L'opération de cintrage par mandrin commence son cycle. Le mandrin est inséré dans le diamètre intérieur du tube. La matrice de cintrage (à gauche) détermine le rayon. La matrice de serrage (à droite) guide le tube autour de la matrice de cintrage pour déterminer l'angle.
Dans tous les secteurs d'activité, le besoin en cintrage de tubes complexes reste constant. Qu'il s'agisse de composants structurels, d'équipements médicaux mobiles, de châssis pour VTT ou véhicules utilitaires, ou même de barres de sécurité métalliques dans les salles de bains, chaque projet est différent.
Pour obtenir les résultats escomptés, il faut un bon équipement et surtout une expertise adéquate. Comme toute autre discipline de fabrication, le cintrage efficace des tubes repose sur des principes fondamentaux qui sous-tendent tout projet.
Certains éléments essentiels permettent de déterminer la portée d'un projet de tuyauterie ou de cintrage de tuyaux. Des facteurs tels que le type de matériau, l'utilisation finale et la consommation annuelle estimée influent directement sur le processus de fabrication, les coûts impliqués et les délais de livraison.
Le premier paramètre critique est le degré de courbure (DOB), soit l'angle formé par le coude. Vient ensuite le rayon de courbure de l'axe (CLR), qui s'étend le long de l'axe du tuyau ou du tube à cintrer. Généralement, le CLR minimal est égal au double du diamètre du tuyau ou du tube. En doublant le CLR, on obtient le diamètre de l'axe (CLD), qui correspond à la distance entre l'axe du tuyau ou du tube et l'axe d'un coude à 180°.
Le diamètre intérieur (DI) est mesuré au point le plus large de l'ouverture à l'intérieur du tuyau ou du tube. Le diamètre extérieur (DE) est mesuré sur la surface la plus large du tuyau ou du tube, paroi comprise. Enfin, l'épaisseur nominale de la paroi est mesurée entre les surfaces extérieure et intérieure du tuyau ou du tube.
La tolérance standard du secteur pour l'angle de pliage est de ±1 degré. Chaque entreprise possède une norme interne qui peut être basée sur l'équipement utilisé et sur l'expérience et les connaissances de l'opérateur de la machine.
Les tubes sont mesurés et leur prix est indiqué en fonction de leur diamètre extérieur et de leur épaisseur (calibre). Les calibres courants sont 10, 11, 12, 13, 14, 16, 18 et 20. Plus le calibre est bas, plus l'épaisseur de paroi est importante : un tube de calibre 10 a une épaisseur de paroi de 0,134 pouce (3,4 mm) et un tube de calibre 20 a une épaisseur de paroi de 0,035 pouce (0,89 mm). L'épaisseur de paroi est indiquée comme « 1½ pouce » sur le plan de la pièce.
Les tuyaux sont spécifiés par une taille nominale (NPS), un nombre sans dimension décrivant le diamètre (en pouces), et un tableau d'épaisseur de paroi (ou Sch.). Les tuyaux sont disponibles dans une variété d'épaisseurs de paroi, selon leur utilisation. Les normes courantes comprennent Sch.5, 10, 40 et 80.
Un tuyau de 1,66″ de diamètre extérieur et de 0,140 pouce de diamètre nominal (NPS) est indiqué sur le dessin de la pièce, suivi de la nomenclature – dans ce cas, « 1¼ ».Shi.40 tubes. Le tableau du plan de tuyauterie spécifie le diamètre extérieur et l’épaisseur de paroi du NPS et du plan associés.
Le facteur d'épaisseur, qui correspond au rapport entre le diamètre extérieur et l'épaisseur de la paroi, est un autre facteur important pour les coudes. L'utilisation de matériaux à paroi mince (d'une épaisseur égale ou inférieure à 18 ga.) peut nécessiter un support accru au niveau de l'arc de cintrage afin d'éviter les plis ou l'affaissement. Dans ce cas, un cintrage de qualité requiert l'utilisation de mandrins et d'autres outils.
Un autre élément important est le rayon de courbure (D), soit le diamètre du tube par rapport au rayon de courbure, souvent bien supérieur à D. Par exemple, pour un tube de 3 pouces de diamètre extérieur avec un rayon de courbure de 6 pouces, le rayon est de 2D. Plus le rayon de courbure (D) est élevé, plus le cintrage est facile. De même, plus le coefficient d'épaisseur de paroi est faible, plus le cintrage est aisé. Cette corrélation entre le coefficient d'épaisseur de paroi et le rayon de courbure (D) permet de déterminer les éléments nécessaires au démarrage d'un projet de cintrage de tuyauterie.
Figure 1. Pour calculer le pourcentage d'ovalité, divisez la différence entre le diamètre extérieur maximal et minimal par le diamètre extérieur nominal.
Certains cahiers des charges exigent des tubes ou des tuyaux plus fins afin de réduire les coûts des matériaux. Cependant, des parois plus fines peuvent nécessiter un temps de production plus long pour maintenir la forme et la régularité du tube au niveau des coudes et éliminer tout risque de plissement. Dans certains cas, ces coûts de main-d'œuvre supplémentaires sont supérieurs aux économies réalisées sur les matériaux.
Lorsqu'un tube se courbe, il peut perdre jusqu'à 100 % de sa forme ronde à proximité et autour de la courbure. Cette déviation est appelée ovalisation et se définit comme la différence entre les dimensions maximale et minimale du diamètre extérieur du tube.
Par exemple, un tube de 2 pouces de diamètre extérieur peut mesurer jusqu'à 1,975 pouce après cintrage. Cette différence de 0,025 pouce correspond au facteur d'ovalisation, qui doit se situer dans les tolérances acceptables (voir figure 1). Selon l'utilisation finale de la pièce, la tolérance d'ovalisation peut varier entre 1,5 % et 8 %.
Les principaux facteurs affectant l'ovalisation sont le rayon de courbure du coude et l'épaisseur de la paroi. Le cintrage de petits rayons dans des matériaux à parois minces peut s'avérer difficile pour maintenir l'ovalisation dans les tolérances, mais c'est possible.
L'ovalisation est contrôlée en plaçant le mandrin à l'intérieur du tube ou du tuyau lors du cintrage, ou, dans certaines spécifications de pièces, en utilisant un tube DOM étiré sur le mandrin dès le départ. (Le tube DOM a des tolérances ID et OD très serrées.) Plus la tolérance d'ovalisation est faible, plus l'outillage et le temps de production potentiels sont importants.
Les opérations de cintrage de tubes utilisent un équipement d'inspection spécialisé pour vérifier que les pièces formées répondent aux spécifications et aux tolérances (voir figure 2). Tous les ajustements nécessaires peuvent être transférés à la machine CNC selon les besoins.
Le cintrage par rouleaux est idéal pour produire des coudes à grand rayon. Il consiste à faire passer le tuyau ou le tube à travers trois rouleaux dans une configuration triangulaire (voir figure 3). Les deux rouleaux extérieurs, généralement fixes, supportent le bas du matériau, tandis que le rouleau intérieur réglable appuie sur le haut du matériau.
Cintrage par compression. Dans cette méthode relativement simple, la matrice de cintrage reste immobile tandis que la contre-matrice cintre ou comprime le matériau autour du dispositif de fixation. Cette méthode n'utilise pas de mandrin et nécessite une correspondance précise entre la matrice de cintrage et le rayon de cintrage souhaité (voir figure 4).
Cintrage par torsion et pliage. L'une des méthodes de cintrage de tubes les plus courantes est le cintrage par étirage rotatif (également appelé cintrage sur mandrin), qui utilise des matrices de cintrage et de pression ainsi que des mandrins. Les mandrins sont des inserts ou des noyaux en tige métallique qui soutiennent le tuyau ou le tube lors du cintrage. L'utilisation d'un mandrin empêche le tube de s'affaisser, de s'aplatir ou de se froisser pendant le cintrage, maintenant et protégeant ainsi la forme du tube (voir figure 5).
Cette discipline inclut le pliage multi-rayons pour les pièces complexes nécessitant deux rayons d'axe ou plus. Le pliage multi-rayons est également idéal pour les pièces avec de grands rayons d'axe (l'outillage rigide peut ne pas être une option) ou les pièces complexes qui doivent être formées en un seul cycle complet.
Figure 2. L'équipement spécialisé fournit des diagnostics en temps réel pour aider les opérateurs à confirmer les spécifications des pièces ou à apporter les corrections nécessaires pendant la production.
Pour réaliser ce type de cintrage, une cintreuse rotative est équipée d'au moins deux jeux d'outils, un pour chaque rayon souhaité. Des configurations personnalisées sur une presse plieuse à double tête – une pour le cintrage à droite et l'autre pour le cintrage à gauche – permettent d'obtenir des rayons de courbure petits et grands sur une même pièce. La transition entre les coudes gauche et droit peut être répétée autant de fois que nécessaire, permettant ainsi de réaliser des formes complexes sans retirer le tube ni utiliser d'autres machines (voir figure 6).
Pour commencer, le technicien configure la machine en fonction de la géométrie du tube indiquée dans la fiche technique de cintrage ou le plan de production, en saisissant ou en téléchargeant les coordonnées du plan ainsi que les données de longueur, de rotation et d'angle. Vient ensuite la simulation de cintrage pour s'assurer que le tube ne gênera pas la machine et les outils pendant le cycle de cintrage. Si la simulation révèle une collision ou une interférence, l'opérateur ajuste la machine en conséquence.
Bien que cette méthode soit généralement requise pour les pièces en acier ou en acier inoxydable, la plupart des métaux industriels, épaisseurs de paroi et longueurs peuvent être pris en compte.
Cintrage libre. Méthode plus intéressante, le cintrage libre utilise une matrice de même dimension que le tube à cintrer (voir figure 7). Cette technique est idéale pour les coudes angulaires ou à rayons multiples supérieurs à 180 degrés avec peu de segments droits entre chaque cintrage (les cintres par étirage rotatif traditionnels nécessitent des segments droits pour la prise de l'outil). Le cintrage libre ne requiert aucun serrage, éliminant ainsi tout risque de marquage des tubes.
Les tubes à parois minces, souvent utilisés dans les machines agroalimentaires, les composants de meubles et les équipements médicaux ou de santé, sont idéaux pour le cintrage libre. À l'inverse, les pièces à parois plus épaisses peuvent ne pas convenir.
L'outillage est indispensable pour la plupart des opérations de cintrage de tubes. En cintrage par étirage rotatif, les trois outils principaux sont les matrices de cintrage, les matrices de pression et les matrices de serrage. Selon le rayon de courbure et l'épaisseur de paroi, un mandrin et une matrice d'essuyage peuvent également être nécessaires pour obtenir des courbes conformes. Les pièces comportant plusieurs coudes requièrent une pince qui se fixe délicatement à l'extérieur du tube, pivote selon les besoins et déplace le tube vers le coude suivant.
L'élément central du procédé est le cintrage de la matrice pour former le rayon de courbure de la pièce. La matrice concave épouse le diamètre extérieur du tube et maintient le matériau pendant le cintrage. Simultanément, la matrice de pression maintient et stabilise le tube lors de son enroulement autour de la matrice de cintrage. La matrice de serrage, en collaboration avec la matrice de pression, maintient le tube contre la partie droite de la matrice de cintrage pendant son déplacement. Vers la fin du cintrage, une racle est utilisée si nécessaire pour lisser la surface du matériau, soutenir les parois du tube et éviter les plis et les marques.
Les mandrins, en alliage de bronze ou en acier chromé, servent à soutenir les tuyaux et les tubes, à prévenir leur affaissement ou leur pliage et à minimiser leur ovalisation. Le mandrin à bille est le plus courant. Idéal pour les coudes à rayons multiples et les pièces d'épaisseur standard, il est utilisé avec le racleur, le dispositif de fixation et la matrice de pression ; ensemble, ils augmentent la pression nécessaire pour maintenir, stabiliser et lisser le cintrage. Le mandrin à bouchon est une tige pleine destinée aux coudes à grand rayon dans les tuyaux à parois épaisses ne nécessitant pas de racleur. Les mandrins de formage sont des tiges pleines à extrémités coudées (ou formées) utilisées pour soutenir l'intérieur des tubes à parois épaisses ou des tubes cintrés à un rayon moyen. Enfin, les projets nécessitant des tubes carrés ou rectangulaires requièrent des mandrins spécifiques.
Un cintrage précis nécessite un outillage et une configuration appropriés. La plupart des entreprises de cintrage de tubes disposent d'outils en stock. Si ces outils ne sont pas disponibles, il est nécessaire de se les procurer afin de respecter le rayon de courbure spécifique.
Le coût initial de fabrication d'une matrice de pliage peut varier considérablement. Ce forfait unique couvre les matériaux et le temps de production nécessaires à la création des outils requis, généralement réutilisés pour des projets ultérieurs. Si la conception de la pièce offre une certaine flexibilité en termes de rayon de pliage, les développeurs de produits peuvent adapter leurs spécifications afin d'utiliser l'outillage de pliage existant du fournisseur (plutôt que d'utiliser un nouvel outillage). Cela permet de maîtriser les coûts et de réduire les délais de livraison.
Figure 3. Idéal pour la production de coudes à grand rayon, le cintrage par rouleaux pour former un tube ou un tube avec trois rouleaux en configuration triangulaire.
La présence de trous, fentes ou autres caractéristiques spécifiques au niveau ou à proximité du cintrage ajoute une opération auxiliaire, car la découpe laser doit être effectuée après le cintrage du tube. Les tolérances influent également sur le coût. Les travaux très exigeants peuvent nécessiter des mandrins ou des matrices supplémentaires, ce qui peut augmenter le temps de préparation.
De nombreux facteurs doivent être pris en compte par les fabricants lorsqu'ils s'approvisionnent en coudes ou en courbes sur mesure. Des éléments tels que les outils, les matériaux, la quantité et la main-d'œuvre jouent tous un rôle.
Bien que les techniques et méthodes de cintrage de tubes aient évolué au fil des ans, de nombreux principes fondamentaux restent inchangés. Comprendre ces principes et consulter un fournisseur compétent vous permettra d'obtenir les meilleurs résultats.
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