ウォータージェットと従来の金属加工機能との比較

ウォータージェットは、機械加工プロセスに匹敵する精度で部品を供給できます。 場合によっては、これらの切断公差は +/- 0.0005 インチになることがあります。

ウォータージェットは、さまざまな名前を持つ多用途のツールです。

The FABRICATOR の読者のほとんどは、ウォータージェットについて読んだり、FABTECH でウォータージェットを見たりすることに慣れています。 この機械は、さまざまな金属や非金属の複雑な形状を切断できます。 この技術は、金属の切断に使用される水と研磨剤ガーネットの高圧流が切断プロセス中に母材金属の特性を変化させないため、一部の用途では唯一の切断オプションとして際立っています。 (熱切断プロセスでは、切断領域の周囲に熱の影響を受けるゾーンが生じ、金属の微細構造が変化するため、プロセスにばらつきが生じます。これは、航空宇宙製造などの高度に管理された活動では歓迎されません。ウォータージェットは冷間切断プロセスです。)

しかし、ウォータージェットは、2D シートメタル、プレート、および管状構造の切断以上のことを行うことができます。 放電加工機 (EDM) やフライス盤などの装置でのみ再現できる金属加工機能を提供できます。

ウォータージェット切断が「ウォータージェット加工」と呼ばれることがありますが、その表現を使用している人々は、製造業界の同僚が認識しているよりも正確です。 ウォータージェットは、制御された加速された浸食プロセスで材料を除去します。 チップは生成されませんが、それでも減算プロセスです。 また、場合によっては、他の従来の金属加工技術よりもはるかに効率的なサブトラクティブ プロセスとなります。

ウォータージェット マシンは、CNC ミルよりも何倍も速く、形状を迅速に切断できます。 例として、アルミニウム、より具体的には 6061 T6 アルミニウム製の厚さ 1.25 インチのモーター マウント プレートを使用する作業を考えてみましょう (図 1 を参照)。

ウォータージェットでプレート全体を切断するには18分かかります。 (この会話のために、これらの部品は平均的な公差を念頭に置いて製造されています。) この作業のセットアップは 15 分です。

従来の CNC ミルで同じ部品を切断するには、プロセスに約 30 分かかります。 このアプリケーションの大きな課題は、ジョブを完了するためにパーツを反転する必要があることです。 部品は万力で保持する必要があるため、最初の材料除去時に万力でつかんだ余分な材料の厚さを切削工具で取り除く前に、部品を取り外し、裏返し、固定する必要があります。

さらに、このタイプのジョブのセットアップ時間は、ウォータージェット切断ジョブのセットアップよりもはるかに長くなります。 約2.5時間です。

同じ部品が機械加工が難しいチタンで作られている場合、事態はさらに興味深いものになります。 この材料は熱伝導率が低いため、作業エリアの温度が急速に上昇し、切削工具に悪影響を及ぼします。 特に、温度が上昇するとチタンは展性が増し、「ゴム状」とも呼ばれ、工具に付着することがあります。

これらすべてを念頭に置いて、チタン製の厚さ 1.5 インチのモーター マウント プレートはウォータージェットで 36 分で加工されます。 同じ部品を CNC ミルで加工するには 390 分かかります。

図 1. ウォータージェットを使用して、厚さ 1.25 インチの 6061 T6 アルミニウムからこの形状を切り出すのに必要な時間はわずか 18 分です。 従来の CNC ミルで同じ部品を切断するには、プロセスに約 30 分かかり、作業を完了するには部品を裏返す必要があります。

求人サイトなら誰でも知っているように、機械が部品を作成していなければ、金儲けの活動に関与していないため、ほとんどの場合、機械のダウンタイムは嫌われます。 ミルと比較してウォータージェットが本当に優れているのはそこです。

平均して、ショップは 15 分以内にウォータージェットをセットアップできます。 重くて扱いにくいデバイスをテーブルに載せる必要はありません。 ワークピースはテーブル上のスラットの上に置くだけです。 また、必要な切断装置は 1 つだけです。

一方、機械工場ではセットアップに 1 ジョブあたり約 2.5 時間かかる場合があります。 各工場では、重量があり、切断作業の前に設置するのに時間がかかるワーク保持装置を使用しています。 この種のチッピング作業では複数の切削工具も使用しますが、それらのすべてを機械にロードしてワークピースを参照する必要があります。

さらに、ウォータージェットは大きなプレートを扱うことができるため、複数の部品 (形状が似ている部品もあれば完全に異なる部品も) を同じワークピース上にネストすることができます。 CNC ミルでは、材料ストックをブランクに切断するために依然として鋸を必要とし、ほとんどの場合、ミルは一度に 1 つの部品のみを処理します。

高精度の切断には放電加工機では対応できません。 工具や金型製造の世界で使用されるのには理由があります。 この技術は、2 つの電極間で急速に繰り返される一連の放電を使用してワークピースから材料を除去するもので、従来の切削工具では製造が困難な複雑な形状を金属に追加するために使用されます。

EDM の問題は、非常に遅いことです。 これは、このような高レベルの精度を実現するマシンとのトレードオフです。

またはそれは？ 小型のウォータージェット機械は、+/- 13 µm または +/- 0.0005 インチの公差で正確な切断を実現できます。これは EDM が達成できる精度ではありませんが、+/- 0.0002 インチであると示唆する人もいます。(ワークピースの特性に応じて)もちろん）、これは依然として、多くの人が高精度の作業であると考える精度の範囲です。

小さなノズルと非常に細かい水流と研磨剤を供給する機能を備えたこれらの高精度機械は、顧客指定の切断を非常に小さな切り口で実現できます。 そのため、これらの機械は、電子会社、医療機器メーカー、防衛請負業者など、高精度の製造に関連する製造現場でよく使われています。

小さな歯が付いた医療用マルチツールを想像してみてください。振動させると、骨などを切断することができます。 歯は非常に小さいため、従来のフライス盤では加工できず、十分な速度で工具を製造できないため、EDM は選択肢にはなりませんでした。 そこでウォータージェットが部品に必要な精度を、メーカーにとって魅力的な時間内で提供できるようになりました。

ウォータージェットを「スイス・アーミー・ナイフ」と呼ぶのは行き過ぎです。なぜなら、ウォータージェットは通常、さまざまな種類の金属加工機械に関連付けられる多くのことを実際に実行できるからです (図 2 を参照)。 たとえば、通常はブローチが必要な形状を切断できる機能について考えてみましょう。

図 2. 5 軸カッティング ヘッドにより、ウォータージェットでファン ブレードをプレートから切断できます。

ブローチ加工は、プーリーやギアを作成する手段として約 200 年前に登場しました。 現在では、自動車産業や航空機部品向けの高精度歯車の製造に一般的に使用されています。

ショップはブローチ工具を持っていなければブローチ加工を行うことができません。 ブローチは、金属が静止ブローチに対して移動するか、ブローチが静止物体に対して移動するときに金属を除去します。 ブローチは、工具の長さに沿ってサイズと形状が変化する歯を持ち、通常、最初は歯ごとの立ち上がりが小さく、工具がワークピースから金属を除去する際に、荒加工、中仕上げ、仕上げのパスを実行します。

ウォータージェットはブローチの切断能力を再現できます。 最初のピアスを作成し、単一のパスで円形の形状をカットし、その後仕上げの仕上げを行い、必要に応じて機械の送り速度を調整して、ジョブを完了するために必要な精密な仕上げを作成できます。

もう 1 つの例は、フライス加工で部品にできる内部の鋭いコーナーです (図 3 を参照)。 1 × 1 インチを使用する場合。 出発点としてチタンの正方形を使用する場合、CNC ミルは最小のドリルビットと同じくらい小さな内径しか実現できません。 この時点では、材料の除去プロセスは非常に遅くなります。

ウォータージェットは 0.010 インチの切断を行うことができます。 カーフにより、CNC ミルで加工された内部フィーチャーがあるように見えるチタンの四角形の内側の角ができます。

ウォータージェットは、CNC ミルよりもはるかに効率的にカーボンファイバーなどの非金属を切断することもできます。

このような材料に CNC ミルを使用する場合、従来のツールは推奨されません。 カーボンファイバーの加工には、特殊な工具、金属よりも高いスピンドル速度、金属よりも低い送り速度が必要です。 供給速度を下げることで熱を低く保ち、炭素繊維への損傷を避けることができます。

ウォータージェットは、事前に穴を開ける必要がなく、カーボンファイバーに穴を開けることができます。 低接着レベルの材料または非常に基本的な炭素繊維構造が使用される場合には、直径 0.0625 インチの材料が使用されます。 穴を開けるにはドリルが必要になる場合があります。 (この安価なカーボンファイバー素材に穴を開けるために水と研磨剤のジェット流を使用すると、素材の多くの層の間に水が入り込み、層間剥離が発生する可能性があります。通常、ドリルはウォータージェット ノズルの隣に設置されます。 ) 穴が開けられると、ウォータージェットがカーボンファイバーの切断を開始できます。

金属加工店がそのような仕事を追求するために金属加工サービスを提供することになることはほとんどありません。 通常、顧客は店にそれを検討してもらえないかと尋ね、最終的に床にフライス盤や旋盤が置かれることになります。

本格的な機械加工をしたくない工場にとって、ウォータージェットは、ミルの切断能力の多くを提供できる多用途の切断ツールです。 重要なのは、ウォータージェットが何を提供できるのかを理解し、その機能を最大限に活用することです。

図 3. ウォータージェットは、部品の非常に複雑な内部機能も提供できます。