Usinage par jet d'eau : principes, avantages, inconvénients et applications

L'usinage par jet d'eau (WJM) aussi appelé découpe par jet d'eau, est un processus d'usinage non traditionnel dans lequel un jet d'eau à haute vélocité est utilisé pour enlever les matériaux de la surface de la pièce. Le WJM peut être utilisé pour couper des matériaux plus tendres comme le plastique, le caoutchouc ou le bois. Afin de couper des matériaux plus durs comme les métaux ou le granit, un matériau abrasif est mélangé dans l'eau. Lorsqu'un matériau abrasif est utilisé dans l'eau pour le processus d'usinage, on l'appelle Usinage par jet d'eau abrasif (AWJM).

Principe de fonctionnement

Il est basé sur le principe de l'érosion par l'eau. Lorsque un jet d'eau à haute vélocité frappe la surface, l'enlèvement de matériau a lieu. Le jet d'eau pure est utilisé pour usiner les matériaux plus tendres. Mais pour couper des matériaux plus durs, certaines particules abrasives sont mélangées avec l'eau pour l'usinage et c'est appelé AWJM (Usinage par jet d'eau abrasif).

Matériaux abrasifs

Les particules abrasives les plus couramment utilisées dans l'AWJM sont le grenat et l'oxyde d'aluminium. Le sable (SiO2) et les billes de verre sont aussi utilisés comme abrasif. La fonction des particules abrasives est d'améliorer la capacité de coupe du jet d'eau.

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Pièces principales de l'usinage par jet d'eau

Les diverses pièces de l'usinage par jet d'eau sont

1. Pompe hydraulique

Elle est utilisée pour faire circuler l'eau du réservoir de stockage pendant le processus d'usinage. La pompe délivre l'eau à l'intensificateur à basse pression d'environ 5 bars. Un booster est aussi utilisé qui augmente la pression initiale de l'eau à 11 bar avant de la livrer à l'intensificateur.

2. Intensificateur hydraulique

Il est utilisé pour augmenter la pression de l'eau à une pression très élevée. Il reçoit l'eau de la pompe à 4 bar et augmente sa pression jusqu'à 3000 à 4000 bar.

3. Accumulateur

Il stocke l'eau haute pression temporairement. Il fournit ce fluide quand une grande quantité d'énergie de pression est requise. Il élimine les conditions de fluctuation de pression dans le processus d'usinage.

4. Chambre de mélange ou tube

C'est une chambre sous vide où le mélange des particules abrasives dans l'eau a lieu.

5. Vanne de contrôle :

Elle contrôle la pression et la direction du jet d'eau.

6. Régulateur de débit ou vanne

Le débit de l'eau est régulé avec l'aide du régulateur de débit.

7. Buse

C'est un dispositif qui est utilisé pour convertir l'énergie de pression de l'eau en énergie cinétique dans l'usinage par jet d'eau. Ici, la buse convertit la pression du jet d'eau en un faisceau de jet d'eau à haute vélocité. L'extrémité de la buse est faite de rubis ou de diamant pour la prévenir de l'érosion.

8. Système de drainage et de récupération

Après l'usinage, les débris et particules usinées de l'eau sont séparés avec l'aide du système de drainage et de récupération. Il enlève les particules de métal et autres particules indésirables de l'eau et la renvoie au réservoir pour une utilisation ultérieure.

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Fonctionnement de l'usinage par jet d'eau

1. L'eau du réservoir est pompée vers l'intensificateur avec l'aide d'une pompe.
2. L'intensificateur augmente la pression de l'eau de 5 bars à 3000-4000 bar. Cette eau haute pression de l'intensificateur est envoyée vers la buse ainsi que dans l'accumulateur.
3. L'accumulateur stocke l'eau haute pression et la fournit à tout instant quand elle est requise. Il est utilisé pour éliminer la fluctuation de l'exigence de haute pression pour l'usinage de matériaux durs.
4. L'eau haute pression est ensuite passée à la buse où l'énergie de haute pression de l'eau est convertie en énergie cinétique. Un jet d'eau à très haute vélocité (1000 m/s) sort par la buse sous forme d'un faisceau étroit.
5. L'abrasif tel que le grenat ou l'oxyde d'aluminium est mélangé avec l'eau à l'intérieur de la buse. Une chambre de mélange est là dans la buse où les abrasifs se mélangent avec l'eau haute pression.
6. Ce jet d'eau à haute vélocité quand il frappe la surface de la pièce enlève le matériau de celle-ci.
7. Le jet d'eau après l'usinage est collecté par le système de drainage et de récupération. Ici, les débris, particules de métal de l'eau sont enlevés et il est fourni au réservoir.

Le fonctionnement sera le même pour l'usinage par jet d'eau mais les particules abrasives ne sont pas mélangées avec le jet à haute vélocité. Seulement le jet d'eau pur sort de la sortie de la buse.

Avantages

• Il a la capacité de couper les matériaux sans perturber leur structure originale. Et cela arrive parce qu'il n'y a pas de zone affectée par la chaleur (ZAC).
• Il est capable de produire des coupes complexes et intricées dans les matériaux.
• La zone de travail dans ce processus d'usinage reste propre et sans poussière.
• Il a un faible coût d'exploitation et de maintenance car il n'a pas de pièces mobiles.
• Le dommage thermique à la pièce est négligeable en raison de l'absence de génération de chaleur.
• Il est capable de couper des matériaux plus tendres (WJM) comme le caoutchouc, les plastiques ou le bois ainsi que des matériaux plus durs (AWJM) comme le granit.
• Il est respectueux de l'environnement car il ne crée aucune pollution ou produits toxiques.
• Il a une plus grande précision de l'usinage. Les tolérances de l'ordre de ± 0,005 pouce peuvent être facilement atteintes.

Inconvénients

• Il est utilisé pour couper des matériaux plus tendres. Mais l'AWJM peut couper des matériaux plus durs d'épaisseur limitée.
• Les matériaux très épais ne peuvent pas être usinés par ce processus.
• Le coût initial du WJM est élevé.

Applications

• L'usinage par jet d'eau est utilisé dans diverses industries comme le minage, l'automobile et l'aérospatial pour effectuer des opérations de coupe, formage et alésage.
• Les matériaux qui sont couramment usinés par jet d'eau (WJM ou AWJM) sont le caoutchouc, les textiles, les plastiques, la mousse, le cuir, les composites, les carreaux, la pierre, le verre, l'alimentation, les métaux/ papier et bien plus.
• Le WJM est principalement utilisé pour couper des matériaux tendres et faciles à usiner tels que les feuilles minces et feuilles, le bois, les alliages non ferreux, les textiles, les structures alvéolaires, les plastiques, les polymères, les cuirs, les aliments congelés, etc.
• L'AWJM est typiquement utilisé pour usiner ces matériaux qui sont durs et difficiles à usiner. Il est utilisé pour usiner des plaques épaisses d'acier, d'Al et d'autres matériaux commerciaux, plastiques renforcés, matrice métallique, et composites à matrice céramique, composites stratifiés, pierres, verre, etc.
• En plus du processus d'usinage, le jet d'eau haute pression est utilisé dans l'enlèvement de peinture, la chirurgie, le nettoyage, le grenaillage pour enlever les contraintes résiduelles, etc.
• L'AWJM peut aussi être utilisé pour effectuer le perçage, le fraisage de poche, le tournage et l'alésage.