Cómo los chorros de agua se comparan con la funcionalidad metalúrgica tradicional

Un chorro de agua puede entregar piezas con precisiones que compiten con un proceso de mecanizado. En algunos casos, esas tolerancias de corte pueden ser de +/- 0,0005 pulg.

Un chorro de agua es una herramienta versátil, con un nombre versátil.

La mayoría de los lectores de The FABRICATOR están acostumbrados a leer sobre chorros de agua e incluso a verlos en FABTECH. Las máquinas pueden cortar formas complejas en una variedad de metales y no metales. La tecnología realmente se destaca como la única opción de corte en algunas aplicaciones porque la corriente de agua a alta presión y el granate abrasivo que se usa para cortar el metal no cambia las propiedades del metal base durante el proceso de corte. (Los procesos de corte térmico pueden crear una zona afectada por el calor alrededor del área de corte que altera la microestructura del metal, lo que introduce variabilidad en el proceso, lo que no es bienvenido en actividades altamente controladas como la fabricación aeroespacial. Waterjets es un proceso de corte en frío).

Pero el chorro de agua puede hacer mucho más que cortar chapas 2D, placas y estructuras tubulares. Puede ofrecer una funcionalidad metalúrgica que solo es duplicada por dispositivos tales como máquinas de descarga eléctrica (EDM) y molinos.

Cuando el corte por chorro de agua a veces se denomina "mecanizado por chorro de agua", las personas que usan esa frase tienen más razón de lo que reconocen sus pares en el mundo de la fabricación. Los chorros de agua eliminan el material en un proceso de erosión controlado pero acelerado. No se producen chips, pero sigue siendo un proceso sustractivo. Y en algunos casos, es un proceso sustractivo mucho más eficiente que otras tecnologías metalúrgicas tradicionales.

Una máquina de chorro de agua puede cortar geometría rápidamente, muchas veces más rápido que una fresadora CNC. Como ejemplo, consideremos un trabajo que involucre aluminio, más específicamente una placa de montaje del motor de 1,25 pulgadas de espesor hecha de aluminio 6061 T6 (consulte la Figura 1).

Se tarda 18 minutos en cortar toda la placa con un chorro de agua. (Por el bien de esta conversación, estas piezas se fabrican teniendo en cuenta una tolerancia promedio). La configuración para el trabajo es de 15 minutos.

Para cortar la misma pieza en una fresadora CNC tradicional, el proceso dura aproximadamente 30 minutos. El gran desafío de esta aplicación es que la pieza debe voltearse para completar el trabajo. Debido a que la pieza debe sujetarse en prensas, debe retirarse, voltearse y asegurarse antes de que la herramienta de corte pueda eliminar el exceso de espesor del material que agarraron las prensas durante la eliminación inicial del material.

Además, el tiempo de configuración para este tipo de trabajo es mucho más largo que el de un trabajo de corte por chorro de agua. Son aproximadamente 2,5 horas.

Las cosas se vuelven aún más interesantes si la misma pieza se fabricó con titanio, que puede ser difícil de mecanizar. La baja conductividad térmica del material permite que las temperaturas aumenten rápidamente en el área de trabajo, lo que tiene un efecto adverso en las herramientas de corte. En particular, con el aumento de las temperaturas, el titanio se vuelve más maleable, lo que algunos también llaman "gomoso", y puede adherirse a la herramienta.

Con todo esto en mente, la placa de montaje del motor de 1,5 pulgadas de espesor hecha de titanio se procesa en el chorro de agua en 36 minutos. La misma pieza en una fresadora CNC necesita 390 minutos.

FIGURA 1. Un chorro de agua necesita solo 18 minutos para cortar esta forma de aluminio 6061 T6 de 1,25 pulgadas de espesor. Para cortar la misma pieza en una fresadora CNC tradicional, el proceso lleva aproximadamente 30 minutos y la pieza debe voltearse para terminar el trabajo.

Como sabe cualquier taller, el tiempo de inactividad de la máquina está mal visto en la mayoría de los casos porque si la máquina no está creando piezas, no está involucrada en actividades lucrativas. Ahí es donde el chorro de agua realmente brilla en comparación con el molino.

En promedio, un taller puede configurar un chorro de agua para un trabajo en 15 minutos. No es necesario cargar dispositivos pesados ​​y engorrosos en la mesa. La pieza de trabajo solo necesita colocarse en los listones de la mesa. Además, solo se necesita un dispositivo de corte.

Mientras tanto, un taller de máquinas puede necesitar alrededor de 2,5 horas por trabajo para la configuración. Cada fresadora utiliza dispositivos de sujeción de piezas que son pesados ​​y requieren mucho tiempo de instalación antes del trabajo de corte. Estos tipos de trabajos de astillado también utilizan varias herramientas de corte, todas las cuales deben cargarse en la máquina y referenciarse a la pieza de trabajo.

Además, debido a que un chorro de agua puede trabajar con una placa grande, varias piezas, algunas similares y otras completamente diferentes en geometría, se pueden anidar en la misma pieza de trabajo. Las fresadoras CNC aún requieren una sierra para cortar el stock de material en espacios en blanco y, en la mayoría de los casos, la fresadora solo trabajará en una pieza a la vez.

Para el corte de alta precisión, los EDM son difíciles de igualar. Hay una razón por la que se utilizan en el mundo de la fabricación de herramientas y moldes. La tecnología, que elimina material de una pieza de trabajo mediante una serie de descargas que se repiten rápidamente entre dos electrodos, se utiliza para agregar formas complejas en el metal que, de otro modo, serían difíciles de producir con herramientas de corte convencionales.

El problema con los EDM es que son muy lentos. Esa es la compensación con una máquina que ofrece niveles tan altos de precisión.

¿O es eso? Las máquinas de chorro de agua más pequeñas pueden ofrecer cortes precisos con tolerancias de +/- 13 µm o +/- 0,0005 pulgadas. Si bien eso no es la precisión que pueden lograr los EDM, que algunos podrían sugerir es +/- 0,0002 pulgadas (dependiendo de las características de la pieza de trabajo). , por supuesto), sigue siendo un rango de precisión que muchos considerarían un trabajo de alta precisión.

Con boquillas pequeñas y la capacidad de generar un flujo muy fino de agua y abrasivo, estas máquinas de alta precisión pueden realizar cortes especificados por el cliente, pero con una ranura muy pequeña. Es por eso que estas máquinas se encuentran comúnmente en entornos de fabricación asociados con la fabricación de alta precisión, como empresas electrónicas, fabricantes de dispositivos médicos y contratistas de defensa.

Imagine una multiherramienta médica con dientes diminutos que, cuando vibra, se usa para cortar algo como un hueso. Los dientes son tan pequeños que no se podían mecanizar en una fresadora tradicional, y una EDM no era una opción porque no podía producir la herramienta lo suficientemente rápido. Ahí es donde el chorro de agua pudo brindar la precisión necesaria para la pieza y en tiempos atractivos para el fabricante.

Llamar a un chorro de agua una "navaja suiza" es demasiado exagerado porque realmente puede hacer muchas cosas que normalmente se asociarían con diferentes tipos de máquinas para trabajar metales (consulte la Figura 2). Por ejemplo, considere la posibilidad de cortar formas en las que normalmente se necesitaría una brocha.

FIGURA 2. Un cabezal de corte de 5 ejes permite que un chorro de agua corte una hoja de ventilador de una placa.

El brochado surgió hace casi 200 años como un medio para crear poleas y engranajes. Hoy en día, se usa comúnmente para crear engranajes de alta precisión para la industria automotriz y componentes de aviones.

Un taller no puede brochar a menos que tenga una herramienta de brochado. La brocha quita metal cuando el metal se mueve contra la brocha estacionaria o cuando la brocha se mueve contra el objeto estacionario. La brocha, que tiene dientes que se modifican en tamaño y forma a lo largo de la herramienta, generalmente con elevaciones más pequeñas por diente al principio, realiza pasadas de desbaste, semiacabado y acabado a medida que la herramienta elimina el metal de la pieza de trabajo.

Los chorros de agua pueden duplicar las capacidades de corte de la brocha. Puede crear la perforación inicial, cortar la forma circular en un solo camino y luego seguir con los toques finales, ajustando la velocidad de avance de la máquina según sea necesario para crear el acabado de precisión necesario para completar el trabajo.

Otro ejemplo son las esquinas afiladas internas que un molino puede generar en las piezas (consulte la Figura 3). Si usa un 1- por 1-in. cuadrado de titanio como punto de partida, una fresadora CNC solo puede ofrecer un radio interno tan pequeño como la broca más pequeña. En ese punto, el proceso de remoción de material va a ser muy lento.

Un chorro de agua puede realizar un corte con un diámetro de 0,010 pulg. corte, lo que da como resultado una esquina interior del cuadrado de titanio que parece tener una característica interna que fue hecha por una fresadora CNC.

Los chorros de agua también pueden cortar no metales, como la fibra de carbono, de manera mucho más eficiente que las fresadoras CNC.

Si se utiliza una fresadora CNC en dicho material, no se recomiendan las herramientas convencionales. El mecanizado de fibra de carbono requiere herramientas especiales, velocidades de husillo más altas que los metales y velocidades de avance más bajas que los metales. Las tasas de alimentación reducidas ayudan a mantener el calor bajo y evitan dañar la fibra de carbono.

Los chorros de agua son capaces de perforar la fibra de carbono sin necesidad de taladrar previamente un agujero. En algunos casos en los que se utilizan materiales de bajo nivel de adherencia o estructuras de fibra de carbono muy básicas, un diámetro de 0,0625 pulg. puede ser necesario un taladro para comenzar el agujero. (Si se usó un chorro de agua y abrasivo para hacer la perforación en este material de fibra de carbono más económico, el agua se abre paso entre las muchas capas del material y puede ocurrir la delaminación. Por lo general, el taladro se encuentra junto a la boquilla de chorro de agua. ) Una vez hecho ese agujero, el chorro de agua puede comenzar a cortar la fibra de carbono.

Rara vez un taller de fabricación de metal termina ofreciendo servicios de metalurgia solo para perseguir ese tipo de trabajo. Por lo general, un cliente pregunta si el taller consideraría hacerlo, y así es como terminan con molinos y tornos en el suelo.

Para los talleres que no desean realizar operaciones de mecanizado completas, un chorro de agua es una herramienta de corte versátil que puede ofrecer muchas de las capacidades de corte de una fresadora. Es solo una cuestión de comprender lo que el chorro de agua puede ofrecer y poner en uso esas capacidades por completo.

FIGURA 3. Los chorros de agua también pueden ofrecer características internas muy complejas en las piezas.