Desmitificando el doblado de extrusión de aluminio

El mercado de la fabricación está presionando por costos más bajos y menos peso, y las extrusiones de aluminio, que a menudo deben curvarse, satisfacen esa necesidad. Una extrusión bien diseñada que se curva de manera efectiva puede crear un vínculo continuo en una estructura y, en última instancia, generar menos problemas para el subcontratista de doblado, el fabricante y el cliente final.

Técnicamente hablando, se pueden doblar todos los tamaños de extrusiones, pero los pequeños talleres de doblado a menudo tienen un máximo de perfiles de 10 pulgadas de alto o 6 pulgadas de ancho. Cuando un fabricante busca un subcontratista de doblado, debe revisar la experiencia de la empresa con el doblado de extrusiones similares. Un especialista en doblado podría decir que ciertos atributos del trabajo son aceptables y otro podría decir que no lo son.

Se remonta a la experiencia específica de doblado por extrusión de una empresa y, no menos importante, a la tecnología que tiene el taller de doblado. Por ejemplo, si un taller dice que puede formar perfiles estructurales grandes, necesita una máquina dobladora con centros de ejes anchos.

Ya sea que esté pensando en subcontratar o realizar el trabajo internamente, un fabricante debe comenzar con dos preguntas básicas: ¿Qué atributos de diseño hacen que una extrusión sea fácil de doblar? y Si no se pueden hacer todas las adaptaciones de diseño, ¿cuáles son las opciones? Responder estas dos preguntas por adelantado, antes de que comience un proyecto de doblado por extrusión de aluminio, puede ayudar a un fabricante a evitar una gran cantidad de dolores de cabeza en el futuro.

Cuando se trata de formar extrusiones de aluminio, un ingeniero de diseño tiene mucho que considerar. Esto va más allá de los factores de costo típicos, incluido el peso y la aleación utilizada en la extrusión, que son consideraciones naturales para cualquier proyecto a gran escala.

Un ingeniero de diseño debe tener una idea básica de lo que hace que una extrusión sea flexible. El grosor de varias áreas de una extrusión afectará la capacidad de flexión de la sección. Lo mismo ocurre con la simetría. Muy a menudo, la necesidad de ahorrar dinero hace que una extrusión no se doble.

La aleación que elija el diseñador determinará no solo la resistencia de la extrusión, la resistencia a la corrosión, el peso y la durabilidad, sino también su capacidad de flexión. Como en cualquier situación de formación, algunos grados de aluminio extruido son más flexibles que otros.

La mayor parte del doblado por extrusión de aluminio involucra aleaciones de la serie 6000, ya que estos aluminios ofrecen buena resistencia y formabilidad. El temperamento ideal depende de la aplicación. T6 ofrece la mayor fuerza pero es el más difícil de formar (verFigura 1 ). Para radios más estrechos, menos de 10D (un radio de menos de 10 veces el diámetro), un diseñador debe considerar un temple máximo de T4. T0 ofrece la mejor conformabilidad pero tiene poca resistencia y es susceptible a daños durante el montaje y la operación. Un especialista en doblado puede enviar una sección formada para tratamiento térmico, envejeciendo artificialmente el perfil a un temperamento más alto, pero esto, por supuesto, agrega costos.

Los tratamientos de superficie y los requisitos de acabado también deben entrar en la ecuación. Por ejemplo, considere una extrusión anodizada, un tratamiento común para proteger el aluminio en entornos hostiles. Doblar la sección en un radio estrecho "agrietará" la superficie a medida que las microfisuras se extiendan por la capa anodizada, que carece de ductilidad. El agrietamiento ocurre en el área acumulada del recubrimiento anodizado y no en el sustrato. Para evitar esto, se debe realizar una operación de anodizado después del doblado.

Sin embargo, no siempre es necesario aplicar pintura o recubrimiento en polvo después del doblado (Figura 2 ). Se puede formar una sección pintada o con recubrimiento de polvo bien preparada sin marcas si el radio no es tan estrecho que está cerca del límite del perfil y la sección es relativamente simétrica.

Figura 1 La conformabilidad de los perfiles extruidos de aluminio de la serie 6000 varía según el temple. El 9 por 2,5 pulgadas. La pieza de trabajo con una pared de 1/16 de pulgada de espesor a la izquierda es un material T6, e incluso el perfil de doblez más leve formaba una ondulación. A la derecha, la misma pieza de trabajo, aunque con un temperamento flexible, se formó limpiamente a 34 pulgadas. radio. Este perfil se formó con éxito en una máquina con 44 pulgadas. centros.

La complejidad de la forma extruida también juega un papel. Hacer una forma más compleja puede reducir algunos costos, como los asociados con el ensamblaje, pero al mismo tiempo puede aumentar otros costos, incluidos los costos de plegado. Además, si la máquina dobladora y sus herramientas no pueden controlar de manera confiable el movimiento de una extrusión durante el doblado, el proceso se vuelve menos estable, más costoso y, a veces, poco práctico o directamente imposible.

El diseñador también debe pensar en cómo se utilizará la extrusión. Si ciertas caras de las secciones extruidas son visibles y cosméticamente críticas, el diseñador debe asegurarse de que estas caras se puedan formar sin marcas.

Muy a menudo, un pequeño cambio de diseño en una sección puede hacerla flexible, o al menos flexible al radio necesario. Al crear el perfil, los diseñadores deben tratar de mantener la mayor simetría posible en línea con el eje de plegado.

Cuando una sección es asimétrica, una fuerza de torsión (torsión) reacciona a la fuerza de flexión. Cuanto menos simetría tiene una sección, más severa se vuelve la fuerza de torsión durante la flexión. Esto crea problemas durante la flexión, ya que suele ser una fuerza menos predecible. Controlarlo generalmente significa aplicar presión a otro eje, lo que puede crear problemas adicionales.

figura 3 muestra secciones extruidas iniciales de un diseñador a la izquierda y, a la derecha, esos mismos diseños modificados para doblar a un radio más estrecho. Observe cómo la simetría y el soporte interno juegan un papel clave, al igual que tener una forma (como una brida lo suficientemente profunda) que las herramientas de plegado puedan agarrar de manera consistente. Por supuesto, no siempre es posible realizar este tipo de cambios en una forma extruida. En estos casos, siempre es buena idea buscar un especialista con más experiencia.

Las secciones huecas cuadradas pueden causar problemas de flexión por dos razones principales. En primer lugar, los diseñadores a menudo crean estas secciones con esquinas internas cuadradas, lo que puede causar grietas e incluso fracturas en materiales duros. Agregando muy poco costo, un diseñador simplemente puede redondear las esquinas y eliminar este punto de tensión.

En segundo lugar, es probable que la sección hueca se vuelva cóncava en la cara interior si el espesor de la pared no es el adecuado. Esto indica que la forma no puede manejar las fuerzas de flexión requeridas. Eso es porque las fuerzas durante la flexión actúan hacia el centro y hacia el eje neutral, que está en el medio de una sección simétrica.

Para contrarrestar esto, los diseñadores tienen varias opciones. Pueden aumentar el grosor de la pared, pero a menudo eso no es posible porque el costo es demasiado alto. Alternativamente, pueden agregar un refuerzo o una costilla en el plano de flexión, agregar un radio a las esquinas internas o hacer ambas cosas (verFigura 4 ). Agregar refuerzos y radios internos naturalmente aumenta el peso del perfil, pero esto puede ser aceptable para mejorar la calidad.

La asimetría es el enemigo de la flexión fácil, razón por la cual las secciones del canal pueden ser tan difíciles de formar (verFigura 5 ). Su forma severamente asimétrica sufre una gran fuerza de torsión durante la flexión y las piernas intentan moverse hacia el eje central. Alterar el diseño, a uno con una base que sea igual o un poco más ancha que las patas, ayudará a los especialistas en doblado a controlar un poco mejor la torsión.

Las secciones del canal a menudo tienen un propósito, como ser parte de un sistema de vías o transporte. La mayoría de los especialistas en doblado deberían poder formarlos correctamente, siempre que se especifiquen tolerancias en algunas áreas clave. Si un fabricante subcontrata el trabajo, debe enviar piezas o accesorios al especialista en doblado para asegurarse de que todo encaje como debe.

Figura 2Este perfil de aluminio prepintado se dobló sin marcar

Cualquier pedido de un especialista en conformado de aluminio debe indicar los requisitos que permitirían que la sección encajara o se moviera libremente dentro del ensamblaje como se diseñó. La orden también debe especificar la tolerancia de espacio (N.° 1 enFigura 6) para el carro o tobogán, así como una tolerancia de torsión (N° 2 en la Figura 6) que asegurará que el carro no golpee el perfil.

Considere la forma estructural de aluminio enFigura 7 , estando doblado en la dirección que muestra la flecha negra. Todas las patas están forzadas hacia el centro (como lo muestran las flechas rojas en la figura), una tendencia particularmente notable en las secciones de vigas estructurales.

Si se tratara de una viga de acero al carbono convencional, las alas se tirarían en la dirección opuesta, tensando el alma y, por lo tanto, manteniéndola plana. Sin embargo, esta técnica generalmente no es adecuada para el aluminio, por lo que entran en juego otras técnicas.

Idealmente, el diseñador cambia la forma del perfil o agrega características para permitir una formación sencilla. Pero en el mundo real, por supuesto, esto no siempre es posible, a menudo porque las funciones deseadas en una sección simplemente no permitirán ningún cambio significativo.

Una empresa de doblado podría tener una máquina dobladora de mandril de radio grande, que puede soportar la sección internamente durante el doblado. Pero este es un proceso especializado, y no muchas empresas poseen tales máquinas.

Otra solución es llenar el perfil; los materiales adecuados incluyen aleaciones de bajo punto de fusión; una carga soluble en agua de tipo cera; nailon flexible; y arena compactada para ayudar a sostener la forma. Cada material de relleno tiene sus ventajas y desventajas. Algunas de estas opciones por lo general son proporcionadas solo por grandes especialistas en doblado en un mercado en particular.

Las extrusiones de aluminio pueden tener características especiales que pueden simplificar en gran medida la fabricación y el montaje posteriores. Pero al agregar tales características, los diseñadores deben colocarlas con cuidado y considerar cómo esas características afectarán la flexión.

Los puertos para tornillos, una excelente idea para ahorrar tiempo al fijar las tapas de los extremos en los perfiles, son un buen ejemplo (verFigura 8 ). Si el diseñador los coloca perpendiculares al radio de curvatura, lo más probable es que estos puertos se muevan hacia la línea central, a menos que estén soportados internamente. Cuando se colocan en línea con el radio, los puertos ayudan a la flexión ya que tienen el efecto de una nervadura de refuerzo. Es esencial suministrar la tapa del extremo al especialista en doblado, que puede usarla como herramienta de control.

Las huellas de nueces son otro buen ejemplo. Estas características ayudan a unir las secciones extruidas. Son esencialmente un canal diseñado para encajar una tuerca o cabeza de perno firmemente entre los planos, evitando así que la cabeza de tuerca o perno gire.

Los diseñadores deben asegurarse de que la pista de la tuerca no esté en la línea de doblado, como se muestra a la izquierda enFigura 9 . Durante la flexión sobre un eje, las fuerzas deben poder transferirse fácilmente a través del perfil. Si es posible, siempre es mejor agregar un puerto de tornillo en un lado del perfil, como se muestra a la derecha en la Figura 9.

figura 3Las extrusiones de aluminio de la izquierda son diseños originales, mientras que las de la derecha son diseños modificados para doblarse a radios más estrechos.

Si la sección es algo simétrica, probablemente se pueda doblar hasta el final del perfil, eliminando la necesidad de cortar el remanente recto después del doblado. Si esto se puede hacer de manera eficiente y repetible se remonta al diseño de la extrusión.

Considere los análisis de elementos finitos (FEA) de las tres formas de perfil diferentes en la Figura 10. La extrusión de la izquierda es una sección tipo Z, y las áreas rojas (tensadas) muestran claramente áreas irregulares bajo fuerzas de flexión. El perfil medio es un ángulo, que también es asimétrico pero muestra menos tensión en un lado y, por lo tanto, menos fuerza de torsión. El perfil del extremo derecho es simétrico al eje de flexión y, por lo tanto, se dobla uniformemente hasta el final de la sección.

Es posible que una extrusión no se forme tan bien sin una buena planificación, y esos FEA ilustran un punto crítico: realmente se trata de controlar el estrés. Esto se aplica al diseñar no solo la forma general del perfil, sino también cualquier característica y revestimiento especial. En última instancia, cuanto menos estrés soporte una sección de aluminio extruido durante la flexión, mejores serán los resultados.

Craig Barnshaw es director gerente de Inductaflex Ltd., con sede en el Reino Unido, 44-333-939-8888, www.inductaflex.com, representada en EE. UU. por Trilogy Machinery, Belcamp, Md., 410-272-3600, www.trilogymachinery. com.