Tubo de estirado con un espesor de pared variable

Si bien estirar el tubo para cambiar sus dimensiones no es nada nuevo, estirar con un mandril dinámico estrictamente controlado es una tecnología única que puede impartir un espesor de pared variable.

Nota del editor: este artículo cubre un proceso específico de estirado de tubos. Para obtener una descripción general del dibujo, consulte "Principios de dibujo de tubos".

Dibujar un tubo en un banco de dibujo no es nada nuevo. Ya sea que el banco use un carro tirado por una cadena o use un sistema hidráulico para operar el carro de tracción, el proceso puede cambiar el diámetro exterior, el diámetro interior y el grosor de la pared del tubo. El dibujo también puede mejorar el acabado de la superficie e incluso refinar la estructura del grano.

El proceso de estirado más simple, el hundimiento, reduce el DE y el DI y puede cambiar el espesor de la pared, según el diseño del troquel y la relación D/t del tubo. Un operador de equipo utiliza un proceso de apuntado para reducir el diámetro exterior del tubo en un extremo, luego alimenta el extremo puntiagudo a través de la matriz. A partir de ahí, el banco de estirado hace el resto, tirando de toda la longitud del tubo a través de la matriz.

"La tubería estirada ha existido durante cien años", dijo Paul Russo, presidente y copropietario de George A. Mitchell Co. "El estirado con un mandril flotante, semiflotante o completamente flotante, también ha existido durante muchos años". Otros procesos de dibujo comunes utilizan mandriles fijos. El mandril, a veces llamado tapón de mandril, se inserta dentro del tubo puntiagudo, se avanza hasta que se acerca al cojinete del dado y se asienta en una posición estacionaria al comienzo del sorteo.

Si bien estos procesos son más que adecuados para muchas aplicaciones de dibujo, los ingenieros de George A. Mitchell Co. vieron una manera de idear una variación del proceso de dibujo convencional. Este proceso innovador consiste en mover el mandril para variar el DI a medida que se tira del tubo.

Aunque muchos productos están hechos de material con un espesor de pared constante, ya sea placa, lámina, tubería, tubo o perfil, muchos productos también se beneficiarían de tener un espesor de pared variable. El uso del material de menor calibre para la mayor parte de un producto y el material más pesado solo donde se necesita (para resistencia, para soldar a otra pieza de trabajo, para roscar o para alguna otra característica de diseño) optimizaría el consumo de material y el peso del producto.

Para variar el DI de un tubo, los ingenieros de Mitchell idearon un mandril en una varilla de mandril programada para movimiento dinámico. El troquel tiene un ángulo incluido y un rodamiento recto, mientras que el mandril tiene un cono de diseño crítico. El movimiento del mandril se controla con precisión durante el proceso de estirado y el resultado es un tubo hecho a la medida para su aplicación: un tubo con un grosor de pared variable.

"Mover un mandril no es nada nuevo", dijo Russo. "El control de la posición estática de un mandril, por ejemplo, para compensar el desgaste, se ha realizado durante mucho tiempo a través de dispositivos de ajuste de tornillo de mandril".

Aunque esta tecnología tiene potencial en innumerables aplicaciones, el personal de Mitchell ha encontrado el mayor uso en la industria automotriz.

Si bien estirar el tubo para cambiar sus dimensiones no es nada nuevo, estirar con un mandril dinámico estrictamente controlado es una tecnología única que puede impartir un espesor de pared variable.

"Muchos autos deportivos tienen ejes de transmisión tubulares de aluminio", dijo Russo. "Quitar el peso a lo largo del tubo ayuda a reducir el peso del vehículo, y esta tecnología puede engrosarlo en los extremos donde necesita fuerza para unirse a la transmisión y al diferencial", dijo.

El uso de un tubo de aluminio de paredes delgadas para un eje de transmisión puede sonar como una receta para el desastre, especialmente dado el torque que normalmente desarrolla un automóvil de alto rendimiento, pero no lo es.

"La rigidez proviene del diámetro mucho más que del grosor de la pared", dijo Russo. "El cálculo de la rigidez lleva el diámetro a la cuarta potencia".

Al menos un diseño de punta de aplastamiento automotriz usa un tubo estirado que tiene un espesor de pared variable. La punta de aplastamiento, también conocida como caja de choque, está ubicada entre el parachoques y el chasis para absorber parte de la energía de un impacto para que se transfiera menos energía a la cabina de pasajeros. Es como un amortiguador que funciona una sola vez.

Debido a que la punta aplastada se comprime en etapas, y la sección más delgada se arruga primero, proporciona una resistencia gradual y progresiva al impacto. A medida que las secciones más gruesas se comprimen, absorben cantidades cada vez mayores de energía. Aunque los impactos ocurren repentinamente, este tipo de punta aplastada se comprime de manera relativamente gradual.

El pensamiento detrás del diseño de esta punta de aplastamiento es algo sofisticado, pero esta tecnología hace que la solución sea simple y elegante. Y podría decirse que proporciona una mejor protección contra impactos que una punta aplastada con características homogéneas.

Los diseños de bicicletas también se benefician enormemente de esta variedad de tubos de pared variable especialmente fabricados. "Algunos cuadros de bicicleta compuestos se pesan en onzas", dijo Russo. "Los marcos de acero no son tan livianos, pero esta tecnología ayuda". Muchas bicicletas de montaña de alto rendimiento están hechas de AISI 4130, también conocido como cromo-molibdeno, que es ideal para carreras y otras aplicaciones que necesitan fuerza sin peso. Es un acero de calidad aeronáutica, de carbono medio y baja aleación que tiene algo de cromo y molibdeno para mayor resistencia. El reforzamiento en los extremos permite la unión a otros tubos mediante soldadura.

Las aplicaciones de esta tecnología van mucho más allá de la fabricación y van mucho más allá de la búsqueda de minerales preciosos, gemas, petróleo y gas natural. "Estos tubos tienen paredes delgadas a lo largo de su longitud y tienen paredes más gruesas en los extremos para roscas de ID y OD", dijo Russo.

"Algunas de las tuberías fabricadas con este método tuvieron que ir a un sitio [de perforación] exploratorio que, por su naturaleza, es remoto", dijo Russo. De hecho, era tan remoto que algunos de los materiales, como los tubos de perforación, se trajeron en helicóptero.

"Hacer que estos tubos sean lo más livianos posible hace que el paso del transporte sea más eficiente", dijo Russo. No se necesita una pequeña cantidad de combustible cada hora para mantener un helicóptero en el aire, y cargarlo con carga lo hace mucho más costoso aún. Los tubos más ligeros significan más por viaje.

Si bien estirar el tubo para cambiar sus dimensiones no es nada nuevo, estirar con un mandril dinámico estrictamente controlado es una tecnología única que puede impartir un espesor de pared variable.

Los tubos de pared variable pueden ser largos (el más largo que conoce Russo es de 33 pies) y los diseñadores de piezas tienen casi toda la libertad que tienen con los procesos de dibujo convencionales. El sistema de dibujo de mandril dinámico puede impartir identificaciones redondas u ovaladas, con solo una advertencia: la identificación debe ser simétrica en los ejes X e Y. Más allá de estos parámetros, el potencial para otras aplicaciones es ilimitado.

"La imaginación es el límite", dijo Russo.