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

Los estudiantes que estudian en el Instituto de Tecnología de Illinois disfrutan de la tranquilidad. Un tubo elíptico, que consta de numerosos miembros curvos, amortigua el sonido de los trenes que pasan. 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 navega por la vía, 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), un rodillo doblador que ha sido placa de formación, ángulo, tubo, perfiles y vigas estructurales durante más de 100 años. Rodeando las vías de la 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 Conferencia del Acero NASCC 2019, celebrada en St Louis y organizada por el Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC). Durante una presentación en la conferencia, realizó lo que entonces era una nueva publicación de AISC, "Guía de diseño 33: Diseño de miembros curvos".

"Esto realmente debería considerarse la biblia de los miembros curvos", dijo. "Si fabrica metales curvos en su horario diario, esto es algo que debería tener en su biblioteca".

La guía de diseño profundiza en el tema de la presentación de Pecho, uno que se ha vuelto cada vez más importante para las operaciones de dobladoras y 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 la 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 ese 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 curvo rectangular se unió a un tubo rectangular recto, una situación en la que los problemas de distorsión serían evidentes, especialmente teniendo en cuenta el radio estrecho del tubo curvo.

La forma del tubo rectangular cambiaría solo un poco, por lo que la forma distorsionada de la pieza de trabajo no se notaría. 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 final 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 de la 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 lo fuera, los diseñadores podrían haber tenido que reconsiderar el tipo de conexión o el diseño. Una vez más, por sí sola, la distorsión de la pieza de trabajo curvada no se notaba. Pero unido a un miembro recto, los efectos de distorsión eran evidentes. Es posible que tales fallas estéticas no importen. Independientemente, reconocer y planificar esa distorsión en la parte delantera, 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 con respecto a la nominal) que crea la distorsión por el espesor del material. Los resultados hasta cierto punto no muestran cambios significativos 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 de AISC explica todos los detalles.

La mayoría de los problemas de distorsión no provienen de la integridad o resistencia estructural. Como explicó Pecho, las operaciones de dobladoras y rodillos de calidad nunca soñarían con 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 en los requisitos de conexión.

FIGURA 2 Esta conexión muestra el efecto de la contracción en los elementos de acero. El tubo rectangular de la izquierda estaba curvado en un radio estrecho y, por lo tanto, experimentó una ligera contracción de la sección transversal de los tubos en el plano de flexión. 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 podría o no ser un gran problema, 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 es realmente importante. A veces, los fabricantes usan gatos hidráulicos en el diámetro interior para empujarlo y abrirlo ligeramente para que pueda acoplarse con un tubo recto. Es factible, pero requiere mucho tiempo, es costoso y quizás completamente innecesario si el trabajo se diseñó teniendo en cuenta la distorsión.

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

Cuando se dobla un tubo, una viga o una sección abierta, se acumula compresión en el radio interior y 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, si se dejan sin soporte durante el doblado, 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 durante el doblado. En cierto sentido, la compresión y la tensión obligan al metal a "fluir" de ciertas maneras y a ciertas áreas sin restricciones cuando está bajo un rendimiento constante. Considere la flexión de un tubo rectangular. Si las fuerzas de tensión que tiran 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 en otros lugares. El crecimiento y contracción del metal toma el camino de menor resistencia. Y en una situación sin apoyo, debido a las fuerzas contrapuestas de compresión y tensión, este camino puede ser hacia el eje neutral del elemento y, a menudo, desplazado hacia el interior de la curva; por lo tanto, la pared exterior también puede volverse cóncava. Estas fuerzas de tensión, combinadas con la compresión en el radio interior, hacen que crezca la dimensión de la pared interior. Sin lugar adonde ir, el metal de la pared interior se pandea y, de nuevo, se vuelve cóncavo (ver Figura 3).

Como explicó Pecho, el tubo rectangular es solo una de las muchas formas que los dobladores de perfiles deben "leer" al configurar y operar una máquina. Deben predecir qué áreas de la pieza de trabajo crecerán, cuáles se encogerán y configurarán 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 tienen como objetivo controlar cómo actúan las fuerzas de tensión y compresión sobre una pieza de trabajo, a través de la selección y los movimientos de la máquina y las herramientas a lo largo de la operación de doblado, para controlar dónde ocurre 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 con doblado en caliente o doblado en frío. El doblado en caliente incluye el doblado por inducción, que aplica una banda estrecha de calor a un perfil cuando un brazo de doblado gira para hacer (generalmente) un doblado de radio muy estrecho.

El doblado en frío, como sugiere su nombre, dobla la pieza de trabajo en un estado frío. En ocasiones, el doblado en frío de perfiles grandes se produce en una máquina rotativa de estirado. Alguna vez utilizadas principalmente por fabricantes de tubos que se enfocaban en trabajos de diámetro relativamente pequeño, algunas máquinas rotativas grandes pueden doblar piezas de trabajo de 10, 15 e incluso 17 pulgadas de diámetro. CMRP, por ejemplo, tiene una máquina de extracción rotativa para tubos y tuberías de hasta 10 pulgadas de diámetro. Dicho esto, estas máquinas requieren herramientas extensas, que incluyen matrices de limpieza (que mitigan las arrugas en el radio interior), matrices de doblado 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 una 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 lejano. La distancia entre la mitad del rollo lejano y la mitad del rollo inferior se denomina longitud de agarre (consulte la Figura 4), que proporciona palanca para inducir la fuerza necesaria para crear el momento de flexión. Cuanto mayor sea la longitud de la empuñadura, más palanca 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 que es un poco más largo de lo que se requiere.

Un diámetro de 20 pulg. el tubo puede requerir un tubo de 4 pies. longitud de agarre en cada extremo, sin embargo, como explicó Pecho, las longitudes de agarre dependen de una miríada de factores, incluido el tipo de máquina, la configuración y las herramientas. Pero, en términos generales, cuanto más pequeño es el diámetro de la pieza de trabajo, menos longitud de agarre requiere. Las consideraciones de configuración también cambian con la orientación de la pieza de trabajo, es decir, si se dobla sobre 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 descontrolados llevaron a una concavidad notable en las paredes internas y externas.

El objetivo de los operadores es doblar la pieza de trabajo en el menor número de pasadas posible. Con ese fin, eligen uno de dos enfoques: flexión asimétrica o simétrica. El doblado simétrico ocurre cuando el operador usa los tres rodillos para inducir la fuerza de doblado 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 e inferior único (de ahí el término "asimétrico") para inducir la fuerza de flexión. Es posible que los operadores necesiten trabajar el material a través de otra pasada, especialmente si están trabajando en un trabajo inusual o desafiante; pero si lo hacen, la flexión suele ser extremadamente leve.

El doblado simétrico toma 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 trabajo de endurecimiento cambia la forma en que el material se encoge y crece y, a menudo, deja la pieza de trabajo con niveles inaceptables de distorsión 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 empaquetar arena en el ID, una de las técnicas más antiguas que aún se utilizan para mitigar la distorsión. O pueden confiar en otros métodos creativos. Pecho describió varios casos en los que los operadores doblaron un tubo rectangular alto y delgado en 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 dentro para siempre. Siempre que el aumento de peso sea aceptable, no debería afectar negativamente 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 la productividad) por la que los operadores experimentados realizan el doblado asimétrico. Al igual que los mandriles que se usan en el doblado rotativo, se usan en el doblado de perfiles de tres rodillos para soportar el diámetro interno de la pieza de trabajo a medida que se aplica el momento de doblado, lo que minimiza los hoyuelos, las abolladuras, la concavidad u otros signos de distorsión incontrolada.

La posibilidad de distorsión incontrolada aumenta cada vez que cambia el radio. Esto, por supuesto, incluye el momento inicial cuando 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 en las que 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 tenemos una longitud de agarre insuficiente, verá una abolladura en el lugar donde el rollo inferior tocó inicialmente el material", dijo Pecho. "Pero, si proporciona suficiente longitud de agarre, 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".

La tensión adicional puede ocurrir nuevamente en piezas de trabajo con radios compuestos, especialmente si el radio "reduce" secuencialmente a radios cada vez más estrechos. "Durante cada reducción, generalmente verá diferencias en la forma del perfil", dijo Pecho. "Las diferencias pueden ser insignificantes. Todo depende de la forma deseada, los radios y el grosor 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) para un miembro, sus dimensiones y tipo de forma, y ​​especialmente su espesor de pared. Cada trabajo es único, pero en general, el material más grueso, ya sea para perfiles abiertos o tubulares, ayuda a mitigar los efectos adversos de la distorsión.

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 el AR 500, generalmente sabe cómo se forma dicho material, lo que significa que tiene más posibilidades de curvar el elemento a la forma deseada en una sola pasada con un daño mínimo. distorsión.

También importa cómo se producen los perfiles, especialmente con tubos rectangulares y cuadrados. Como explicó Pecho, algunos tubos se forman directamente de la bobina y luego en un rectángulo; otros se forman en forma redonda y luego se trabajan en forma rectangular o cuadrada.

FIGURA 4 La longitud de agarre es la distancia entre el rollo superior y el rollo inferior. Cuanto más larga sea la longitud de la empuñadura, más palanca tiene la máquina para inducir una curva. La flexión simétrica se produce al enviar la pieza de trabajo de un lado a otro en varias pasadas. En el doblado asimétrico, el rodillo superior lejano (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 una ronda 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 plegado depende de la aplicación. En algunos casos, el endurecimiento por trabajo ayuda a mitigar los efectos de distorsión durante un plegado de radio estrecho, lo que a veces facilita un poco un plegado de una sola pasada. Por otro lado, una pared más rígida también puede aumentar las posibilidades de trabajar demasiado el material, según la cantidad de pasadas que use el operador y la gravedad de la curvatura.

Ya sea que los operadores estén doblando perfiles abiertos o cerrados, la elección de la herramienta es crítica. 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 causar una distorsión localizada y, en el peor de los casos, perforar 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 rodillos 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. sección recta. Muchas dobladoras modernas de tres rodillos también tienen unidades de tracción que soportan las alas de las vigas para mitigar la deformación (consulte la Figura 5).

Cuando los operadores trabajan con secciones tubulares, pueden elegir usar un mandril y, si lo hacen, la forma en que se ajusta el mandril puede ser fundamental. Cuando un rodillo doblador recibe material, el operador normalmente medirá el diámetro interno y externo para asegurarse de que estén dentro del rango de tolerancia del molino, luego elegirá u ordenará un mandril adecuado.

Las tolerancias del molino también agregan 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 brinde suficiente apoyo. 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 del material para garantizar que el mandril esté diseñado para encajar.

La guía de diseño de AISC especifica las tolerancias estándar para el acero curvo, según lo calculado por la cuerda interior y la elevación interior o media ordenada (consulte la Figura 6). Si un miembro tiene 10 pies de largo o menos, las tolerancias estándar permiten +/-0,125 pulgadas en la altura de la ordenada media. “Pero cuanto más largo es el miembro, más desviación se permite en esa elevación media ordenada”, dijo Pecho. Independientemente, las tolerancias pueden cambiar dependiendo de varios factores, todos los cuales se explican en detalle en la guía AISC.

Sin embargo, la guía AISC no proporciona estándares para las tolerancias de distorsión. Como explicó Pecho, las tolerancias de distorsión varían de un taller a otro e incluso de un trabajo a otro. Como regla general, muchos rodillos dobladores de primer nivel tienen como objetivo mantener una tolerancia (en comparación con la dimensión nominal) de 5 % de crecimiento y 5 % de contracción en tubos cuadrados y rectangulares y formas abiertas, junto con 5 % de ovalidad en formas redondas (consulte la Figura 7). ). A medida que aumenta el tamaño de los tubos, especialmente con 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 seguir considerándose aceptable cuando se realizan cálculos de resistencia reducida.

Estas cifras son las 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 cuadradas y rectangulares curvas normalmente están entre el 1% y el 2%", dijo Pecho. Agregó que si miras de cerca, puedes 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 de AISC profundiza en los detalles con ecuaciones que muestran cómo una cierta cantidad de distorsión afecta la resistencia de la pieza de trabajo. Con la resistencia verificada, la única preocupación restante se refiere a los requisitos de instalación.

Como tantos otros en la fabricación de metales, los rodillos dobladores y los fabricantes pueden "hacer que funcione" en algunos casos, pero el proceso implica más tiempo y dinero. ¿Por qué pasar por tantos problemas si una pared lateral más gruesa es suficiente? A veces, los ahorros en los costos generales del proyecto (tiempo de formado, posible demora, etc.) superan con creces el costo del material de paredes más gruesas y más fácil de doblar, incluso con precios de materiales altísimos. Considerar la distorsión de los miembros curvos desde el principio, con una comunicación abierta entre el diseñador, el fabricante y el doblador-rodillo, puede evitar muchos dolores de cabeza innecesarios.