ou du gaz à haute pression, est amené à empiéter sur la surface de travail à travers une buse et le matériau de travail est éliminé par érosion par des particules abrasives à grande vitesse .

Où l'usinage par jet d'eau est-il applicable

Le procédé WJM a été appliqué avec succès pour différentes opérations d'usinage telles que la coupe, le perçage, l'ébavurage et le dénudage de fil, etc. Il a également été appliqué dans le domaine de l'ingénierie de surface comme le traitement de surface, le nettoyage, la texturation et la finition, etc.

Quelles industries utilisent les découpeuses au jet d'eau ?

Ateliers d'emploi
Éducation
Aéronautique
Équipement de traitement des aliments
Essais
Centre de service des métaux

Qui a inventé la découpe au jet d'eau ?

Dr Norman Franz