Uneltele cu jet de apă de mai sus au fost demonstrate pentru o gamă largă de aplicații de îndepărtare a materialelor. Urmează o listă de aplicații în care au fost aplicate jeturi de apă. În timp ce unele dintre aceste aplicații sunt în uz comercial astăzi, alte aplicații sunt încă în curs de dezvoltare:
• Tăiere: Jetul este folosit pentru a tăia forme sau unele materiale.
• Găurire (piercing): Jetul este utilizat pentru a găuri o gaură fără trepanare.
• Strunjire: Jetul este folosit pentru a crea o suprafață de revoluție.
• Frezare: Jetul este folosit pentru a îndepărta materialul la o anumită adâncime.
• Fragmentare: Jetul este folosit pentru fragmentarea piesei de prelucrat.
• Asistență cu jet: Jetul este utilizat pentru a ajuta alte procese de îndepărtare a materialelor, cum ar fi răcire, lubrifiere, îndepărtare a resturilor și ghidare a fasciculului laser.
• Modificarea suprafeței: Jetul este utilizat pentru a modifica suprafața, cum ar fi curățarea, îndepărtarea ruginii, îndepărtarea vopselei, șlefuirea, texturarea, decaparea sau lustruirea.
• Altele: debavurare, decojire și fabricare de pulbere.

Tăiere

Un studiu de vizualizare realizat de Hashish (1988) în materiale transparente precum sticla, Lexan și plexiglas a ilustrat natura macro a procesului de penetrare a AWJ. Figura 12 prezintă o schemă a diferitelor etape de tăiere. Stadiul de dezvoltare (sau inițial) al tăierii este observat înainte ca jetul să atingă adâncimea maximă de tăiere, h. Dincolo de această etapă inițială, tăierea se desfășoară în manieră ciclică.

O interfață în stare staționară la o adâncime hc există în partea de sus a tăieturii. Sub hc, există o treaptă de material care pare să se miște sub impactul jetului până ajunge la adâncimea finală h. Acest proces de progresare este ilustrat în continuare în Fig. 13 cu o serie de imagini ale interfeței jet/material.

Pe baza terminologiei studiilor de eroziune de către Bitter (1963) și Finnie (1958), zona până la adâncimea hc poate fi numită „zona uzurii prin tăiere”, deoarece îndepărtarea materialului are loc în principal prin impactul particulelor la unghiuri mici. Zona de formare a treptei sub hc poate fi denumită „zonă de uzură prin deformare”, deoarece impactul la unghiuri mari determină îndepărtarea materialului. O altă diferență marcată între zonele de tăiere este că uzura prin tăiere este un proces în stare staționară în care rata de îndepărtare a materialului este egală cu viteza de deplasare a materialului cu jet prin traversare. Când această condiție se termină la adâncimea hc, jetul pătrunde în material prin îndepărtarea unei trepte cu o rată descrescătoare pe măsură ce adâncimea crește. În timpul acestui proces, diametrul efectiv al jetului se modifică, iar instabilitatea jetului contribuie la formarea ondulației.

Ondulația indusă de traversare apare adesea pe lama cuțitului pornind de la suprafața superioară fie aleatoriu, fie în mod regulat, în funcție de sistemul de traversare. Ondularea poate fi cauzată și de instabilitatea presiunii jetului de apă sau a vitezei de alimentare cu abraziv. Îns, modul de uzură prin tăiere poate să nu contribuie la generarea de tăieturi la anumite intervale de parametri. De exemplu, creșterea vitezei de traversare va scădea adâncimea uzurii de tăiere (Hashish 1984b). Peste o anumită viteză critică de traversare, nu se va genera nicio tăietură în stare constantă (uzură de tăiere) și toată tăierea se va datora uzurii prin deformare.

O observație interesantă observată în tăieturile făcute de toate uneltele de tăiere asemănătoare fluxului, cum ar fi jeturile de apă, laserele și jeturile de plasmă, este că acestea au caracteristica comună de a prezenta o suprafață ondulată sau striată la anumite intervale de parametri.

Model de tăiere

Pe baza unei simple derivații matematice, Hashish (1984b) a exprimat adâncimea tăieturii hc ca

unde c reprezintă porţiunea de abrazivi folosită pentru tăiere. Includerea unei viteze de prag sub care toate deformațiile sunt elastice, ca în Bitter (1963), poate fi încorporată prin înlocuirea Va cu (Va -Vc), unde Vc este viteza critică. Viteza intrinsecă (Vi) combină atât caracteristicile particulelor, cât și ale materialului și poate fi utilizată ca o condiție de eroziune pentru caracterizarea eroziunii. Se exprimă ca

unde Rf este un factor de rotunjime a particulei definit de

Ecuația pentru adâncimea uzurii prin deformare (hd) a fost, de asemenea, derivată de Hashish (1984b) pe baza ecuației lui Bitter (1963) pentru eroziune prin impactul particulelor solide la unghiuri mari. Această ecuație este

Atunci adâncimea totală de tăiere (h) este suma lui hc și hd.

Trebuie remarcat faptul că la viteze mari de traversare, nu va fi stabilită nicio zonă de echilibru (hc). În acest caz, toată acțiunea de tăiere va aparține zonei de uzură prin deformare, iar atributele acesteia vor acoperi întreaga suprafață tăiată. Rata critică la care are loc această tranziție este legată de unghiul critic (αc) de eroziune prin impactul particulelor.

Rata de traversare critică poate fi determinată din

Tendințe de tăiere liniară

Operarea AWJ este controlată de următorii parametri:

• Parametri hidraulici
– Presiunea jetului de apă (P)
– Diametrul duzei (orificiului) (dn)

• Parametrii abrazivi
– Material abraziv (densitate (qa), duritate, tenacitate etc.)
– Dimensiunea particulelor abrazive (da) și distribuția dimensiunii
– Forma particulelor abrazive (rotunjime, sfericitate etc.)
– Debitul abraziv (ma)

• Parametrii de amestecare
- Lungimea tubului de amestecare (lm)
– Diametrul interior al tubului de amestec (dm)

Efectele acestor parametri asupra vitezei de tăiere sau adâncimii de tăiere sunt calitativ prezentate în Fig. 14. Figura 15 prezintă un exemplu de efect al presiunii asupra vitezei de tăiere.

Atribute de tăiere

Figura 16 prezintă diferitele atribute geometrice care pot exista sau nu pe o suprafață tăiată cu AWJ. Aceste atribute sunt:

• Trailback (rămânerea în urmă)
• Lățimea tăieturii (conică)
• Forma tăieturii (arc)
• Finisarea suprafeței
• Rotunjirea marginii superioare
• Bavuri de ieșire

Trailback

Când jeturile (sau orice altă unealtă de tăiere cu fascicul) taie prin și separă materialul, se observă trei fenomene. Primul este că jetul este deviat opus direcției mișcării (Hashish 1984b; Henning și Anders 1998; Henning și colab. 2002; Henning și Westkamper 2000). Aceasta înseamnă că ieșirea jetului din material rămâne în urma punctului din partea superioară a materialului în care intră jetul. Distanța cu care ieșirea întârzie intrarea este denumită în mod obișnuit trailback, lag sau drag, așa cum se arată în Fig. 16. Crow and Hashish (1989) și Hashish (2002b) au dezvoltat o ecuație universală a tăieturii cu AWJ prin împărțirea zonei tăieturii într-o zonă superioară de impact direct și o zonă de abraziune centrifugală mai semnificativă. Ignorând zona superioară, trailback-ul (tb) la adâncimea (h) a fost calculat după cum urmează:

Deși ecuația de mai sus nu include efectul scăderii vitezei particulelor pe măsură ce adâncimea crește, ea arată că densitatea puterii jetului este un factor important în reduc
• Lățimea tăieturii (conică)
• Forma tăieturii (arc)
• Finisarea suprafeței
• Rotunjirea marginii superioare lungul tăieturii de sus în jos (vezi Fig. 16). Această diferență în lățime se numește de obicei conicitatea tăieturii. O conicitate poate să fie pozitivă, sau negativă, adică lățimea la ieșirea tăieturii poate să fie mai mică, sau mai mare decât lățimea din partea de sus. În mod obișnuit, lățimea tăieturii pe partea de ieșire este mai mică decât cea de la intrare la viteze practice de tăiere. Hashish (Hashish 2002b), bazat pe un model cu jet de apă (Hashish și DuPlessis 1979), a propus o ecuație a profilului lățimii tăieturii sub forma

Un exemplu de secțiune transversală a profilului de tăiere este prezentat în Fig. 17 la diferite viteze de tăiere ca procente din viteza de tăiere maximă posibilă (Hashish 2007). În aceeași figură sunt prezentați și parametrii de tăiere. Observați că starea de conicitate zero este undeva între 5% și 10% viteze de tăiere. Se observă, de asemenea, că o tăiere fără striații este la aproximativ 30% viteza de tăiere din Fig. 17 sau aproximativ 1,4 mm/s (adică, de 4,1 ori condiția de viteză de tăiere conică zero).

Profilele de tăiere sugerează că înclinarea jetului pentru a compensa conicitatea va fi un avantaj pentru a crește viteza de tăiere.

Pentru tăierea formei, fenomenele de trailback și conicitate se manifestă prin distorsiuni ale geometriei tăieturii pe partea de ieșire. Schița din fig. 18 arată o subtăiere din cauza fenomenelor de trailback (Hashish 2007; Knaupp et al. 2002)

Imaginea din aceeași figură arată tăieturi distorsionate în formă de pătrat la suprafața inferioară a materialului din cauza trailback-ului și conicității.

Finisaj de suprafață

Al treilea fenomen este legat de ondularea suprafeței, care este finisarea suprafeței la nivel macro al tăieturii. Figura 19 prezintă o suprafață tipică striată (ondulată) produsă de AWJ. Observați că suprafața superioară a tăieturii este lipsită de ondulații, dar încă aspră din cauza procesului de eroziune abrazivă (înlăturarea materialului la micro-nivel). Ipoteza ondulației este că interfața jet/material nu este constantă. O treaptă de material se mișcă sub jet până ajunge la fundul piesei de prelucrat. În acest timp, jetul traversează, iar diametrul său efectiv este redus pe măsură ce pătrunde mai adânc. Hashish (1992) a dezvoltat următoarea expresie simplificată pe baza acestei ipoteze:

Această ecuație arată efectul densității puterii jetului asupra ondulației suprafeței.

Tendința generală a conicității, trailback-ului și finisarea suprafeței ca funcții de viteză este ilustrată în Fig. 20. Această figură arată zonele generale de viteză separate de patru viteze critice de tăiere. Prima viteză critică de tăiere u1 este cea la care are loc conicitatea zero. Viteze mai mici decât u1 vor duce la tăieturi divergente cu conicitate negativă și fără ondulație. A doua viteză critică de tăiere u2 caracterizează începutul formării ondulațiilor. Creșterea vitezei dincolo de u2 va continua să crească conicitatea la o valoare maximă la a treia viteză critică u3. Dincolo de u3, conicitatea va scădea, iar suprafața va fi foarte ondulată și neregulată. La viteza u4, jetul abia va tăia prin material, nu va tăia complet.

Suprafața tăiată la viteza puțin sub u2 va produce o suprafață fără ondulații similară, dar puțin mai aspră, decât cea obținută la viteza u1. De obicei, u2 este de câteva ori mai rapidă decât u1.

Pentru a valorifica capacitatea dinamică de înclinare a unghiului jetului de apă (Knaupp et al. 2002; Zeng et al. 2005), viteza de tăiere poate fi maximizată pe baza finisajului necesar al suprafeței, indiferent de conicitate (și trailback). În acest caz, unghiurile de conicitate sunt utilizate pentru a obține acuratețea necesară a piesei prin corectarea conicității peretelui pe partea necesară a tăieturii. Să presupunem că un finisaj acceptabil al suprafeței este Ra. Aceasta va identifica o viteză de tăiere uf. Conicitatea obținută la această viteză este apoi determinată așa cum se arată în Fig. 21. Aceasta va defini un unghi de conicitate care va fi utilizat. Același lucru este valabil și pentru trailback.