Revista Nexos Científicos ISSN: 2773-7489
Enero –Junio 2020 pp. 31-42 Correo: editor@istvidanueva.edu.ec
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Fecha de recepción: marzo 2020 Fecha de aceptación: mayo 2020
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I.
1
INTRODUCCIÓN
El término conformado de metales se refiere a un
conjunto de procesos que utilizan la deformación
plástica de metales y aleaciones metálicas para
producir piezas mecánicas de variadas formas
mediante el moldeo del metal. Durante estos
1. paul.caza@istvidanueva.edu.ec
2. rodrigo.diaz@istvidanueva.edu.ec
3. angel.franco@istvidanueva.edu.ec
4. patricio.cruz@istvidanueva.edu.ec
procesos el material es sometido a una
deformación plástica que permite que el cambio
de forma sea permanente.
Cuando estos procesos se realizan a temperaturas
menores a la de recristalización se dice que el
metal ha sido trabajado en frío. Las ventajas del
trabajo en frío son una mejora en la resistencia,
mayor exactitud dimensional, mejoramiento de la
maquinabilidad, y mejor acabado superficial.
Para las operaciones de doblado de tubos en frío
existen una gran variedad de máquinas que
Determinación de los niveles de flexibilidad y resistencia de los materiales en una
máquina dobladora de tubos
Paul Caza
1
; Rodrigo Díaz
2
; Ángel Franco
3
; Patricio Cruz
4
1
Mecánica Industrial, Instituto Tecnológico Superior Vida Nueva, Quito, Ecuador, paul.caza@istvidanueva.edu.ec
2
Mecánica Industrial, Instituto Tecnológico Superior Vida Nueva, Quito, Ecuador, rodrigo.diaz@istvidanueva.edu.ec
3
Mecánica Industrial, Instituto Tecnológico Superior Vida Nueva, Quito, Ecuador, angel.franco@istvidanueva.edu.ec
4
Mecánica Industrial, Instituto Tecnológico Superior Vida Nueva, Quito, Ecuador, patricio.cruz@istvidanueva.edu.ec
Resumen: El siguiente trabajo contiene el desarrollo del diseño y la construcción de una curvadora
de tubería hidráulica redonda que se pliega entre 0º y 180º. Se tomó la decisión de construir la
máquina de doblar para aplicar los diferentes conocimientos adquiridos al perseguir carreras
tecnológicas en mecánica industrial. El proyecto incluye un marco teórico que orienta al lector
sobre el tema del doblado de tuberías, y sobre los métodos y máquinas de doblado que existen en
el mercado. También contiene el diseño y la verificación de las piezas principales de la máquina,
dibujos de todas las piezas, y fotos del montaje de las piezas reales y un manual de operación y
mantenimiento de la máquina. Finalmente, se incluyen recomendaciones y conclusiones basadas
en los resultados obtenidos en el proceso de fabricación de la máquina.
Palabras Clave: flexibilidad, resistencia, materiales, dobladora.
Determination of the flexibility and resistance levels of materials in a tube bending
machine
Abstract: The following work contains the development of the design and construction of a
hydraulic pipe bending machine round that folds between 0º and 180º. The decision was made of
constructing the bending machine to apply the different knowledge acquired when pursuing
technology careers in Industrial mechanics. The project includes a theoretical framework that
Orientation to the reader about the topic of pipe bending, and about bending methods and machines
that exist in the market.
It also contains the design and verification of the main machine parts, drawings of all parts, and
photos of the assembly of the actual parts and an operation manual and machine maintenance.
Finally, recommendations and conclusions are included based on the results obtained regarding the
manufacturing process of the machine and the quality of the folds obtained, which can be of great
help for those who decide to resume this project or build a bender of this type.
Keywords: flexibility, strength, materials, bending machine.
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utilizan diferentes métodos entre los más
modernos están la tecnología de conformado
incremental, que puede efectuar cualquier tipo de
doblez en 3D, a la vez que puede reducir el
diámetro del tubo logrando gran reproducibilidad
y precisión dimensional.
Por otro lado, están las máquinas que utilizan
procesos de conformado por arrastre en las cuales
el tubo es empujado a través de una herramienta
de curvado fija y una matriz con movimiento. Las
principales desventajas de este proceso son una
alta recuperación elástica, requiere de fuerzas
elevadas para lograr el doblez y sobretodo las
deformaciones que se producen en la sección del
tubo son difíciles de controlar porque hay
bastante fricción entre la matriz y la herramienta
curvadora, esto hace que el proceso resulte poco
fiable.
Aunque con el conformado incremental se
obtienen mejores resultados el costo de la
maquinaria hace que se sigan utilizando los
procesos tradicionales como el de arrastre, y se
trate en lo posible de disminuir las fallas que se
puedan producir. Con este propósito se emprendió
en la construcción de una máquina curvadora
hidráulica con la que se tengan buenos resultados
a un menor costo.
DOBLADO Y CURVATURA DE
MATERIALES
El conformado mecánico se considera como la
deformación plástica de los materiales en general,
sin embargo, la presente investigación analizará
los materiales con bajo contenido de carbono
(acero, hierro).
INTRODUCCIÓN AL DOBLADO Y
CURVADO
El doblado y curvado son operaciones que
consisten en obtener una pieza de chapa, alambre
o tubos, con generatrices y bordes rectilíneos o
curvos, sometiendo al material a grandes
desplazamientos moleculares en el transcurso de
la operación. En algunos textos se refieren a
doblado cuando el doblez se hace en ángulo vivo
o con radio muy pequeño y a curvado cuando el
doblez tiene gran radio, pero en la práctica diaria
general se denomina doblado a cualquiera de los
dos procedimientos.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL
DOBLADO
Elasticidad del material: Influye en la
recuperación del material, por lo que es necesario
acentuar los ángulos de doblado.
Radio de curvatura: Influye en la variación de
espesor de forma decisiva e incluso en la
aparición de grietas y posteriores roturas. Por lo
que se debe evitar dobleces sin radio (en arista
viva).
FENÓMENOS QUE SE PRODUCEN EN EL
DOBLADO
En el proceso de doblado del tubo la chapa se
comprime por su parte interior y se estira por la
exterior. En consecuencia, las fibras del material
sufren en la zona de doblado, unas solicitaciones
tanto más intensas cuanto menor sea el radio que
se pretenda conseguir, de ahí el concepto de radio
mínimo.
Denominaremos radio mínimo al radio interior
más pequeño que se puede lograr para un material
determinado.
Los radios mínimos recomendados son:
1 a 2 veces el espesor del material, para
materiales blandos.
3 a 4 veces el espesor del material, para
materiales duros.
Teniendo presente que el material se estira por el
exterior y se comprime por su parte interior
cuando es doblado, debe existir forzosamente una
zona interna donde las tensiones sean nulas y no
exista deformación, a esa zona se le llama fibra, o
línea neutra.
La línea neutra nos señala el cambio de sentido de
las solicitaciones, ya que esa línea no sufre
deformación alguna.
DETERMINACIÓN DE LA FIBRA NEUTRA
Si se considera que la fibra neutra es la zona de
un elemento doblado que no sufre ninguna
deformación, sus fibras no se modifican como
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consecuencia de las fuerzas de tracción o
compresión a las que está sometido el material al
ser doblado.
Éste fenómeno solo se produce en las zonas en
que en mayor o menor medida la pieza va
doblada, puesto que en las zonas planas o sin
doblados las fibras permanecen inalterables antes,
durante y después del doblado.
Dicha situación no siempre se encuentra en el
centro exacto de la chapa, sino que toma una
posición diferente, según el espesor del material y
el radio de doblado.
El cálculo de la fibra neutra es básico en el
desarrollo de los elementos doblados.
Otro fenómeno importante, que se produce en el
doblado, es la recuperación elástica del material,
que se refiere a su tendencia a recuperar la forma
primitiva. Es necesario evaluar esta recuperación
a través de ensayos previos, para tenerla en cuenta
en el momento de proyectar las matrices de
doblado, las cuales tienen una deformación inicial
superior a la deseada, para compensar la posterior
recuperación elástica del material.
Se llama factor de retorno o recuperación elástica,
al valor que el material tiende a recuperarse tan
pronto como cesa la acción deformadora, a la que
ha estado sometido. Éste fenómeno se debe a la
propiedad que poseen los cuerpos de ser elásticos.
La recuperación elástica varía en función de los
siguientes factores:
El tipo de material. En un ensayo a tracción se
puede comprobar cómo en función del material
los diagramas de deformaciones son distintos. Por
ejemplo, un acero duro tiene mayor recuperación
elástica que un acero con bajo contenido de
carbono.
El espesor del material. A mayor espesor, menor
recuperación elástica.
El radio de curvatura. A mayor radio, mayor
recuperación elástica.
El ángulo de doblado
TÉCNICAS PARA DOBLADO DE TUBOS
Las técnicas usadas comúnmente para doblar
tubos son: doblado por estiramiento, doblado a
tracción, doblado por compresión, doblado en
prensa, doblado por rodillos y extrusión por
rodillos.
DOBLADO A TRACCIÓN
El tubo se tracciona desde ambos extremos
mientras se dobla sobre un bloque formador.
Esta técnica está limitada a dobleces de radio
grandes, pero es más apropiado para curvas que
no son circulares.
Fig. 1 Dobladora a tracción
DOBLADO EN PRENSA
Se crea una curva presionando un dado formador
sobre el tubo en un movimiento. El tubo es
soportado por un par de dados separados, que
rotan a medida que el conformador se mueve
hacia el centro empujando el tubo.
Este movimiento envuelve el tubo alrededor del
conformador, permitiendo que los dados de los
extremos apoyen el tubo en cada lado.
Este proceso es muy rápido y es excelente para
altas producciones. Sin embargo, se deben cambiar
los dados o la distribución de los mismos para
generar diferentes variedades de curvas.
El radio de curva máximo con este método es 110
grados.
Fig. 2 Doblado en prensa
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DOBLADO CON RODILLOS
Esta técnica utiliza tres dados cilíndricos para
formar la curva. Este estilo de doblado se utiliza
típicamente para desarrollar curvas grandes de
radio y para enrollar tubería (serpentines).
La curva se crea cuando el dado de centro superior
de la curva se mueve ajustándose al tubo, mientras
que los dos dados, izquierdo y derecho, más bajos
de la curva, rotan al mismo tiempo en una
dirección y posteriormente en la dirección contraria
al momento requerido.
Fig. 3 Doblado con rodillos
DOBLADO POR EXTRUSIÓN DE RODILLOS
Se hace girar dentro del tubo un cabezal con
rodillos de empuje anchos situados por un lado y
un rodillo de trabajo angosto por el otro lado.
El tubo se rodea con anillos de trabajo en el
exterior del cabezal. El rodillo de trabajo es
desplazado hacia adentro y afuera por medio de
levas mientras gira el cabezal con el fin de aplicar
presión para extruir metal en la pared del tubo
lateralmente, para obligarlo a doblarse.
A medida que se trabaja el material se hace
avanzar el tubo pasando por el cabezal.
Esta técnica se utiliza para doblar tubos mayores a
5 pulgadas (127mm) de diámetro exterior y con
espesores mayores a 5/8 de pulgada (15.8mm).
Fig. 4 Doblado por extrusión de rodillos
DOBLADO POR ESTIRAMIENTO
(ARRASTRE)
En este método, la pieza de trabajo se sujeta
contra un dado que tiene la forma del doblez,
como en el doblado por compresión; pero ahora el
dado gira jalando la pieza de trabajo por una
matriz de presión y, en muchos casos, sobre un
mandril, como se muestra en la figura.
Fig. 5 Doblado por estiramiento
Durante el proceso de doblado se inserta un
mandril, que es una herramienta usada para
apoyar el interior del tubo y así mejorar la calidad
de la curva. Este mandril reduce al mínimo el
aplanado, y ayuda a controlar el arrugado durante
el doblado.
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El radio de curvatura máximo utilizando este
método es de 180˚.
LA DOBLADORA A FABRICAR
Luego de analizar los diferentes métodos de
doblado y de investigar las distintas máquinas
dobladoras hidráulicas disponibles en el mercado,
se determinó que el mejor método para realizar el
doblez era el método por estiramiento, ya que es
el que más se adapta a nuestras necesidades y por
otro lado nos brinda la posibilidad de realizar
curvas de hasta 180˚.
ESQUEMA DE LA DOBLADORA A
FABRICAR
Fig. 6 Dobladora por estiramiento
CÁLCULO DE FUERZAS EN EL MECANISMO
Los tubos que se doblarán serán tubos redondos,
entre ellos los que generalmente se usan son tubos
para muebles que cumplen con Norma ASTM 500
grado A.
Como se curvarán tubos de diferentes diámetros, se
determinará la carga necesaria para deformar el
tubo con el diámetro y grosor máximo que va a
doblar la máquina en este caso es de 2½” (63,5mm
de diámetro externo) y 1,5mm de grosor del tubo.
Los datos de los tubos que son necesarios para los
cálculos se han tomado de las siguientes tablas:
TABLA I
Tubería estructural negra redonda Catalogo Dipac 2017
TABLA II
Propiedades mecánicas de los aceros. Bustamante H (2010)
Para doblar el tubo es necesario aplicar una fuerza
tal que genere un esfuerzo mayor que el esfuerzo
de fluencia del material, para que haya
deformación plástica.
La ecuación para calcular el esfuerzo de flexión
es la siguiente:
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CÁLCULO DEL MOMENTO AXIAL DE
INERCIA DEL TUBO A DOBLAR
Para calcular el momento axial de inercia se tiene
la siguiente ecuación:
22
4
0,049 (6,35) (6,05)
14,02
I
I cm
Para el cálculo de la distancia desde el eje neutro
hasta el punto donde de aplicación del esfuerzo se
aplica la siguiente ecuación:
2,54
2
3,175
C
C cm
Para el cálculo de la fuerza de doblez, se utilizan
las características del material del tubo a doblar.
En este caso, el acero requerido es el A36, el cual
tiene un esfuerzo de fluencia de aproximadamente
250 Mpa con lo cual:
22
22
42
4
0,78 (6,35) (6,05)
2,9 10
A De Di
A
A x m
46
.
2,9 10 250 10
72500 N
FA
F x x
F
La barra tiene una distancia entre los apoyos de 20
cm y su longitud es de 1,30 m aproximadamente,
para el cálculo respectivo se aplica:
. L
72500 .130
9425000
942,5
par
par
par
par
MF
M N cm
M Ncm
M Pa
.
72500 . 20
1450000
145
flexion
flexion
flexion
flexion
M F L
M N cm
M N cm
M MPa
Reemplazando en la primera fórmula obtenemos:
MC
σ=
I
2
(1450000)(3,175)
14,2
328370,1854
3,28
N
cm
GPa
Ahora se determina el esfuerzo cortante
max
max
1.5
0,375
V
A
GPa
Se define el esfuerzo mediante la formula
22
max max
22
3
3,28 3 0,375
10,7584 0,421875
3,34
VM
VM
VM
VM
GPa
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El formado de metales comprende un grupo
amplio de procesos o métodos de manufactura,
mediante los cuales se puede dar la forma deseada
a una pieza de material, sin cambiar su masa o
composición química. Existen varios criterios
técnicos para clasificar los procesos de
conformado. Los utilizados con mayor frecuencia
son los siguientes: 1) por la temperatura a la que
se realizan, 2) por el tamaño de la materia prima y
3) por los tipos de esfuerzos empleados para dar
forma al metal (Lange, 2014).
De acuerdo a la temperatura los procesos se
clasifican en: a) formado en caliente, b) formado
en frío, y c) formado en tibio; esta última
categoría de desarrollo es relativamente reciente,
incluye los procesos de conformado de aceros que
se realizan a una temperatura intermedia entre
caliente y frío. (Vázquez, 2015). Los procesos de
deformación en frío son generalmente realizados
a temperatura ambiente, el límite superior de
temperatura para el caso de aceros bajo carbono
es de 200 °C, arriba de esta temperatura hace su
aparición la fragilidad debida al envejecimiento.
En los procesos de deformación en frío, el
metal endurece por deformación, y por eso es
necesario aplicar una fuerza mayor, por tanto, se
consume una mayor energía que en el
conformado en caliente. Este endurecimiento es
el resultado de la interacción de unas
dislocaciones con otras, o con obstáculos tales
como partículas de segunda fase, inclusiones,
límites de grano. A deformaciones pequeñas
se forman marañas de dislocaciones, al
aumentar la deformación las dislocaciones se
ordenan y forman celdas en el interior de
los granos cristalinos; las paredes de las
celdas están constituidas por concentraciones de
dislocaciones (Langford y Cohen,2015). La
densidad de dislocaciones de un metal deformado
en frío es del orden de 1013 cm2 (McQueen y
Jonás, 2015). Las celdas alcanzan un tamaño que
permanece constante al aumentar la deformación.
La estructura de los metales deformados consta
de granos cristalinos fuertemente alargados, que
contienen en su interior celdas equiaxiales es de
tamaño constante. Cuando el proceso es realizado
en frío, las formas producidas tienen una mayor
precisión dimensional, mejor acabado superficial
y mayor resistencia mecánica por endurecimiento
del material respecto de las obtenidas por
formado en caliente. (Vázquez, 2015).
Las curvas de esfuerzo deformación que
caracterizan a los materiales metálicos tienen un
tramo inicial de la curva que generalmente es
recto y da la información sobre el
comportamiento elástico del material, es decir,
entre la relación entre esfuerzos y deformaciones
cuando estas son recuperables. La pendiente del
tramo inicial de la curva, que se conoce como
módulo elástico o módulo de Young, es una
medida de la rigidez del material, es decir
de dos piezas idénticas pero fabricadas con
distintos materiales, aquella con mayor modulo
será la que presente menores de formaciones.
El límite elástico es la tensión mínima que hay
que aplicar para que aparezcan deformaciones
permanentes en el material. En la gran
mayoría de ocasiones las piezas se
calculan para que no sufran deformaciones
permanentes y en consecuencia se debe garantizar
que las tensiones que actúan no superen el límite
elástico. (Blázquez y Vicente 2014).
En el caso de los aceros de bajo contenido de
carbono luego de la zona elástica esta una zona de
transición (llamada de fluencia) se caracteriza por
un elevado esfuerzo inicial al que sigue una
importante disminución del mismo.
Seguidamente, la deformación continúa
aumentando sin que el esfuerzo aumente
significativamente, aunque con ciertas
oscilaciones hasta comenzar la zona de
deformación plástica. (Montes, Cuevas y Cintas,
2014). En nuestro caso lo que buscamos es
precisamente superar el límite elástico del
material e ingresar en la zona plástica para
lograr la cedencia del material y que este adquiera
la forma requerida. Dentro del conformado de
metales encontramos varios procesos de
manufactura que usan la deformación plástica
para cambiar la forma de las piezas metálicas.
Para realizar la deformación del tubo, se requiere
del uso de un dado, el cual, se utiliza para aplicar
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un esfuerzo que excede la resistencia a la fluencia
del metal. De esta manera, el metal se deforma
tomando la forma determinada por la geometría
del dado. Por lo expuesto, este artículo tiene como
objetivo analizar los niveles de deformación en
los tubos de acero, validando estudio a través de
la hipótesis del conformado mecánico.
Cuando hablamos de doblar un tubo es obvio que
debemos de utilizar una máquina dobladora de
tubo para realizar dicho procedimiento, ahora
bien, en el doblado del tubo se habla de un
proceso de conformación en frío el cual que
produce una curva permanente de acuerdo con la
forma de una matriz, conservando al mismo
tiempo la forma de la sección transversal del
caño, ya esta sea redondeada, cuadrada,
rectangular o extrudida.
En la dobladora de tubos utiliza un cilindro
hidráulico para doblar tubos de acero de grosor
considerable. La fuerza necesaria para doblar los
tubos es de 40.000 N en los 500 mm en los que el
cilindro desplaza la matriz curva. El proceso de
doblado debe durar 12 segundos para conseguir
un rendimiento óptimo respecto a las propiedades
del tubo doblado y la productividad de la
máquina.
Actualmente disponemos de una gran variedad de
máquinas dobladoras de tubo que varían desde
tamaños pequeños de banco o con trípode, las
cuales son operados manualmente o a pedal, hasta
sofisticada maquinaria industrial completamente
automatizada que cuenta con control.
Procedimiento. - La matriz de doblado o de
flexión, es la que constituye el elemento principal
del proceso de doblado, ya que este
procedimiento es cuando se moldea el tubo con
un determinado radio de curvatura. La misma está
constituida por dos partes que poseen una
acanaladura central, cuya profundidad es
generalmente la mitad del diámetro del tubo.
Esas partes son:
La matriz de sujeción o de anclaje, como su
nombre lo indica es la que cumple la función de
sujetar el tubo y se emplea conjuntamente con la
matriz de doblado. Su longitud coincide con la
parte de sujeción de la matriz de doblado y
sostiene al tubo durante la flexión. Su tamaño
dependerá del tamaño del tubo y del radio de
doblado.
La matriz de presión o de seguimiento, tiene
como función ser la herramienta de contención
durante el doblado y su longitud depende del
grado de flexión y del radio de la línea media. La
misma proporciona una presión constante sobre el
tubo y lo sigue a lo largo de todo el proceso de
doblado.
Ahora bien los dos elementos que les
nombraremos a continuación no se
encuentran presentes en todas las dobladoras de
tubo, particularmente las más antiguas, las de
tamaño pequeño o las de accionamiento manual,
pero es bueno acotar que las máquinas que los
incorporan logran mucha mejor precisión y
calidad del producto terminado.
El mandril, cuando hablamos de él nos referimos
al elemento que proporciona apoyo en el interior
del tubo. Su forma y el material con el que está
construido dependen del diámetro exterior y del
espesor de pared del tubo. Su función principal es
la de evitar que el tubo sufra deformaciones o
arrugas.
La matriz de deslizamiento tiene como función
principal evitar la aparición de arrugas en el tubo
durante el proceso de doblado por esto trabaja
conjuntamente con el mandril y se hace necesaria
cuando la resistencia del tubo a la compresión es
muy alta. Al igual que el mandril, esta pieza se
encuentra en un estado de constante fricción con
el tubo, por lo que debe ser lubricada
frecuentemente.
Este documento de investigación es una guía de
formato o plantilla que puede compararse con
otras versiones técnicas de maquinaria hidráulica
semejantes.
Para la comprobación de las características de la
maquina se tomaron medidas de velocidad de
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doblado, y del estiramiento del material, además
de verificar la calidad de doblado.
Los resultados se muestran en las tablas I y II.
TABLA III
Tiempos de doblado
TABLA IV
Calidad del doblez
TUBOS DE ACERO
Los tubos de acero son la materia prima elemental
en la industria manufacturera; se usan para
ensamblar una gran cantidad de productos como
redes para la conducción de fluidos, energía y
telecomunicaciones, transporte de materiales
industriales, fabricación de maquinaria y
aplicaciones en el medio urbano como estructuras
de techos, escaleras, pasamanos y carrocerías, entre
otros usos.
CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TUBERÍA
ESTRUCTURAL
Los perfiles de tubería estructural se fabrican con
acero laminado en caliente (HR) de bajo contenido
de carbono, alta soldabilidad y ductilidad, según
normas ASTM A513 o cualquier otro acero
equivalente.
Proceso de producción. Los perfiles estructurales
se fabrican partiendo de bandas de acero laminado
en caliente, que al pasar por una serie de rodillos
sufren un proceso de formado en frío dando la
geometría de cada perfil (circular, cuadrado o
rectangular). Para el caso de los perfiles tubulares,
el cerrado se hace mediante soldadura por
resistencia eléctrica.
Especificaciones de la tubería circular. Las
propiedades mecánicas de los materiales como el
módulo de elasticidad, la resistencia máxima a la
tensión y el porcentaje de elongación, entre otras,
son determinantes al momento de elegir entre un
material u otro. Los valores de las propiedades
mecánicas para perfiles circulares en acero
estructural que se pueden obtener de la norma
ASTM A513 o NTC 2842
Fuente: (Norma ASTM A513, p. 972)
El diámetro y el espesor también son
características de gran importancia a la hora de
seleccionar un tubo. Este tipo de tubería se fabrica
según normas ASTM A 513, 10 NTC 2842 u otra
equivalente.
FUNDAMENTOS DEL DOBLADO DE
METALES
El doblado de metales es un proceso que ocurre al
aplicarle a un metal de superficie recta esfuerzos
superiores al límite elástico o punto de cedencia,
en una dirección diferente al eje neutral del
material, así se consigue una deformación plástica
permanente en forma de curva. (DOYLE, 1980, p.
336) A pesar de esto, el metal al cual se le haya
aplicado un esfuerzo más allá del límite elástico
es capaz de manifestar cierta cantidad de
recuperación elástica. Si se hace un doblez hasta
cierto ángulo puede esperarse que regrese hasta
un ángulo un poco menor cuando se deja libre el
material. Este retroceso es mayor a 12 para radios
más pequeños, materiales más gruesos, ángulos
de doblez más grandes y materiales endurecidos.
Por lo general se devuelven entre 2º y 4º. Al
realizar dobleces en los metales es recomendable
realizar el trabajo en frío, a temperatura ambiente
evitando calentar el material, aunque esto puede
incrementar su plasticidad, al aumentar la
temperatura se afecta la estructura interna del
elemento, cristalizándolo, lo que causa una
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40
disminución de la resistencia mecánica de éste. Al
deformar un metal en frío a medida que aumenta
el trabajo se requiere más fuerza y la dureza del
material se incrementa, sin embargo, se debe
tener especial cuidado en no sobrepasar el
esfuerzo de ruptura del material porque a partir de
este esfuerzo el metal se rompe. Figura 2.
Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para el
acero Fuente: (HIBBELER, 1997, p. 88) 13 2.4
DOBLADO DE TUBOS
Los materiales de formas y paredes delgadas
como la tubería podrían unirse en sus esquinas
por medio de uniones comerciales como codos o
por soldadura, pero resulta más económico y
confiable el proceso de doblado. Los tubos se
doblan por métodos que buscan no aplastarlos ni
deformarlos en la sección de la curvatura. El radio
de doblado se define como el radio de curvatura
del eje neutral del tubo. Hace referencia a los
grados existentes entre el eje neutral de cada uno
de los extremos libres de la curva de tubería. El
diámetro interior y exterior del tubo, el espesor de
pared nominal y el eje neutral son características
del tubo seleccionado como materia prima. El
ángulo y radio de doblado dependen de los
requerimientos de lo que se está fabricando. La
pared interior y exterior en el área de la curva
dependen del ángulo y radio generados, además,
del proceso y máquina de doblado utilizada.
Términos en el doblado de un tubo Fuente:
(DOBLATUBOS, 2008)
RADIO DE CURVATURA MÍNIMO
La calidad de las curvas obtenidas al doblar un
tubo depende en gran parte de la relación que
existe entre el diámetro exterior del tubo a doblar,
(Øe), y el radio de curvatura obtenido después de
doblar el tubo, (Rc). Esta relación se conoce como
factor de curvatura (Fc). e Rc Fc φ = Por medio
del factor de curvatura es posible determinar el
radio mínimo de curvatura que se le puede dar al
tubo con el fin de que este no presente
achataduras, arrugas ni grietas. Valores de Fc
entre 1 y 2, indican que el doblez es de alta
dificultad, por lo tanto, es necesario calentar el
tubo o utilizar elementos de relleno como
mandriles, resina, alquitrán o arena seca para
evitar que se produzcan defectos de calidad. El
valor recomendado del factor de curvatura está en
un rango de 2.5 a 3.5, en el cual el doblez se
considera simple. En la tabla 4 se muestran
diferentes diámetros de tubería, con sus
respectivos espesores y radios de curvatura para
un factor de curvatura Radio mínimo de curvatura
para tubos de diferentes diámetros y espesores
con Fc = 3 Ø Nominal Tubo (in) Ø Real Tubo
(mm) Espesor de pared (mm) Radio mínimo de
curvatura (mm) Radio mínimo de curvatura (in)
0.5 20,63 2,5 61,9 2,4 0.75 25,05 2,5 75,2 3,0 1
32,64 2,5 97,9 3,9 1.25 42,16 2,5 126,5 5,0 1.5
48,26 2,5 144,8 5,7 2 59,24 2,5 177,7 7,0
Fuente: (Elaboración propia)
2.6 TÉCNICAS DE DOBLADO DE TUBOS
Las técnicas usadas comúnmente para doblar
tubos son: doblado por estiramiento, doblado a
tracción, doblado por compresión, doblado en
prensa, doblado por rodillos y extrusión por
rodillos.
2.6.1 Doblado por estiramiento.
Se fija el tubo con mordazas contra un bloque o
dado formador que gira y tira del metal
amoldándolo contra el doblez. La pieza de trabajo
que entra en el doblador recibe apoyo mediante
una barra de presión. Este método es muy
utilizado para trabajo con tubos de pared delgada
y para radios de doblados pequeños 4. Este
proceso se muestra en la figura 4. 4 DOYLE,
Lawrence. Proceso de manufactura y materiales
para ingenieros. México D.F.: Diana, 1980. p.
338. 16 figura 4. Doblado por estiramiento
Fuente: (DOYLE, 1980, p. 339)
En algunas ocasiones se inserta un mandril,
herramienta usada para apoyar el interior del tubo
y así mejorar la calidad de la curva, reduciendo al
mínimo cualquier aplanado, y para ayudar a
controlar el arrugado durante el ciclo de doblado.
Los mandriles utilizados comúnmente son esferas,
cable, laminadoras o arena. El radio de curvatura
máximo utilizando este método es de 180 grados.
2.6.2 Doblado a tracción.
Revista Nexos Científicos ISSN: 2773-7489
Enero –Junio 2020 pp. 31-42 Correo: editor@istvidanueva.edu.ec
Volumen 4, Número 1 URL: http://nexoscientificos.vidanueva.edu.ec/index.php/ojs/index
Fecha de recepción: marzo 2020 Fecha de aceptación: mayo 2020
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El tubo se tracciona desde ambos extremos
mientras se dobla sobre un bloque formador, esta
técnica está limitada a dobleces de radio grandes,
pero es apropiado para curvas que no son
circulares 5. En la figura 5 se muestra un esquema
del doblado a tracción. 5 DOYLE, Op. Cit., p.
338 17 Figura 5. Doblado a tracción Fuente:
(DOYLE, 1990, p. 339)
2.6.3 Doblado por compresión.
El tubo de trabajo se fija con una mordaza y se le
obliga envolverse en torno a un dado formador
fijo usando una mordaza deslizante. Esta técnica
permite hacer series de dobleces que casi no dejan
espacios libres entre ellos 6. Ver figura 6. 6
DOYLE, Op. Cit., p. 338 18 Figura 6. Doblado
por compresión Fuente: (DOYLE, 1980, p. 339)
2.6.4 Doblado en prensa o por flexión pura.
Se crea una curva presionando un dado formador
sobre el tubo en un movimiento. El tubo es
soportado por un par de dados separados, que
rotan a medida que el conformador se mueve
hacia el centro empujando el tubo. Este
movimiento envuelve el tubo alrededor del
conformador, permitiendo que los dados de los
extremos apoyen el tubo en cada lado. Este
proceso es muy rápido y es excelente para altas
producciones. Sin embargo, se deben cambiar los
dados o la distribución de los mismos para
generar diferentes variedades de curvas. El radio
de curva máximo es 110 grados.
IV. CONCLUSIONES
El sistema eléctrico, el sistema hidráulico y la
tornillería de la máquina dobladora están
compuestos totalmente por partes comerciales,
permitiendo que en posibles fallas o
mantenimientos de la máquina se puedan realizar
cambios de repuestos de una manera ágil. Los
pasadores y ejes de la máquina fueron diseñados y
mecanizados en materiales y dimensiones de fácil
adquisición en el mercado, por lo que si se
necesitara el reemplazo de alguno de estos
componentes se lo puede adquirir fácilmente,
alargando de esta manera la vida útil de la
máquina.
El objetivo de fabricar una dobladora de tubos, es
obtener un mayor rendimiento en la curvatura
permanente por deformación plástica en frio de la
tubería redonda de acuerdo a la forma y medidas
de una matriz de doblado que asociada a una
matriz de sujeción y un mandril de doblado
permiten curvaturas limpias y con poca
deformación por el arrastre del tubo en el proceso.
Con el diseño realizado para la máquina dobladora
de tubería redonda, los resultados de las curvaturas,
de la velocidad de trabajo y la calidad de doblado
son consistentes con los resultados obtenidos en
otras investigaciones como los obtenidos por
Ortega 2016.
Dependiendo del espesor de la célula del tubo, es
posible calibrar la máquina para obtener mayor
velocidad en la curvatura, sin que el tubo sufra
deformaciones exteriores importantes o quiebres
internos independientemente de que sea un tubo
laminado con o sin costura.
Las ecuaciones descritas permiten establecer la
elongación del material, la deformación interna y
externa de las paredes del tubo, el ovalamiento del
tubo, el cálculo de la longitud inicial de la curva de
doblado, así como el momento flector de doblado,
ángulo y radio de compensación de la recuperación
elástica y la formación de arrugas, de acuerdo a la
magnitud de la carga axial. En el proceso de
doblado de tubos interviene también el
adiestramiento del operario para la inspección
visual de las características de la tubería estándar
con una célula de 2,5 mm, que entre otras, es
posible observar las curvaturas de 30° con una
deformación mínima en el inicio de la curvatura,
para 60° la deformación interna se acresenta, pero
no se visualiza quiebres u ovalamientos
importantes, esto se repite con las curvaturas de
90°,para curvar a 180° el ovalamiento y el
estiramiento exterior se visualiza mejor, pero se
establece también que por la deformación interna
por compresión del doblez obtenido tiene mayor
resistencia.
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Como se puede apreciar en las tablas 1 y 2 las
curvas obtenidas en esta máquina dobladora de
tubería tienen una buena calidad, no presentan
arrugas, grietas ni ovalamientos significativos; por
lo que satisfacen las necesidades para sus
principales usos como estructuras de techo,
escaleras, pasamanos, carpintería metálica entre
otras aplicaciones. La dobladora de tubos está
diseñada para curvar tubería estándar de hasta 2,5
mm de célula, motivo por el cual no se debe
exceder los 23MPa y una velocidad de curvatura
de 25- 30 m/min y para tubería de menos de 1mm
de célula no debe exceder de 20-25 m/min. Los
datos son de gran importancia porque tiene una
base ensayo-error que genera mayor experiencia
práctica al operador. El diseño de la máquina
permite que sea posible adaptar nuevas matrices
para diferentes diámetros menores a 2 pulgadas de
diámetro, además es posible experimentar con
materiales más dúctiles como lo son aluminio,
cobre o con aceros inoxidables.
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