Libérez le potentiel du formage automatisé des extrémités de tubes

Jan 07, 2024

Une machine de formage d'extrémité multiposte termine son cycle en formant un cordon fermé à l'extrémité d'un tube de cuivre.

Imaginez un flux de valeur dans lequel des tuyaux ou des tubes sont coupés et pliés. Dans une autre zone de l'usine, les bagues et autres pièces usinées sont traitées, puis envoyées à l'assemblage pour être brasées ou montées sur les extrémités des tubes. Imaginez maintenant le même flux de valeur, cette fois avec la formation finale. Dans ce cas, le formage des extrémités ne se contente pas d'élargir ou de réduire les diamètres des extrémités des tubes, mais crée également diverses autres formes, des rainures complexes aux bourrelets qui reproduisent les anneaux précédemment brasés en place.

Dans le domaine de la fabrication de tubes et de tuyaux, le formage des extrémités a évolué tranquillement, la technologie de fabrication introduisant deux niveaux d'automatisation dans le processus. Tout d'abord, les opérations peuvent combiner plusieurs étapes de formage d'extrémité de précision dans une enveloppe de travail, en fait, une configuration tout-en-un. Deuxièmement, un formage d'extrémité aussi complexe a été intégré à d'autres procédés de fabrication de tubes et de tuyaux, tels que le découpage et le pliage.

La plupart des applications impliquant un tel formage automatisé des extrémités concernent la fabrication de tubes de précision haut de gamme, généralement en cuivre, en aluminium ou en acier inoxydable, dans des industries telles que l'automobile et le CVC. Ici, le formage des extrémités élimine les connexions usinées conçues pour garantir une connexion sans fuite pour le flux d'air ou de fluide. Ces tubes ont généralement des diamètres extérieurs de 1,5 pouces ou moins.

Certaines des cellules automatisées les plus avancées commencent par un tube de petit diamètre livré en bobine. Il passe d'abord par une machine à dresser, après quoi il est coupé à longueur. Après cela, un robot ou un dispositif mécanique transporte le travail pour terminer le formage et le pliage. La séquence qui se produit dépend des exigences de l'application, y compris la distance entre le coude et la forme finale elle-même. Parfois, le robot peut transporter une seule pièce du formage d'extrémité au pliage et retour au formage d'extrémité, si l'application nécessite un tube avec des formes d'extrémité aux deux extrémités.

Rendre ces cellules encore plus productives est le nombre d'étapes de fabrication que certains systèmes de formage d'extrémité de tube haut de gamme peuvent intégrer. Certains systèmes transportent des tubes à travers jusqu'à huit stations de formage d'extrémité. Pour développer une telle configuration, il faut commencer par savoir ce que le formage moderne des extrémités peut accomplir.

Les outils de formage d'extrémité de précision se déclinent en plusieurs variétés. Les poinçons à piston, "l'outillage dur" de la formation d'extrémité de tube, réduisent ou élargissent une extrémité de tube à un diamètre souhaité. Les outils rotatifs peuvent chanfreiner ou faire face à un tube pour assurer une surface sans bavure et un processus cohérent. D'autres outils rotatifs effectuent un processus de laminage pour créer des rainures, des barbes et d'autres géométries (voir Figure 1).

Une séquence de formation d'extrémité peut commencer par un chanfreinage, qui fournit une surface propre et assure une longueur de suspension constante entre la pince et l'extrémité du tube. Ensuite, un poinçon exécute un processus de perlage (voir la figure 2), dilatant et comprimant le tube, forçant le matériau en excès à former un anneau autour du diamètre extérieur (OD). Selon la géométrie, d'autres poinçons de vérin peuvent insérer des barbes sur le diamètre extérieur du tube (ce qui peut aider à fixer les tuyaux au tube). Un outil rotatif peut rainurer une partie du diamètre extérieur, suivi d'un outil qui coupe les filets sur la surface.

La séquence exacte des outils et processus utilisés dépend de l'application. Et avec jusqu'à huit stations dans l'enveloppe de travail d'une machine de formage en bout, la séquence peut être assez longue. Par exemple, une série de poinçons forme progressivement un bourrelet sur l'extrémité du tube, un bélier dilatant l'extrémité du tube suivi de deux autres qui compriment l'extrémité pour créer le bourrelet. Réaliser l'opération en trois étapes peut, dans de nombreux cas, créer un cordon de meilleure qualité, et les systèmes de formation d'extrémités multipostes permettent de telles opérations progressives.

Un programme de formage des extrémités séquence l'opération pour une précision et une répétabilité optimales. Les dernières machines de formage d'extrémités entièrement électriques peuvent contrôler avec précision la position de son outillage. Mais à part le chanfreinage et le taraudage, la plupart des étapes de traitement de formage d'extrémité ne sont que cela : le formage. Comment les formes métalliques peuvent varier en fonction du type et de la qualité du matériau.

Considérez à nouveau le processus de perlage (voir Figure 3). Comme un ourlet fermé en tôle, un bourrelet fermé en formation d'extrémité n'a pas d'espace. Cela permet au poinçon de former ce cordon à un endroit précis. Le poinçon "estampe" en fait la perle à sa forme spécifique. Mais qu'en est-il des bourrelets ouverts, analogues aux ourlets ouverts en tôle ? Un espace au milieu du cordon pourrait, dans certaines applications, créer des problèmes de répétabilité, du moins s'il était formé de la même manière que le cordon fermé. Un poinçon peut former le cordon ouvert, mais comme rien ne supporte le cordon à partir du diamètre intérieur du tube (ID), une géométrie de cordon peut être légèrement différente de la suivante, une différence de tolérance qui peut ou non être acceptable.

FIGURE 1. Un outil rotatif forme des rainures autour d'un diamètre extérieur de tube, créant des barbes pour une connexion sécurisée du tuyau.

Dans la plupart des cas, la machine de formage d'extrémités multiposte peut adopter une approche différente. Un poinçon bélier élargit d'abord l'ID du tube, créant une préforme en forme de vague dans le matériau. Ensuite, un outil de forme d'extrémité à trois rouleaux, conçu avec la forme négative du cordon requis, serre autour du diamètre extérieur du tube et roule le cordon.

Les machines de formage d'extrémités de précision peuvent créer une variété de formes, y compris des formes asymétriques. Cela dit, la formation des extrémités a ses limites, et la plupart d'entre elles sont liées à la façon dont le matériau se forme. Les matériaux ne peuvent supporter qu'un certain pourcentage de déformation.

Les traitements thermiques de surface des poinçons varient selon le type de matériau pour lequel ils sont conçus. Leur conception et leurs traitements de surface tiennent compte des différents niveaux de frottement et d'autres variables de formation d'extrémité qui changent avec le matériau. Un poinçon à piston conçu pour emboutir un tube en acier inoxydable aura des caractéristiques différentes d'un poinçon conçu pour emboutir un tube en aluminium.

Différents matériaux nécessitent également différents types de lubrification. Les matériaux plus durs comme l'acier inoxydable peuvent utiliser une huile minérale plus épaisse, tandis que l'aluminium ou le cuivre peuvent utiliser une huile non toxique. Les méthodes d'application de lubrifiant varient également. Les processus de coupe rotative et de laminage utilisent souvent un brouillard tandis que la formation de bélier peut utiliser un lubrifiant d'inondation ou de brouillard. Certains poinçons ont de l'huile sortant directement du poinçon dans le diamètre intérieur du tube.

Les machines de formage d'extrémités multistations ont différents niveaux de puissance de vérin et de serrage. Toutes les autres variables étant égales, l'acier inoxydable à plus haute résistance nécessitera plus de serrage et de puissance de bélier qu'un aluminium doux.

Visualisez un gros plan de la formation d'extrémité de tube en action et vous pouvez voir la machine faire avancer le tube avant que la pince ne fixe le tube en place. Il est essentiel de maintenir une gueule de bois constante, c'est-à-dire la longueur du métal au-delà de la pince. Pour le tube droit, qui peut être déplacé jusqu'à une butée définie, le maintien de cette suspension est simple.

La situation change lorsque l'extrémité forme un tube préalablement plié (voir figure 4). Le processus de pliage peut allonger légèrement le tube, ce qui ajoute une autre variable dimensionnelle. Dans ces configurations, les outils de coupe orbitale et de surfaçage peuvent couper et finir l'extrémité du tube pour s'assurer qu'il est exactement là où il devrait être, selon le programme.

Cela soulève la question, pourquoi finir de former un tube après le pliage ? Cela a à voir avec l'outillage et le serrage. Dans de nombreux cas, la forme finale est placée très près du coude lui-même, ne laissant aucune section droite sur laquelle l'outillage de la machine de pliage peut se fixer pendant le cycle de pliage. Dans ces cas, il est beaucoup plus facile de plier le tube et de le transférer au formage final, où il est fixé dans une pince qui correspond au rayon de courbure. À partir de là, la machine de formage d'extrémité coupe le matériau en excès, puis crée les géométries d'extrémité requises (qui, encore une fois, finissent par être très proches du pli).

Dans d'autres cas, le formage d'extrémité avant le pliage peut entraîner des complications dans le processus d'étirage rotatif, en particulier lorsque la forme d'extrémité interfère avec l'outillage de pliage. Par exemple, le serrage d'un tube pour le cintrage peut finir par déformer la forme d'extrémité précédemment réalisée. La création d'une configuration de pliage qui n'endommagerait pas la géométrie de la forme finale finit par poser plus de problèmes qu'elle n'en vaut la peine. Dans ces cas, il est plus facile et plus économique de former le tube après cintrage.

Les cellules qui incorporent la formation d'extrémité peuvent impliquer une multitude d'autres processus de fabrication de tubes (voir la figure 5). Certains systèmes ont à la fois le pliage et le formage des extrémités, une combinaison courante compte tenu du lien entre les deux processus. Certaines applications commencent par la formation d'extrémités d'un tube droit, qui se dirige ensuite vers le cintrage par étirage rotatif pour former un rayon, puis retourne à la machine de formage d'extrémités pour travailler sur l'extrémité opposée du tube.

FIGURE 2. Une machine de formage d'extrémités à plusieurs stations a produit ces perles formées aux extrémités, avec un poinçon à piston dilatant le diamètre intérieur et un autre comprimant le matériau pour former la perle.

Dans ce cas, la séquence régit les variables de processus. Par exemple, étant donné que la deuxième opération de formage d'extrémité se produit après le pliage, une opération de coupe orbitale et de surfaçage dans la machine de formage d'extrémité assure une longueur de suspension constante et une forme d'extrémité de meilleure qualité. Plus le matériau est cohérent, plus le processus de formage final sera efficace et reproductible.

Quelle que soit la combinaison de processus d'une cellule automatisée, qu'il s'agisse simplement de cintrage et de formage d'extrémité ou d'une cellule qui commence avec le tube dans une bobine, la façon dont un tube progresse à travers les étapes dépend des exigences de l'application. Dans certains systèmes, le tube est alimenté directement à partir d'une bobine, à travers un système de nivellement dans les pinces d'une cintreuse rotative. Ces pinces fixent le tube lorsque le système de formage des extrémités se met en place. Une fois que le système de formation d'extrémités a terminé son cycle, la cintreuse à tirage rotatif commence. Après le pliage, un outil coupe la pièce terminée. Le système peut être conçu pour exécuter différents diamètres, avec des poinçons de vérin dédiés dans le moule d'extrémité et des outils empilés dans la cintreuse rotative à gauche et à droite.

Cependant, si l'application de cintrage nécessite un mandrin à bille dans l'ID du tube, la configuration ne fonctionnera pas puisque le tube introduit dans le processus de cintrage provient directement de la bobine. L'arrangement ne fonctionnerait pas non plus pour les tubes qui nécessitent des formes aux deux extrémités.

Dans ces cas, une cellule impliquant une combinaison de transfert mécanique et de robotique pourrait suffire. Par exemple, un tube pourrait être déroulé, nivelé, coupé, puis mis en scène pour qu'un robot place la pièce coupée dans une cintreuse à tirage rotatif, où un mandrin à bille pourrait être inséré pour empêcher la distorsion de la paroi du tube pendant le cintrage. De là, le robot pourrait transférer le tube plié vers le formeur d'extrémité. L'ordre des opérations peut varier, bien entendu, en fonction des exigences du poste.

De tels systèmes peuvent être mis en place pour une production en grande quantité ou de petites tailles de lots, traitant, par exemple, cinq pièces d'une forme, 10 d'une autre et 200 pièces d'une autre encore. La conception des machines peut également varier en fonction de la séquence des opérations, en particulier en ce qui concerne les pinces de positionnement et la fourniture du dégagement nécessaire pour diverses pièces (voir Figure 6). Par exemple, les pinces de positionnement dans le formage d'extrémité qui acceptent les tubes cintrés doivent avoir un dégagement suffisant pour que les tubes cintrés soient positionnés de manière cohérente.

Le bon séquençage peut permettre un fonctionnement simultané. Par exemple, un robot peut placer un tube dans une machine à former les extrémités ; puis, au fur et à mesure des cycles de finissage, le robot peut transporter un autre tube vers la cintreuse rotative.

Pour un système nouvellement installé, les programmeurs configureront des modèles pour la combinaison de tâches. Pour le formage des extrémités, cela peut impliquer des détails tels que la vitesse d'avance de la course du poinçon, le centre entre le poinçon et la pince ou le nombre de tours pour une opération de laminage. Une fois ces modèles configurés, cependant, la programmation est rapide et simple, les programmeurs ajustant la séquence et définissant initialement les paramètres en fonction de l'application en cours.

De tels systèmes sont également configurés pour être connectés dans un environnement Industrie 4.0, avec des outils de maintenance prédictive mesurant les températures des moteurs et d'autres détails, ainsi que la surveillance des machines (comme le nombre de pièces produites au cours d'une période donnée).

À l'horizon, la formation des extrémités ne deviendra que plus flexible. Encore une fois, le processus a des limites en ce qui concerne le pourcentage de déformation. Pourtant, rien n'empêche un ingénieur créatif de concevoir une configuration de formation d'extrémité unique. Dans certaines opérations, le poinçon bélier s'insère dans le diamètre intérieur du tube et dilate le tube contre la cavité à l'intérieur de la pince elle-même. Certains outils peuvent créer des formes d'extrémité qui s'étendent sur 45 degrés, ce qui donne une forme asymétrique.

La base de tout cela vient des capacités de la machine de formage d'extrémités multiposte. Lorsque l'opération peut être "réalisée en une seule fois", toutes sortes d'opportunités de formation des extrémités se présentent.