Cómo los fabricantes de metales pueden gestionar la distorsión en el doblado de perfiles

Jun 02, 2024

Los estudiantes del Instituto de Tecnología de Illinois disfrutan de la tranquilidad. Un tubo elíptico, formado por numerosos elementos curvos, amortigua el sonido del paso de los trenes. Imagen: AISC

Cada vez que Ken Pecho pasea por el campus de su alma mater, el Instituto de Tecnología de Illinois (IIT), cerca del centro, mira hacia arriba. Cuando un tren de la CTA circula por la vía, él disfruta de la tranquilidad. Claro, el tren no es silencioso, pero es mucho más silencioso de lo que sería gracias a un tubo elíptico que actúa como una especie de silenciador, formado en el empleador de Pecho, Chicago Metal Rolled Products (CMRP), una dobladora-rodillo que ha sido formando placas, ángulos, tubos, perfiles y vigas estructurales por más de 100 años. Alrededor de las vías del CTA, esa estructura elíptica, que consta de numerosos miembros curvos, amortigua el ruido de los trenes que pasan, para alivio de los estudiantes del IIT que estudian en un edificio a solo unos metros de distancia.

Pecho recordó esta historia durante una presentación en la NASCC Steel Conference 2019, celebrada en St Louis y organizada por el Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC). Durante una presentación en la conferencia, mostró lo que entonces era una nueva publicación del AISC, “Guía de diseño 33: Diseño de miembros curvos”.

"Esto realmente debería considerarse la biblia del miembro curvo", dijo. "Si fabrica metales curvos en su agenda diaria, esto es algo que debería tener en su biblioteca".

La guía de diseño profundiza en el tema de presentación de Pecho, uno que se ha vuelto cada vez más importante para las operaciones de dobladoras de rodillos que en los últimos años han visto un aumento significativo en la demanda de perfiles curvos, incluidos tubos redondos, elípticos, cuadrados y rectangulares; perfiles abiertos; y vigas estructurales. La charla de Pecho cubrió distorsión.

"La principal preocupación que vemos con los metales curvos es la distorsión", dijo. “Pero no podemos eliminar la distorsión por completo. Simplemente no es posible. Entonces, ahora la pregunta es: ¿cómo diseñamos para la flexión? ¿Qué podemos hacer para ayudar al resultado exitoso de un miembro curvo?

Los proyectos más exitosos, incluido el tubo elíptico curvo que rodea las vías del tren CTA, se diseñaron teniendo en cuenta la distorsión. Pecho recordó un trabajo en el que un tubo rectangular curvo se unía a un tubo rectangular recto, una situación en la que los problemas de distorsión serían evidentes, especialmente considerando el radio estrecho del tubo curvo.

La forma del tubo rectangular cambiaría sólo ligeramente, por lo que por sí sola la forma distorsionada de la pieza de trabajo no sería perceptible. Pero este no era el caso del soldador que uniría las piezas de trabajo curvas y rectas. La solución implicó un compromiso: el taller dobló el perfil, pero luego dejó varios pies de una sección recta sin doblar cerca del extremo del tubo. Luego, el fabricante cortó ese tubo unas pocas pulgadas por delante de la curva, el espacio suficiente para que se disipen los efectos de distorsión en la sección curva, devolviendo el diámetro del tubo a su dimensión nominal.

Afortunadamente, en esta situación, la conexión, escondida detrás de una pared, no era cosméticamente crítica. Si así fuera, los diseñadores podrían haber tenido que reconsiderar el tipo o diseño de la conexión. Una vez más, por sí sola, la distorsión de la pieza curva no era perceptible. Pero unido a un miembro recto, los efectos de distorsión eran evidentes. Es posible que estos defectos estéticos no importen. De todos modos, reconocer y planificar esa distorsión en la parte frontal, antes de que se doble cualquier metal, puede tener mucho sentido.

La nueva guía AISC especifica cómo los diferentes niveles de distorsión afectan la fuerza de un miembro. Para calcular ciertos atributos de resistencia de una viga en I curva, por ejemplo, divida el delta de falta de planitud (diferencia respecto del nominal) que crea la distorsión por el espesor del material. Los resultados hasta cierto punto no muestran ningún cambio significativo en la fuerza del miembro; pero a medida que la distorsión crece más allá de ese punto, el miembro se debilita. La distorsión localizada puede ser especialmente problemática. Todos estos cálculos dependen de los requisitos de resistencia de la aplicación, por supuesto, y la guía de diseño AISC detalla todos los detalles.

La mayoría de los problemas de distorsión no surgen de la integridad o resistencia estructural. Como explicó Pecho, a las operaciones de rodillos dobladores de calidad nunca se les ocurriría enviar una sección curva tan debilitada por la distorsión como para crear un peligro para la seguridad. Pero surgen problemas cuando se trata de la estética, que es de particular importancia en el acero estructural expuesto arquitectónicamente (AESS) y trabajos similares, así como los requisitos de conexión.

FIGURA 2 Esta conexión muestra el efecto de la contracción en los miembros de acero. El tubo rectangular de la izquierda estaba curvado con un radio estrecho y, por lo tanto, sufrió una ligera contracción de la sección transversal del tubo en el plano de curvatura. La contracción no se nota a simple vista, hasta que se acopla a una sección recta.

Un tubo curvo que se acopla a un tubo recto no tendrá el mismo perfil de borde (consulte la Figura 2). Esto puede ser un gran problema o no, según el método de conexión y los requisitos estéticos. Pero si el diseñador quiere una soldadura circunferencial con penetración completa en la junta, el ajuste de los miembros realmente importa. A veces, los fabricantes utilizan gatos hidráulicos en el diámetro interior para abrirlo ligeramente y poder acoplarse con un tubo recto. Es factible, pero lleva mucho tiempo, es costoso y quizás totalmente innecesario si el trabajo se diseñara teniendo en cuenta la distorsión.

La estructura reticular de una pieza de metal tiene lo que se conoce como planos de deslizamiento que interactúan durante la formación. "Cuando se encuentra bajo rendimiento constante", explicó Pecho, "el metal tiende a adquirir características casi fluidas".

Cuando un tubo, viga o sección abierta se dobla, la compresión se acumula en el radio interior y la tensión en el exterior. Si no se controlan, especialmente en piezas de trabajo de paredes delgadas, estas fuerzas crean distorsiones localizadas como arrugas o pandeo en el radio interior, adelgazamiento y contracción de la pared en el radio exterior, y distorsión y ovalidad de la forma general del perfil.

Un tubo cuadrado puede transformarse en un trapezoide, con un crecimiento excesivo en la dimensión del radio interior acompañado de una contracción en el radio exterior y en el perfil de la sección transversal en el plano de flexión. Los tubos rectangulares, que se dejan sin soporte durante la flexión, pueden volverse cóncavos, especialmente en la pared del radio interior. El alma y las alas de las vigas estructurales pueden ondularse.

El doblador de perfiles experimentado reconoce la naturaleza casi fluida del material al doblarlo. En cierto sentido, la compresión y la tensión obligan al metal, cuando está bajo fluencia constante, a "fluir" de ciertas maneras y hacia ciertas áreas sin restricciones. Considere la curvatura de un tubo rectangular. Si las fuerzas de tensión que empujan contra la pared exterior generan un estiramiento excesivo, esa pared puede encogerse, lo que a su vez afecta la forma en que el metal "fluye" o se mueve hacia otros lugares. El crecimiento y contracción del metal toma el camino de menor resistencia. Y en una situación sin soporte, debido a las fuerzas contrarias de compresión y tensión, este camino podría ser hacia el eje neutro del miembro y, a menudo, desplazado hacia el interior de la curvatura; por tanto, la pared exterior también puede volverse cóncava. Estas fuerzas de tensión, combinadas con la compresión en el radio interior, hacen que aumente la dimensión de la pared interior. Al no tener un lugar adonde ir, el metal de la pared interior se dobla y, nuevamente, se vuelve cóncavo (ver Figura 3).

Como explicó Pecho, el tubo rectangular es sólo una de las muchas formas que los curvadores de perfiles deben “leer” al configurar y operar una máquina. Deben predecir qué áreas de la pieza de trabajo crecerán, cuáles se encogerán y configurar la máquina, las herramientas y el procedimiento para adaptarse a cada una. Una vez más, el objetivo no es eliminar la distorsión. En cambio, los operadores pretenden controlar cómo actúan las fuerzas de tensión y compresión sobre una pieza de trabajo, mediante la selección y los movimientos de la máquina y las herramientas durante la operación de plegado, para controlar dónde se produce el crecimiento y la contracción. Todo se hace de una manera que no afecta la intención del diseño del producto terminado ni los requisitos de resistencia.

Los rodillos dobladores forman perfiles mediante curvado en caliente o en frío. El doblado en caliente incluye el doblado por inducción, que aplica una banda estrecha de calor a un perfil mientras un brazo doblador gira para hacer (generalmente) una curvatura de radio muy estrecho.

El doblado en frío, como su nombre indica, dobla la pieza de trabajo en frío. En ocasiones, el doblado en frío de perfiles grandes se produce en una máquina trefiladora rotativa. Algunas máquinas trefiladoras rotativas grandes, que alguna vez fueron utilizadas principalmente solo por fabricantes de tubos que se centraban en trabajos de diámetro relativamente pequeño, pueden doblar piezas de trabajo de 10, 15 e incluso 17 pulgadas de diámetro. CMRP, por ejemplo, tiene una máquina trefiladora rotativa para tubos y tuberías de hasta 10 pulgadas de diámetro. Dicho esto, estas máquinas requieren una gran cantidad de herramientas, incluidos troqueles limpiadores (que mitigan las arrugas en el radio interior), troqueles para doblar y, a veces, mandriles internos, todos los cuales no son baratos.

La dobladora de tres rodillos es el caballo de batalla de la industria. La máquina tiene tres rodillos accionados hidráulicamente en configuración triangular. En una configuración horizontal típica, vista desde arriba, el material se alimenta entre los dos rodillos superiores y el único rodillo inferior hasta que el extremo del material toca el rodillo más alejado. La distancia entre la mitad del rollo lejano y la mitad del rollo inferior se llama longitud de agarre (ver Figura 4), que proporciona palanca para inducir la fuerza necesaria para crear el momento de flexión. Cuanto mayor sea la longitud del agarre, más influencia tendrás. La desventaja: en la mayoría de los casos, el material dentro de esa longitud de agarre debe desecharse, razón por la cual la mayoría de los rodillos dobladores solicitan material un poco más largo de lo necesario.

Un diámetro de 20 pulgadas. El tubo puede requerir un tubo de 4 pies. Sin embargo, como explicó Pecho, la longitud de agarre en cada extremo depende de innumerables factores, incluido el tipo de máquina, la configuración y las herramientas. Pero en términos generales, cuanto menor sea el diámetro de la pieza de trabajo, menor será la longitud de agarre necesaria. Las consideraciones de configuración también cambian con la orientación de la pieza de trabajo, es decir, si se dobla en su eje fuerte más largo, de la manera difícil, o a lo largo de su eje débil más corto, de la manera fácil.

FIGURA 3 En este ejemplo extremo, el crecimiento y la contracción incontrolados provocaron una concavidad notable en las paredes interiores y exteriores.

Los operadores intentan doblar la pieza de trabajo en la menor cantidad de pasadas posible. Para ello, eligen uno de dos enfoques: flexión asimétrica o simétrica. La flexión simétrica ocurre cuando el operador usa los tres rodillos para inducir la fuerza de flexión mientras pasa la pieza de trabajo hacia adelante y hacia atrás a través de la configuración piramidal de tres rodillos. Idealmente, la flexión asimétrica se produce en una sola pasada, ya que el operador confía en el rodillo superior y en el inferior (de ahí el término "asimétrico") para inducir la fuerza de flexión. Es posible que los operadores necesiten trabajar el material en otra pasada, especialmente si realizan un trabajo inusual o desafiante; pero si lo hacen, la flexión suele ser extremadamente leve.

El doblado simétrico lleva más tiempo, pero, como explicó Pecho, es un proceso mucho más “seguro”, a menudo realizado por operadores con menos experiencia. Aún así, los operadores no pueden realizar demasiadas pasadas o correrán el riesgo de trabajar demasiado el material. Todo ese endurecimiento por trabajo cambia la forma en que el material se contrae y crece y, a menudo, deja la pieza de trabajo con niveles inaceptables de distorsión de la sección transversal.

Para perfiles tubulares, la flexión simétrica también limita el tipo de soporte interno que los operadores pueden insertar en la pieza de trabajo. Todavía pueden introducir arena en el ID, una de las técnicas más antiguas que todavía se utilizan para mitigar la distorsión. O podrían confiar en otros métodos creativos. Pecho describió varios casos en los que los operadores doblaron un tubo rectangular alto y delgado hasta un radio muy estrecho insertando varios tubos de menor diámetro en su interior. Por supuesto, esos tubos internos no se pueden quitar después de doblarlos; Están atrapados allí para siempre. Siempre que el aumento de peso sea aceptable, no debería afectar negativamente a los requisitos de diseño de la pieza de trabajo.

Los mandriles no se pueden usar en una segunda pasada, para que no se atasquen para siempre dentro de la pieza de trabajo, lo cual es una de las razones (aparte del aumento de productividad) por la que los operadores experimentados realizan doblados asimétricos. De manera similar a los mandriles utilizados en el doblado por estiraje rotatorio, se usan en el doblado de perfiles de tres rodillos para soportar el diámetro interior de la pieza de trabajo a medida que se aplica el momento de flexión, minimizando hoyuelos, abolladuras, concavidades u otros signos de distorsión incontrolada.

La posibilidad de una distorsión incontrolada aumenta cada vez que cambia el radio. Esto, por supuesto, incluye el momento inicial en el que se induce por primera vez un radio. La presión inicial de las herramientas induce fuerzas localizadas, especialmente en el doblado asimétrico o en otras configuraciones donde el operador necesita doblar un perfil en la menor cantidad de pasadas posible para evitar el exceso de trabajo y la falla total del material.

Una longitud de agarre insuficiente puede empeorar el problema. "Si no tenemos una longitud de agarre suficiente, verá una abolladura en el lugar donde el rodillo inferior tocó inicialmente el material", dijo Pecho. "Pero, si se proporciona suficiente longitud de agarre, se puede volver a cortar el miembro en el 'buen arco', más allá de la abolladura, de modo que la abolladura no esté presente en la pieza de trabajo final".

Se puede volver a producir tensión adicional en piezas de trabajo con radios compuestos, especialmente si el radio "desciende" secuencialmente a radios cada vez más estrechos. "Durante cada descenso, generalmente verás diferencias en la forma del perfil", dijo Pecho. “Las diferencias pueden ser insignificantes. Todo depende de la forma deseada, los radios y el espesor de la pared”.

El objetivo es hacer que todos esos “cambios de forma” y otros efectos de distorsión sean insignificantes. Idealmente, los esfuerzos iniciales ocurren en la fase de diseño, incluida la elección del radio (o radios) de un miembro, sus dimensiones y tipo de forma, y ​​especialmente el espesor de su pared. Cada trabajo es único, pero en general, un material más grueso, ya sea para perfiles abiertos o tubulares, ayuda a mitigar los efectos adversos de la deformación.

La elección del material también importa. Los operadores tienen más experiencia con material común. Si un operador experimentado recibe un material hecho de acero resistente a la abrasión más duro y resistente, como AR 500, generalmente sabe cómo se forma dicho material, lo que significa que tiene más posibilidades de curvar el miembro a la forma deseada en una sola pasada con un mínimo daño. distorsión.

También importa cómo se fabrican los perfiles, especialmente en el caso de tubos rectangulares y cuadrados. Como explicó Pecho, algunos tubos se forman directamente a partir de una bobina y luego se forman un rectángulo; a otros se les da una forma redonda y luego se les da una forma rectangular o cuadrada.

FIGURA 4 La longitud del agarre es la distancia entre el rodillo superior más alejado y el rodillo inferior. Cuanto mayor sea la longitud del agarre, más palanca tendrá la máquina para inducir una curva. La flexión simétrica se produce enviando la pieza de trabajo hacia adelante y hacia atrás en múltiples pasadas. En el doblado asimétrico, el rodillo superior (el superior izquierdo en esta imagen) y el rodillo inferior se utilizan para inducir el doblado, a menudo en una sola pasada.

Ese trabajo adicional marca una diferencia que puede afectar la forma en que los operadores de doblado de perfiles configuran sus máquinas. En algunos casos, el endurecimiento por trabajo adicional que proviene de ciertas técnicas de producción de tubos (como formar un tubo redondo y luego un rectángulo, en lugar de directamente un rectángulo) en realidad induce tensión de trabajo en frío en las paredes laterales del tubo. Si esto ayuda o dificulta una operación de doblado depende de la aplicación. En algunos casos, el endurecimiento por trabajo ayuda a mitigar los efectos de distorsión durante una curvatura de radio estrecho, lo que a veces hace que una curvatura de una sola pasada sea un poco más fácil. Por otro lado, una pared más rígida también puede aumentar las posibilidades de trabajar demasiado el material, dependiendo de cuántas pasadas utilice un operador y la gravedad de la curvatura.

Ya sea que los operadores doblen perfiles abiertos o cerrados, la elección de la herramienta es fundamental. Las herramientas deben ajustarse al perfil pero no estar tan apretadas como para afectar negativamente la contracción y el crecimiento de la pieza de trabajo. Una herramienta demasiado apretada puede provocar una distorsión localizada y, en el peor de los casos, rayar la superficie del material.

Cuando los operadores necesitan doblar un perfil abierto como un ángulo o una viga, tienen a su disposición menos herramientas para mitigar la distorsión. Más allá de la elección y el ajuste de la herramienta, los dobladores deben elegir una máquina del tamaño correcto, una con suficiente tonelaje de formación y longitudes de agarre adecuadas, lo suficiente como para proporcionar el apalancamiento necesario para reducir la distorsión, pero no tan larga como para requerir un sacrificio excesivamente largo. tramo recto. Muchas dobladoras modernas de tres rodillos también tienen unidades de tracción que soportan las alas de las vigas para mitigar la deformación (ver Figura 5).

Cuando los operadores trabajan con secciones tubulares, pueden optar por utilizar un mandril y, si lo hacen, el ajuste de ese mandril puede ser fundamental. Cuando un rodillo doblador recibe material, el operador generalmente medirá el diámetro interior y exterior para asegurarse de que estén dentro del rango de tolerancia del molino, luego elegirá u ordenará un mandril adecuado.

Las tolerancias del molino también añaden complicaciones. Si se mecaniza un mandril para ajustarse al extremo inferior de la tolerancia de un tubo, pero el material recibido se encuentra en el extremo superior de la tolerancia, es posible que el mandril no proporcione suficiente soporte. Por el contrario, un mandril demasiado ajustado puede inhibir el crecimiento y la contracción del material, lo que puede provocar una distorsión localizada. Si las tolerancias son especialmente críticas, los fabricantes de herramientas de mandril solicitan varios pies de material para garantizar que el mandril esté diseñado para encajar.

La guía de diseño de AISC especifica tolerancias estándar para acero curvado, calculadas por la cuerda interior y la elevación interior o de ordenada media (consulte la Figura 6). Si un miembro tiene 10 pies de largo o menos, las tolerancias estándar permiten +/-0,125 pulgadas en la elevación de la ordenada media. “Pero cuanto más largo sea el miembro, más desviación se permitirá en ese aumento de orden media”, dijo Pecho. De todos modos, las tolerancias pueden cambiar dependiendo de varios factores, todos los cuales se detallan en la guía AISC.

Sin embargo, la guía AISC no proporciona estándares para las tolerancias de distorsión. Como explicó Pecho, las tolerancias a la distorsión varían de un taller a otro e incluso de un trabajo a otro. Como regla general, muchos rodillos dobladores de primera categoría intentan mantener una tolerancia (en comparación con la dimensión nominal) del 5 % de crecimiento y del 5 % de contracción en tubos cuadrados y rectangulares y formas abiertas, junto con un 5 % de ovalidad en formas redondas (consulte la Figura 7). ). A medida que los tamaños de los tubos aumentan, especialmente con los tubos “de tamaño gigante”, esa cifra de tolerancia para la contracción, el crecimiento y la ovalidad podría estar entre el 7 % y el 10 % y aún considerarse aceptable al realizar cálculos de resistencia reducida.

Estas cifras son tolerancias de distorsión máximas permitidas que promociona un rodillo doblador, aunque el trabajo típico se puede formar con una tolerancia mucho más estricta. "Vemos que las tolerancias de distorsión de las secciones estructurales huecas curvas, cuadradas y rectangulares normalmente están entre el 1% y el 2%", dijo Pecho. Añadió que si se mira de cerca, se puede ver la distorsión, como una ligera concavidad en la pared del radio interior. "Pero sigue siendo una pieza estructuralmente sólida".

Independientemente, la integridad estructural es la verdadera medida de la aptitud para el servicio de un miembro curvo, razón por la cual la guía de diseño AISC profundiza en detalles con ecuaciones que muestran cómo una cierta cantidad de distorsión afecta la resistencia de la pieza de trabajo. Una vez verificada la resistencia, la única preocupación que queda son los requisitos de ajuste.

Como tantos otros en la fabricación de metales, los dobladores y fabricantes pueden “hacer que funcione” en algunos casos, pero el proceso implica más tiempo y dinero. ¿Por qué tomarse tantas molestias si basta con una pared lateral más gruesa? A veces, los ahorros en los costos generales del proyecto (tiempo de formado, posibilidad de retrasos, etc.) superan con creces el costo de un material de paredes más gruesas y más fácil de doblar, incluso con precios de material altísimos. Considerar la distorsión de los miembros curvos desde el principio (con una comunicación abierta entre el diseñador, el fabricante y el doblador) puede evitar muchos dolores de cabeza innecesarios.