A operação de curvatura com mandril inicia seu ciclo. O mandril é inserido no diâmetro interno do tubo. A matriz de curvatura (à esquerda) determina o raio. A matriz de fixação (à direita) guia o tubo ao redor da matriz de curvatura para determinar o ângulo.
Em todos os setores, a necessidade de curvatura complexa de tubos permanece inabalável. Sejam componentes estruturais, equipamentos médicos móveis, chassis para quadriciclos ou veículos utilitários, ou até mesmo barras de segurança metálicas em banheiros, cada projeto é diferente.
Para alcançar os resultados desejados, são necessários bons equipamentos e, principalmente, a experiência adequada. Como em qualquer outra disciplina de fabricação, a curvatura eficiente de tubos começa com a essência vital, os conceitos fundamentais que sustentam qualquer projeto.
Alguns aspectos essenciais ajudam a determinar o escopo de um projeto de tubulação ou curvatura de tubos. Fatores como tipo de material, uso final e consumo anual estimado afetam diretamente o processo de fabricação, os custos envolvidos e os prazos de entrega.
O primeiro fator crítico é o grau de curvatura (DOB), ou o ângulo formado pela curva. Em seguida, vem o Raio da Linha Central (CLR), que se estende ao longo da linha central do tubo a ser curvado. Normalmente, o menor CLR possível é o dobro do diâmetro do tubo. Dobrando o CLR, calcula-se o Diâmetro da Linha Central (CLD), que é a distância do eixo da linha central do tubo até a outra linha central de uma curva de retorno de 180 graus.
O diâmetro interno (DI) é medido no ponto mais largo da abertura dentro do tubo. O diâmetro externo (DE) é medido na área mais larga do tubo, incluindo a parede. Por fim, a espessura nominal da parede é medida entre as superfícies externa e interna do tubo.
A tolerância padrão da indústria para o ângulo de dobra é de ±1 grau. Cada empresa possui um padrão interno que pode ser baseado no equipamento utilizado e na experiência e conhecimento do operador da máquina.
Os tubos são medidos e cotados de acordo com seu diâmetro externo e bitola (ou seja, espessura da parede). As bitolas comuns incluem 10, 11, 12, 13, 14, 16, 18 e 20. Quanto menor o número da bitola, mais espessa a parede: tubo de bitola 10 tem uma parede de 0,134 polegadas; tubo de bitola 20 tem uma parede de 0,035 polegadas. Tubos de 1½” e 0,035” de diâmetro externo. A espessura da parede é indicada como “1½ polegada” no desenho da peça. Tubo de bitola 20.
Os tubos são especificados por um tamanho nominal (NPS), um número adimensional que descreve o diâmetro (em polegadas), e uma tabela de espessura de parede (ou Sch.). Os tubos vêm em diversas espessuras de parede, dependendo de sua aplicação. As espessuras mais comuns incluem Sch. 5, 10, 40 e 80.
Um tubo de 1,66″ de diâmetro externo e 0,140 polegadas de espessura de parede (NPS) marcam a parede no desenho da peça, seguido pela especificação – neste caso, “1¼”.Shi.40 tubos”. O diagrama do plano de tubulação especifica o diâmetro externo e a espessura da parede do NPS e do plano associados.
O fator de parede, que é a relação entre o diâmetro externo e a espessura da parede, é outro fator importante para curvas. O uso de materiais de paredes finas (igual ou inferior a 18 ga.) pode exigir mais suporte no arco da curva para evitar enrugamento ou deformação. Nesse caso, uma curvatura de qualidade exigirá mandris e outras ferramentas.
Outro elemento importante é o raio de curvatura D, que representa o diâmetro do tubo em relação ao raio de curvatura, muitas vezes referido como raio de curvatura muitas vezes maior que o valor de D. Por exemplo, um raio de curvatura 2D de 3 polegadas corresponde a um tubo com diâmetro externo de 6 polegadas. Quanto maior o valor de D da curva, mais fácil é realizar a curvatura. E quanto menor o coeficiente de parede, mais fácil é curvá-la. Essa correlação entre o coeficiente de parede e o raio de curvatura D ajuda a determinar o que é necessário para iniciar um projeto de curvatura de tubos.
Figura 1. Para calcular a ovalidade percentual, divida a diferença entre o diâmetro externo máximo e mínimo pelo diâmetro externo nominal.
Algumas especificações de projeto exigem tubos mais finos para reduzir custos de material. No entanto, paredes mais finas podem exigir mais tempo de produção para manter a forma e a consistência do tubo nas curvas e eliminar a possibilidade de enrugamento. Em alguns casos, esses custos adicionais de mão de obra superam a economia de material.
Quando o tubo se dobra, ele pode perder 100% de sua forma circular perto e ao redor da curva. Essa alteração é chamada de ovalização e é definida como a diferença entre as dimensões maior e menor do diâmetro externo do tubo.
Por exemplo, um tubo com diâmetro externo de 2 polegadas pode medir até 1,975 polegadas após ser dobrado. Essa diferença de 0,025 polegadas é o fator de ovalização, que deve estar dentro das tolerâncias aceitáveis ​​(veja a Figura 1). Dependendo do uso final da peça, a tolerância para ovalização pode variar entre 1,5% e 8%.
Os principais fatores que afetam a ovalização são o raio de curvatura D e a espessura da parede. A curvatura de raios pequenos em materiais de paredes finas pode ser difícil de manter dentro da tolerância, mas é possível.
A ovalização é controlada posicionando o mandril dentro do tubo durante a curvatura ou, em algumas especificações de peças, utilizando tubos DOM (tubos de aço galvanizado) moldados diretamente no mandril desde o início. (Os tubos DOM possuem tolerâncias muito rigorosas de diâmetro interno e externo.) Quanto menor a tolerância de ovalização, mais ferramentas e tempo de produção serão necessários.
As operações de curvatura de tubos utilizam equipamentos de inspeção especializados para verificar se as peças conformadas atendem às especificações e tolerâncias (ver Figura 2). Quaisquer ajustes necessários podem ser transferidos para a máquina CNC conforme necessário.
A curvatura por rolos é ideal para produzir curvas de grande raio, pois envolve a alimentação do tubo através de três rolos em uma configuração triangular (veja a Figura 3). Os dois rolos externos, geralmente fixos, suportam a parte inferior do material, enquanto o rolo interno ajustável pressiona a parte superior do material.
Dobramento por compressão. Neste método relativamente simples, a matriz de dobramento permanece estacionária enquanto a contramatriz dobra ou comprime o material ao redor do dispositivo de fixação. Este método não utiliza um mandril e requer uma correspondência precisa entre a matriz de dobramento e o raio de curvatura desejado (ver Figura 4).
Torcer e dobrar. Uma das formas mais comuns de curvatura de tubos é a curvatura por estiramento rotacional (também conhecida como curvatura com mandril), que utiliza matrizes de curvatura e pressão e mandris. Os mandris são hastes ou núcleos metálicos que suportam o tubo durante a curvatura. O uso de um mandril impede que o tubo colapse, achate ou enrugue durante a curvatura, mantendo e protegendo assim a sua forma (ver Figura 5).
Essa técnica inclui a curvatura com múltiplos raios para peças complexas que exigem dois ou mais raios de curvatura. A curvatura com múltiplos raios também é excelente para peças com grandes raios de curvatura (em que ferramentas rígidas podem não ser viáveis) ou peças complexas que precisam ser conformadas em um único ciclo completo.
Figura 2. Equipamentos especializados fornecem diagnósticos em tempo real para ajudar os operadores a confirmar as especificações das peças ou a realizar quaisquer correções necessárias durante a produção.
Para realizar esse tipo de dobra, uma dobradeira rotativa é equipada com dois ou mais conjuntos de ferramentas, um para cada raio desejado. Configurações personalizadas em uma prensa dobradeira de cabeçote duplo – uma para dobrar para a direita e outra para dobrar para a esquerda – podem fornecer raios pequenos e grandes na mesma peça. A transição entre os cotovelos esquerdo e direito pode ser repetida quantas vezes forem necessárias, permitindo que formas complexas sejam totalmente formadas sem remover o tubo ou envolver qualquer outra máquina (veja a Figura 6).
Para começar, o técnico configura a máquina de acordo com a geometria do tubo especificada na ficha técnica de curvatura ou no desenho de produção, inserindo ou carregando as coordenadas do desenho, juntamente com os dados de comprimento, rotação e ângulo. Em seguida, realiza-se a simulação de curvatura para garantir que o tubo consiga passar pela máquina e pelas ferramentas durante o ciclo de curvatura. Se a simulação indicar colisão ou interferência, o operador ajusta a máquina conforme necessário.
Embora esse método seja normalmente necessário para peças feitas de aço ou aço inoxidável, a maioria dos metais industriais, espessuras de parede e comprimentos podem ser acomodados.
Dobra livre. Um método mais interessante, a dobra livre utiliza uma matriz do mesmo tamanho do tubo a ser dobrado (veja a Figura 7). Essa técnica é ótima para dobras angulares ou com múltiplos raios maiores que 180 graus, com poucos segmentos retos entre cada dobra (as dobras tradicionais por estiramento rotacional exigem alguns segmentos retos para que a ferramenta possa agarrar). A dobra livre não requer fixação, eliminando assim qualquer possibilidade de marcar tubos.
Tubos de paredes finas — frequentemente usados ​​em máquinas para a indústria de alimentos e bebidas, componentes de móveis e equipamentos médicos ou de saúde — são ideais para curvatura livre. Por outro lado, peças com paredes mais espessas podem não ser candidatas viáveis.
A maioria dos projetos de curvatura de tubos requer ferramentas. Na curvatura rotativa por estiramento, as três ferramentas mais importantes são as matrizes de curvatura, as matrizes de pressão e as matrizes de fixação. Dependendo do raio de curvatura e da espessura da parede, um mandril e uma matriz raspadora também podem ser necessários para obter curvaturas adequadas. Peças com múltiplas curvaturas exigem uma pinça que prenda e feche suavemente na parte externa do tubo, gire conforme necessário e mova o tubo para a próxima curvatura.
O ponto central do processo é a curvatura da matriz para formar o raio da linha central da peça. A matriz de canal côncavo se encaixa no diâmetro externo do tubo e ajuda a segurar o material durante a curvatura. Ao mesmo tempo, a matriz de pressão segura e estabiliza o tubo enquanto ele é enrolado ao redor da matriz de curvatura. A matriz de fixação trabalha em conjunto com a matriz de pressão para manter o tubo contra o segmento reto da matriz de curvatura durante o movimento. Próximo ao final da matriz de curvatura, utiliza-se uma matriz raspadora quando necessário para alisar a superfície do material, dar suporte às paredes do tubo e evitar rugas e deformações.
Mandris, insertos de liga de bronze ou aço cromado, são usados ​​para suportar tubos, evitar o colapso ou dobras e minimizar a ovalização. O tipo mais comum é o mandril esférico. Ideal para curvas com múltiplos raios e para peças com espessuras de parede padrão, o mandril esférico é usado em conjunto com o raspador, o dispositivo de fixação e a matriz de pressão; juntos, eles aumentam a pressão necessária para segurar, estabilizar e suavizar a curva. O mandril de plugue é uma haste sólida para curvas de grande raio em tubos de paredes espessas que não requerem raspadores. Mandris de conformação são hastes sólidas com extremidades dobradas (ou conformadas) usadas para suportar o interior de tubos de paredes mais espessas ou tubos curvados com um raio médio. Além disso, projetos que exigem tubos quadrados ou retangulares requerem mandris especializados.
A curvatura precisa exige ferramentas e configuração adequadas. A maioria das empresas de curvatura de tubos possui ferramentas em estoque. Caso não estejam disponíveis, as ferramentas devem ser adquiridas para atender ao raio de curvatura específico.
O custo inicial para a criação de uma matriz de dobra pode variar bastante. Essa taxa única cobre os materiais e o tempo de produção necessários para criar as ferramentas requeridas, que normalmente são utilizadas em projetos subsequentes. Se o projeto da peça for flexível em termos de raio de curvatura, os desenvolvedores de produto podem ajustar suas especificações para aproveitar as ferramentas de dobra existentes do fornecedor (em vez de usar novas ferramentas). Isso ajuda a controlar os custos e reduzir os prazos de entrega.
Figura 3. Ideal para a produção de curvas de grande raio, curvatura por rolos para formar um tubo ou cano com três rolos em configuração triangular.
Furos, ranhuras ou outros detalhes específicos na curva ou próximos a ela adicionam uma operação auxiliar ao trabalho, já que o corte a laser precisa ser feito após a curvatura do tubo. As tolerâncias também afetam o custo. Trabalhos muito exigentes podem requerer mandris ou matrizes adicionais, o que pode aumentar o tempo de preparação.
Existem muitas variáveis ​​que os fabricantes precisam considerar ao encomendar curvas ou cotovelos personalizados. Fatores como ferramentas, materiais, quantidade e mão de obra desempenham um papel importante.
Embora as técnicas e os métodos de curvatura de tubos tenham evoluído ao longo dos anos, muitos princípios fundamentais permanecem os mesmos. Compreender esses princípios e consultar um fornecedor experiente ajudará você a obter os melhores resultados.
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