Il ciclo di piegatura del mandrino ha inizio. Il mandrino viene inserito nel diametro interno del tubo. La matrice di piegatura (a sinistra) determina il raggio. La matrice di bloccaggio (a destra) guida il tubo attorno alla matrice di piegatura per determinarne l'angolo.
In tutti i settori industriali, la necessità di piegare tubi complessi rimane immutata. Che si tratti di componenti strutturali, apparecchiature mediche mobili, telai per ATV o veicoli utilitari, o persino barre di sicurezza metalliche nei bagni, ogni progetto è diverso.
Per raggiungere i risultati desiderati sono necessarie attrezzature di qualità e soprattutto le competenze adeguate. Come in qualsiasi altra disciplina manifatturiera, una piegatura efficiente dei tubi inizia con l'energia vitale del nucleo, i concetti fondamentali che sono alla base di qualsiasi progetto.
Alcuni fattori essenziali contribuiscono a determinare la portata di un progetto di piegatura o di realizzazione di tubi. Elementi come il tipo di materiale, l'utilizzo finale e il consumo annuo stimato influiscono direttamente sul processo produttivo, sui costi e sui tempi di consegna.
Il primo elemento critico è il grado di curvatura (DOB), ovvero l'angolo formato dalla curva. Successivamente, c'è il raggio dell'asse centrale (CLR), che si estende lungo l'asse centrale del tubo da piegare. In genere, il CLR minimo ottenibile è il doppio del diametro del tubo. Raddoppiando il CLR si calcola il diametro dell'asse centrale (CLD), che è la distanza dall'asse centrale del tubo attraverso un altro asse centrale di una curva a 180 gradi.
Il diametro interno (ID) viene misurato nel punto più largo dell'apertura interna del tubo. Il diametro esterno (OD) viene misurato sulla superficie più ampia del tubo, compresa la parete. Infine, lo spessore nominale della parete viene misurato tra la superficie esterna e quella interna del tubo.
La tolleranza standard del settore per l'angolo di piegatura è di ±1 grado. Ogni azienda ha uno standard interno che può essere basato sulle attrezzature utilizzate e sull'esperienza e le conoscenze dell'operatore della macchina.
I tubi vengono misurati e quotati in base al loro diametro esterno e al calibro (ovvero lo spessore della parete). I calibri più comuni includono 10, 11, 12, 13, 14, 16, 18 e 20. Più basso è il calibro, più spessa è la parete: 10-ga. Il tubo ha una parete di 0,134 pollici, e 20-ga. Il tubo ha una parete di 0,035 pollici. Tubi da 1½” e 0,035″ di diametro esterno. La parete è indicata come "1½ pollici" sul disegno del pezzo. Tubo da 20-ga.
Le tubazioni vengono specificate mediante una dimensione nominale (NPS), un numero adimensionale che descrive il diametro (in pollici), e una tabella degli spessori delle pareti (o Sch.). Le tubazioni sono disponibili in una varietà di spessori di parete, a seconda del loro utilizzo. Gli spessori più comuni includono Sch.5, 10, 40 e 80.
Un tubo da 1,66″ di diametro esterno e 0,140 pollici di NPS è indicato sul disegno del componente, seguito dalla tabella – in questo caso, “1¼”.Shi.40 tubes”. La tabella del piano del tubo specifica il diametro esterno e lo spessore della parete del NPS e del piano associati.
Il fattore parete, ovvero il rapporto tra il diametro esterno e lo spessore della parete, è un altro fattore importante per le curve. L'utilizzo di materiali a parete sottile (pari o inferiori a 18 ga.) può richiedere un maggiore supporto nell'arco di curvatura per evitare grinze o cedimenti. In questo caso, una piegatura di qualità richiederà l'uso di mandrini e altri utensili.
Un altro elemento importante è il raggio di curvatura D, ovvero il diametro del tubo in relazione al raggio di curvatura, spesso indicato come raggio di curvatura molte volte maggiore del valore di D. Ad esempio, un raggio di curvatura 2D è di 3 pollici, mentre il diametro esterno del tubo è di 6 pollici. Maggiore è il valore di D della curvatura, più facile è realizzarla. E minore è il coefficiente di parete, più facile è piegare. Questa correlazione tra il coefficiente di parete e il raggio di curvatura D aiuta a determinare cosa è necessario per iniziare un progetto di piegatura di tubi.
Figura 1. Per calcolare la percentuale di ovalità, dividere la differenza tra il diametro esterno massimo e quello minimo per il diametro esterno nominale.
Alcune specifiche di progetto richiedono tubi o condotti più sottili per contenere i costi dei materiali. Tuttavia, le pareti più sottili possono richiedere tempi di produzione più lunghi per mantenere la forma e la consistenza del tubo nelle curve ed eliminare il rischio di grinze. In alcuni casi, questi maggiori costi di manodopera superano il risparmio sui materiali.
Quando il tubo si piega, può perdere completamente la sua forma rotonda in prossimità della curvatura e nelle zone circostanti. Questa deviazione è chiamata ovalizzazione ed è definita come la differenza tra la dimensione maggiore e quella minore del diametro esterno del tubo.
Ad esempio, un tubo con diametro esterno di 2 pollici può misurare fino a 1,975 pollici dopo la piegatura. Questa differenza di 0,025 pollici rappresenta il fattore di ovalizzazione, che deve rientrare in tolleranze accettabili (vedere Figura 1). A seconda dell'utilizzo finale del componente, la tolleranza per l'ovalizzazione può essere compresa tra l'1,5% e l'8%.
I principali fattori che influenzano l'ovalizzazione sono il diametro del gomito (D) e lo spessore della parete. Piegare piccoli raggi in materiali a parete sottile può essere difficile per mantenere l'ovalizzazione entro le tolleranze, ma è possibile farlo.
L'ovalizzazione viene controllata posizionando il mandrino all'interno del tubo durante la piegatura, oppure, in alcune specifiche dei componenti, utilizzando tubi DOM (Deep Oxide-Measurement) preformati sul mandrino fin dall'inizio. (I tubi DOM hanno tolleranze di diametro interno ed esterno molto strette.) Minore è la tolleranza di ovalizzazione, maggiori saranno gli utensili necessari e i potenziali tempi di produzione.
Le operazioni di piegatura dei tubi utilizzano attrezzature di ispezione specializzate per verificare che i pezzi formati soddisfino le specifiche e le tolleranze (vedere Figura 2). Eventuali regolazioni necessarie possono essere trasferite alla macchina CNC secondo necessità.
Curvatura a rulli. Ideale per realizzare curve a raggio ampio, la curvatura a rulli prevede l'alimentazione del tubo o della tubazione attraverso tre rulli disposti in una configurazione triangolare (vedere Figura 3). I due rulli esterni, solitamente fissi, sostengono la parte inferiore del materiale, mentre il rullo interno regolabile preme sulla parte superiore.
Piegatura a compressione. In questo metodo piuttosto semplice, la matrice di piegatura rimane ferma mentre la contromatrice piega o comprime il materiale attorno al dispositivo di fissaggio. Questo metodo non utilizza un mandrino e richiede un accoppiamento preciso tra la matrice di piegatura e il raggio di curvatura desiderato (vedere Figura 4).
Torsione e piegatura. Una delle forme più comuni di piegatura dei tubi è la piegatura a stiramento rotazionale (nota anche come piegatura con mandrino), che utilizza matrici di piegatura e pressione e mandrini. I mandrini sono inserti o anime in metallo che sostengono il tubo durante la piegatura. L'uso di un mandrino impedisce al tubo di collassare, appiattirsi o incresparsi durante la piegatura, mantenendo e proteggendo così la forma del tubo (vedere Figura 5).
Questa disciplina comprende la piegatura a raggi multipli per componenti complessi che richiedono due o più raggi di curvatura dell'asse centrale. La piegatura a raggi multipli è ideale anche per componenti con ampi raggi di curvatura dell'asse centrale (per i quali la realizzazione di stampi rigidi potrebbe non essere possibile) o per componenti complessi che devono essere formati in un unico ciclo completo.
Figura 2. Le apparecchiature specializzate forniscono diagnostica in tempo reale per aiutare gli operatori a confermare le specifiche dei componenti o ad apportare le correzioni necessarie durante la produzione.
Per eseguire questo tipo di piegatura, una piegatrice rotativa a trazione è dotata di due o più set di utensili, uno per ogni raggio desiderato. Configurazioni personalizzate su una pressa piegatrice a doppia testa – una per la piegatura a destra e l'altra per la piegatura a sinistra – possono fornire raggi sia piccoli che grandi sullo stesso pezzo. Il passaggio tra i gomiti a sinistra e a destra può essere ripetuto tutte le volte necessarie, consentendo di realizzare forme complesse senza rimuovere il tubo o utilizzare altri macchinari (vedere Figura 6).
Per iniziare, il tecnico imposta la macchina in base alla geometria del tubo indicata nella scheda dati di piegatura o nel disegno di produzione, inserendo o caricando le coordinate dal disegno insieme ai dati relativi a lunghezza, rotazione e angolo. Successivamente, viene eseguita una simulazione di piegatura per assicurarsi che il tubo possa passare liberamente dalla macchina e dagli utensili durante il ciclo di piegatura. Se la simulazione mostra una collisione o un'interferenza, l'operatore regola la macchina secondo necessità.
Sebbene questo metodo sia in genere richiesto per componenti in acciaio o acciaio inossidabile, è possibile lavorare con la maggior parte dei metalli industriali, spessori delle pareti e lunghezze.
Piegatura libera. Un metodo più interessante, la piegatura libera, utilizza una matrice delle stesse dimensioni del tubo da piegare (vedere Figura 7). Questa tecnica è ideale per curve angolari o a raggio multiplo superiori a 180 gradi con pochi segmenti rettilinei tra una curva e l'altra (le tradizionali curve di stiramento rotazionale richiedono alcuni segmenti rettilinei per consentire all'utensile di afferrare il tubo). La piegatura libera non richiede il bloccaggio, eliminando così qualsiasi possibilità di segnare tubi o condotti.
I tubi a parete sottile, spesso utilizzati nei macchinari per l'industria alimentare e delle bevande, nei componenti per mobili e nelle apparecchiature mediche o sanitarie, sono ideali per la piegatura libera. Al contrario, i componenti con pareti più spesse potrebbero non essere adatti a questo scopo.
Per la maggior parte dei progetti di piegatura di tubi sono necessari degli utensili. Nella piegatura a stiramento rotativo, i tre utensili più importanti sono le matrici di piegatura, le matrici di pressione e le matrici di serraggio. A seconda del raggio di curvatura e dello spessore della parete, potrebbero essere necessari anche un mandrino e una matrice di raschiatura per ottenere piegature accettabili. I pezzi con più piegature richiedono una pinza che afferra e si chiude delicatamente all'esterno del tubo, ruota secondo necessità e sposta il tubo alla piega successiva.
Il cuore del processo consiste nel piegare la matrice per formare il raggio centrale del pezzo. La matrice concava si adatta al diametro esterno del tubo e contribuisce a mantenere il materiale in posizione durante la piegatura. Allo stesso tempo, la matrice di pressione trattiene e stabilizza il tubo mentre viene avvolto attorno alla matrice di piegatura. La matrice di serraggio lavora in sinergia con la matrice di pressatura per tenere il tubo contro il segmento rettilineo della matrice di piegatura durante il suo movimento. Verso la fine della piegatura, si utilizza una matrice raschiatrice quando è necessario levigare la superficie del materiale, sostenere le pareti del tubo e prevenire grinze e striature.
I mandrini, inserti in lega di bronzo o acciaio cromato, servono a sostenere tubi, prevenire il collasso o la piegatura e minimizzare l'ovalizzazione. Il tipo più comune è il mandrino a sfera. Ideale per curve a raggio multiplo e per pezzi con spessori di parete standard, il mandrino a sfera viene utilizzato in combinazione con il raschiatore, il dispositivo di fissaggio e la matrice di pressione; insieme aumentano la pressione necessaria per mantenere, stabilizzare e levigare la curva. Il mandrino a spina è un'asta piena per gomiti a raggio ampio in tubi a parete spessa che non richiedono raschiatori. I mandrini di formatura sono aste piene con estremità piegate (o formate) utilizzate per sostenere l'interno di tubi a parete più spessa o tubi piegati a un raggio medio. Inoltre, i progetti che richiedono tubi quadrati o rettangolari necessitano di mandrini specializzati.
Una piegatura precisa richiede utensili e impostazioni adeguati. La maggior parte delle aziende specializzate nella piegatura di tubi dispone di utensili in magazzino. In caso contrario, è necessario reperire utensili adatti al raggio di curvatura specifico.
Il costo iniziale per la creazione di uno stampo per piegatura può variare notevolmente. Questa tariffa una tantum copre i materiali e i tempi di produzione necessari per realizzare gli utensili richiesti, che vengono in genere riutilizzati per progetti successivi. Se il design del pezzo è flessibile in termini di raggio di curvatura, gli sviluppatori di prodotto possono adattare le specifiche per sfruttare gli utensili di piegatura già in possesso del fornitore (anziché utilizzarne di nuovi). Ciò contribuisce a gestire i costi e a ridurre i tempi di consegna.
Figura 3. Ideale per la produzione di curve a raggio ampio, piegatura a rulli per formare un tubo o un tubo con tre rulli in configurazione triangolare.
Fori, fessure o altre caratteristiche specificate in corrispondenza o in prossimità della curvatura aggiungono un'operazione ausiliaria al lavoro, poiché il taglio laser deve essere eseguito dopo la curvatura del tubo. Anche le tolleranze influiscono sul costo. I lavori particolarmente complessi possono richiedere mandrini o matrici aggiuntivi, il che può aumentare i tempi di impostazione.
I produttori devono considerare numerose variabili quando si approvvigionano di gomiti o curve su misura. Fattori come utensili, materiali, quantità e manodopera giocano tutti un ruolo importante.
Sebbene le tecniche e i metodi di piegatura dei tubi si siano evoluti nel corso degli anni, molti principi fondamentali rimangono invariati. Comprendere i principi di base e consultare un fornitore esperto vi aiuterà a ottenere i migliori risultati.
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