Cómo se comparan los chorros de agua con la funcionalidad tradicional del trabajo con metales

Oct 04, 2023

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

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 verlos en FABTECH. Las máquinas pueden cortar formas intrincadas 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 utiliza 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, introduciendo así variabilidad en el proceso, lo cual no es bienvenido en actividades altamente controladas como la fabricación aeroespacial. Los chorros de agua son un proceso de corte en frío).

Pero el chorro de agua puede hacer mucho más que cortar chapas, placas y estructuras tubulares en 2D. Puede ofrecer una funcionalidad de trabajo de metales que solo pueden duplicar dispositivos como máquinas de descarga eléctrica (EDM) y molinos.

Cuando a veces se hace referencia al corte por chorro de agua como “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 tradicionales de trabajo de metales.

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

Se necesitan 18 minutos para 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 preparación 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 hay que voltear la pieza para completar el trabajo. Debido a que la pieza debe sujetarse en prensas, es necesario retirarla, darle la vuelta y asegurarla antes de que la herramienta de corte pueda eliminar el exceso de espesor del material que las prensas sujetaron durante la eliminación inicial del material.

Además, el tiempo de preparación 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 estuviera hecha de titanio, que puede ser difícil de mecanizar. La baja conductividad térmica del material permite que la temperatura aumente rápidamente en el área de trabajo, lo que tiene un efecto adverso en las herramientas de corte. En particular, con el aumento de la temperatura, el titanio se vuelve más maleable, lo que algunos también llaman “gomoso”, y puede adherirse a las herramientas.

Teniendo todo esto en cuenta, una placa de soporte del motor de titanio de 1,5 pulgadas de espesor se procesa con 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 en aluminio 6061 T6 de 1,25 pulgadas de espesor. Para cortar la misma pieza en una fresadora CNC tradicional, el proceso dura aproximadamente 30 minutos y es necesario voltear la pieza 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 participa en actividades que generen dinero. Aquí es donde realmente destaca el chorro de agua 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 sobre la mesa. La pieza de trabajo simplemente debe colocarse sobre las lamas de la mesa. Además, sólo se necesita un dispositivo de corte.

Mientras tanto, un taller mecánico puede necesitar alrededor de 2,5 horas por trabajo de instalación. Cada fresadora utiliza dispositivos de sujeción que son pesados ​​y requieren mucho tiempo para instalarlos 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 funcionar con una placa grande, se pueden anidar varias piezas (algunas similares y otras completamente diferentes en geometría) en la misma pieza de trabajo. Las fresadoras CNC todavía requieren una sierra para cortar el material en bruto y, en la mayoría de los casos, la fresadora solo funcionará en una pieza a la vez.

Para cortes de alta precisión, las electroerosionadoras son difíciles de igualar. Hay una razón por la que se utilizan en el mundo de las herramientas y la fabricación de 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 al metal que de otro modo serían difíciles de producir con herramientas de corte convencionales.

El problema con las electroerosionadoras es que son muy lentas. Ésa es la desventaja de una máquina que ofrece niveles tan altos de precisión.

¿O es eso? Las máquinas de chorro de agua más pequeñas pueden realizar cortes precisos con tolerancias de +/- 13 µm o +/- 0,0005 pulgadas. Si bien esa no es la precisión que pueden lograr las electroerosionadoras, algunos podrían sugerir que 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 suministrar un chorro 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 de electrónica, fabricantes de dispositivos médicos y contratistas de defensa.

Imagine una multiherramienta médica con dientes diminutos que, cuando se hace vibrar, se utiliza para cortar algo parecido al hueso. Los dientes son tan pequeños que no se podían mecanizar en una fresadora tradicional y una electroerosión no era una opción porque no podía producir la herramienta lo suficientemente rápido. Ahí es donde el chorro de agua pudo ofrecer la precisión necesaria para la pieza y en tiempos atractivos para el fabricante.

Llamar a un chorro de agua “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 capacidad de cortar formas que normalmente se necesitarían con una brocha.

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

El brochado surgió hace casi 200 años como medio para crear poleas y engranajes. Hoy en día, se utiliza comúnmente en la creación de 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 elimina 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 varían en tamaño y forma a lo largo de la longitud de la herramienta, generalmente con aumentos más pequeños por diente al principio, realiza pasadas de desbaste, semiacabado y acabado a medida que la herramienta retira 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 una trayectoria singular y luego continuar 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 internas afiladas que una fresadora puede producir en las piezas (ver Figura 3). Si utiliza un 1 por 1 pulg. Con un 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 eliminación de material será muy lento.

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

Los chorros de agua también pueden cortar materiales no metálicos, 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 velocidades de alimentación reducidas ayudan a mantener el calor bajo y evitan dañar la fibra de carbono.

Los chorros de agua son capaces de perforar fibra de carbono sin necesidad de perforar 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, se puede utilizar un material de 0,0625 pulgadas de diámetro. Podría ser necesario un taladro para comenzar el agujero. (Si se utiliza un chorro de agua y un abrasivo para hacer la perforación en este material de fibra de carbono más económico, el agua se abre camino entre las muchas capas del material y puede producirse delaminación. Por lo general, el taladro se ubica al lado de la boquilla del 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 metales termina ofreciendo servicios de trabajo de metales con el fin de realizar ese tipo de trabajo. Por lo general, un cliente pregunta si el taller consideraría hacerlo y así es como terminan con fresadoras 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 sólo cuestión de comprender lo que el chorro de agua puede ofrecer y aprovechar plenamente esas capacidades.

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