Libere el potencial de la formación automatizada de extremos de tubos

Jan 07, 2024

Una máquina formadora de extremos de estaciones múltiples completa su ciclo, formando un cordón cerrado en el extremo de un tubo de cobre.

Imagine un flujo de valor en el que se cortan y doblan tuberías o tubos. En otra área de la planta, los anillos y otras piezas mecanizadas se procesan y luego se envían a ensamblaje para soldar o ajustar de otro modo en los extremos de los tubos. Ahora imagine el mismo flujo de valor, esta vez con formación final. En este caso, la formación de extremos no solo expande o reduce los diámetros de los extremos de los tubos, sino que también crea varias otras formas, desde ranuras intrincadas hasta rebordes que reproducen los anillos que se soldaron previamente en su lugar.

Dentro del campo de la fabricación de tubos y tuberías, la formación de extremos ha evolucionado silenciosamente, con la tecnología de fabricación introduciendo dos niveles de automatización en el proceso. En primer lugar, las operaciones pueden combinar múltiples pasos de formación de extremos de precisión dentro de un entorno de trabajo; en efecto, una configuración hecha en uno. En segundo lugar, la formación de extremos tan compleja se ha integrado con otros procesos de fabricación de tubos y tuberías, como el corte y el doblado.

La mayoría de las aplicaciones que involucran la formación de extremos automatizada han sido en la fabricación de tubos de alta precisión, generalmente de cobre, aluminio o acero inoxidable, en industrias como la automotriz y HVAC. Aquí, la formación de extremos elimina las conexiones maquinadas diseñadas para asegurar una conexión sin fugas para el flujo de aire o fluido. Dichos tubos suelen tener diámetros exteriores de 1,5 pulgadas o menos.

Algunas de las celdas automatizadas más avanzadas comienzan con un tubo de pequeño diámetro entregado en una bobina. Primero viaja a través de una máquina enderezadora, después de lo cual se corta a la medida. Después de eso, un robot o dispositivo mecánico transporta el trabajo para terminar de formar y doblar. La secuencia que se produce depende de los requisitos de la aplicación, incluida la distancia entre el doblez y el propio encofrado final. A veces, el robot puede transportar una sola pieza de trabajo desde la formación de los extremos hasta el doblado y de vuelta a la formación de los extremos, en caso de que la aplicación requiera un tubo con formas de extremos en ambos extremos.

Hacer que estas celdas sean aún más productivas es la cantidad de pasos de fabricación que pueden incorporar ciertos sistemas de formación de extremos de tubos de alta gama. Algunos sistemas transportan tubos a través de hasta ocho estaciones de formación de extremos. El desarrollo de una configuración de este tipo comienza con saber lo que se puede lograr con la formación de extremos moderna.

Las herramientas de formación de extremos de precisión vienen en varias variedades. Los punzones de ariete, las "herramientas duras" de la formación de extremos de tubos, reducen o expanden el extremo de un tubo al diámetro deseado. Las herramientas rotativas pueden biselar o refrentar un tubo para garantizar una superficie sin rebabas y un proceso uniforme. Otras herramientas rotativas realizan un proceso de laminación para crear ranuras, púas y otras geometrías (consulte la Figura 1).

Una secuencia de formación de extremos podría comenzar con el biselado, lo que proporciona una superficie limpia y asegura una longitud constante entre la abrazadera y el extremo del tubo. A continuación, un punzón de ariete realiza un proceso de rebordeado (ver Figura 2), expandiendo y comprimiendo el tubo, obligando al exceso de material a formar un anillo alrededor del diámetro exterior (DE). Dependiendo de la geometría, otros punzones de ariete pueden insertar púas en el diámetro exterior del tubo (lo que puede ayudar a asegurar las mangueras al tubo). Una herramienta rotativa puede ranurar una parte del diámetro exterior, seguida de una herramienta que corta hilos en la superficie.

La secuencia exacta de herramientas y procesos utilizados depende de la aplicación. Y con hasta ocho estaciones en el área de trabajo de una máquina formadora de extremos, la secuencia puede ser bastante extensa. Por ejemplo, una serie de punzones forman progresivamente un cordón en el extremo del tubo, con un ariete que expande el extremo del tubo seguido de dos más que comprimen el extremo para crear el cordón. Realizar la operación en tres pasos puede, en muchos casos, crear un cordón de mejor calidad, y los sistemas de formación de extremos de estaciones múltiples hacen posibles tales operaciones progresivas.

Un programa de formación de extremos secuencia la operación para una precisión y repetibilidad óptimas. Las últimas máquinas formadoras de extremos totalmente eléctricas pueden controlar con precisión la posición de sus herramientas. Pero aparte del biselado y el roscado, la mayoría de los pasos de procesamiento de formación de extremos son solo eso: formación. Cómo las formas del metal pueden variar según el tipo y la calidad del material.

Considere nuevamente el proceso de rebordeado (vea la Figura 3). Al igual que un dobladillo cerrado en una lámina de metal, un cordón cerrado en la formación de extremos no tiene espacios. Esto permite que el punzón forme ese cordón en una ubicación precisa. El punzón está, en efecto, "estampando" la cuenta en su forma específica. Pero, ¿qué pasa con las cuentas abiertas, análogas a los dobladillos abiertos en las láminas de metal? Un espacio en el medio del cordón podría, en algunas aplicaciones, crear algunos problemas de repetibilidad, al menos si se formara de la misma manera que el cordón cerrado. Un punzón de ariete podría formar el cordón abierto, pero debido a que nada sostiene el cordón desde el diámetro interior (ID) del tubo, la geometría de un cordón puede ser ligeramente diferente de la siguiente, una diferencia de tolerancia que puede ser aceptable o no.

FIGURA 1. Una herramienta rotatoria forma ranuras alrededor del diámetro exterior de un tubo, creando púas para una conexión segura de la manguera.

En la mayoría de los casos, la máquina formadora de extremos multiestación puede adoptar un enfoque diferente. Primero, un punzón de ariete expande el diámetro interno del tubo, creando una preforma similar a una onda en el material. A continuación, una herramienta de forma de extremo de tres rodillos, diseñada con la forma negativa del cordón requerido, se sujeta alrededor del diámetro exterior del tubo y enrolla el cordón.

Las máquinas formadoras de extremos de precisión pueden crear una variedad de formas, incluidas las asimétricas. Dicho esto, la formación de extremos tiene sus limitaciones, y la mayoría de ellas tienen que ver con la forma en que se forma el material. Los materiales pueden soportar solo un cierto porcentaje de deformación.

Los tratamientos térmicos de la superficie del punzón varían según el tipo de material para el que están diseñados. Su diseño y tratamientos superficiales tienen en cuenta los diferentes niveles de fricción y otras variables de formación de extremos que cambian con el material. Un punzón de ariete diseñado para formar un extremo de un tubo de acero inoxidable tendrá características diferentes de un punzón diseñado para formar un extremo de un tubo de aluminio.

Diferentes materiales también requieren diferentes tipos de lubricación. Los materiales más duros como el acero inoxidable pueden usar un aceite mineral más espeso, mientras que el aluminio o el cobre pueden usar un aceite no tóxico. Los métodos de aplicación de lubricante también varían. Los procesos rotativos de corte y laminado a menudo usan una neblina, mientras que la formación de arietes puede utilizar un lubricante de inundación o neblina. Algunos punzones tienen aceite saliendo directamente del punzón hacia el interior del tubo.

Las máquinas formadoras de extremos multiestación tienen diferentes niveles de fuerza de sujeción y ariete. Si todas las demás variables son iguales, el acero inoxidable de mayor resistencia requerirá más sujeción y potencia de ariete que un aluminio blando.

Vea un primer plano de la formación del extremo del tubo en acción y podrá ver cómo la máquina hace avanzar el tubo antes de que la abrazadera lo asegure en su lugar. Mantener una resaca constante, es decir, la longitud del metal más allá de la abrazadera, es fundamental. Para el tubo recto, que se puede mover hasta un tope definido, mantener esa suspensión es sencillo.

La situación cambia cuando se termina de formar un tubo previamente doblado (ver Figura 4). El proceso de doblado puede alargar el tubo muy ligeramente, lo que agrega otra variable dimensional. En estas configuraciones, las herramientas de corte orbital y revestimiento pueden cortar y terminar el extremo del tubo para garantizar que esté exactamente donde debe estar, según el programa.

Esto plantea la pregunta, ¿por qué terminar de formar un tubo después de doblarlo? Tiene que ver con las herramientas y la sujeción de piezas. En muchos casos, la forma final se coloca muy cerca del propio plegado, sin dejar ninguna sección recta para que la máquina herramienta de plegado se sujete durante el ciclo de plegado. En estos casos, es mucho más fácil doblar el tubo y transferirlo a la formación de extremos, donde se asegura en una abrazadera que coincide con el radio de curvatura. A partir de ahí, la máquina formadora de extremos corta el exceso de material y luego crea las geometrías formadas en los extremos requeridas (que, de nuevo, terminan muy cerca de la curvatura).

En otros casos, la formación de los extremos antes del doblado puede causar complicaciones en el proceso de estirado rotatorio, especialmente cuando la forma del extremo interfiere con las herramientas de doblado. Por ejemplo, sujetar un tubo para doblarlo puede terminar distorsionando la forma del extremo previamente hecha. Crear una configuración de doblado que no dañe la geometría de la forma final termina siendo más problemático de lo que vale. En estos casos, es más fácil y rentable terminar de formar el tubo después de doblarlo.

Las celdas que incorporan la formación de extremos pueden involucrar una gran cantidad de otros procesos de fabricación de tubos (consulte la Figura 5). Algunos sistemas tienen doblado y formación de extremos, una combinación común teniendo en cuenta cuán vinculados están los dos procesos. Algunas aplicaciones comienzan con la formación de extremos de un tubo recto, que luego se dirige a la flexión rotativa para formar un radio, luego regresa a la máquina formadora de extremos para trabajar en el extremo opuesto del tubo.

FIGURA 2. Una máquina formadora de extremos de varias estaciones produjo estos cordones formados por los extremos, con un punzón de ariete que expandía el diámetro interior y otro que comprimía el material para formar el cordón.

En este caso, la secuencia gobierna las variables del proceso. Por ejemplo, dado que la segunda operación de formación de extremos ocurre después del doblado, una operación de corte orbital y refrentado en la máquina de formación de extremos garantiza una longitud persistente constante y una forma de extremo de mejor calidad. Cuanto más consistente sea el material, mejor y más repetible será el proceso de formación final.

Independientemente de la combinación de procesos que tenga una celda automatizada, ya sea solo doblado y formación de extremos o una celda que comienza con el tubo en una bobina, la forma en que un tubo avanza a través de las etapas depende de los requisitos de la aplicación. En algunos sistemas, el tubo se alimenta directamente desde una bobina, a través de un sistema de nivelación hacia las abrazaderas de una dobladora rotativa. Esas abrazaderas aseguran el tubo a medida que el sistema de formación de extremos se mueve a su posición. Una vez que el sistema de formación de extremos completa su ciclo, comienza la dobladora rotativa. Después de doblar, una herramienta corta la pieza de trabajo completa. El sistema se puede diseñar para trabajar con diferentes diámetros, con punzones de ariete dedicados en la formadora de extremos y herramientas apiladas en la dobladora rotativa izquierda y derecha.

Sin embargo, si la aplicación de doblado requiere un mandril de bola en el diámetro interno del tubo, la configuración no funcionaría ya que el tubo que se alimenta al proceso de doblado proviene directamente de la bobina. El arreglo tampoco funcionaría para tubos que requieren formas en ambos extremos.

En estos casos, una celda que involucre alguna combinación de transferencia mecánica y robótica podría ser suficiente. Por ejemplo, un tubo podría desenrollarse, nivelarse, cortarse y luego organizarse para que un robot coloque la pieza cortada en una dobladora giratoria, donde se podría insertar un mandril de bola para evitar la distorsión de la pared del tubo durante el doblado. A partir de ahí, el robot podría transferir el tubo doblado al formador de extremos. El orden de las operaciones puede variar, por supuesto, dependiendo de los requisitos del trabajo.

Dichos sistemas se pueden configurar para una producción de gran cantidad o lotes pequeños, procesando, digamos, cinco de una forma, 10 de otra y 200 partes de otra. Los diseños de las máquinas también pueden variar según la secuencia de operaciones, especialmente cuando se trata de la ubicación de las abrazaderas y el espacio libre necesario para varias piezas de trabajo (consulte la Figura 6). Por ejemplo, las abrazaderas de ubicación en la formación de extremos que aceptan tubos doblados deben tener suficiente espacio libre para ubicar los tubos doblados de manera uniforme.

La secuenciación correcta puede permitir la operación concurrente. Por ejemplo, un robot puede colocar un tubo en una máquina formadora de extremos; luego, a medida que el formador de extremos realiza un ciclo, el robot puede transportar otro tubo a la dobladora rotativa.

Para un sistema recién instalado, los programadores configurarán plantillas para la combinación de trabajos. Para la formación de extremos, esto podría involucrar detalles como la velocidad de avance de la carrera del punzón, el centro entre el punzón y la abrazadera, o el número de revoluciones para una operación de laminado. Sin embargo, una vez que se configuran estas plantillas, la programación es rápida y sencilla, y los programadores ajustan la secuencia y establecen originalmente los parámetros para adaptarse a la aplicación en cuestión.

Dichos sistemas también están configurados para conectarse en un entorno de Industria 4.0, con herramientas de mantenimiento predictivo que miden las temperaturas del motor y otros detalles, así como el monitoreo de la máquina (como cuántas piezas se producen en un período determinado).

En el horizonte, la formación de extremos solo se volverá más flexible. Nuevamente, el proceso tiene limitaciones cuando se trata del porcentaje de deformación. Aún así, no hay nada que impida que un ingeniero creativo diseñe una configuración de formación de extremos única. En algunas operaciones, el punzón del ariete se inserta en el diámetro interior del tubo y expande el tubo contra la cavidad dentro de la abrazadera misma. Ciertas herramientas pueden crear formas finales que se extienden 45 grados, dando como resultado una forma asimétrica.

La base de todo esto proviene de las capacidades de la máquina formadora de extremos multiestación. Cuando la operación se puede "hacer en uno", surgen todo tipo de oportunidades de formación de extremos.