El arte y la ciencia de doblar chapa metálica

Un soporte de motor. Un recinto resistente. Un soporte de 43,7°. El truco promedio requiere al menos una pieza metálica en ángulo, y la mejor herramienta para hacer una sigue siendo la buena plegadora. Doblar piezas requiere algunas reflexiones adicionales en el diseño y la disposición de los patrones planos, por lo que si desea obtener información sobre los márgenes de flexión, la deducción de flexión y cómo doblar piezas precisas incluso sin una prensa, siga leyendo.

Los métodos de doblado más comunes, pero seguramente no los únicos, son el doblado con aire y el doblado por fondo. Se pueden realizar en la misma plegadora y, por lo general, no requieren más de 25 toneladas de presión para uso general en talleres. Una plegadora también viene con un tope trasero manual o controlado por CNC que permite posicionar la línea de plegado con precisión. Al igual que todas las prensas, las plegadoras engañan un poco sobre su potencial de peligro. Parecen tranquilos y se mueven lentamente, pero en el momento en que su fuerza golpea el material, las cosas pueden suceder muy rápido.

Sin embargo, si no puede acceder a una plegadora, no está del todo sin suerte. Existen técnicas de ranurado, en las que el material se debilita en la línea de doblado lo suficiente como para realizar un bonito doblez en acero de hasta 1/4" usando nada más que un tornillo de banco.

Air Bending utiliza una herramienta de perforación y, a menudo, un troquel inferior en forma de V. El perfil del punzón define el radio de curvatura, mientras que la profundidad del trazo define el ángulo de curvatura. Dado que la profundidad de la carrera es ajustable en la máquina, el doblado por aire le permite doblar material en láminas en un ángulo arbitrario sin reemplazar las herramientas de troquel o punzonado. La apertura del troquel inferior debe elegirse adecuadamente dependiendo del espesor del material y el radio de curvatura, y una buena regla general es de 6 a 12 veces el espesor del material. Hacerlo garantizará buenos resultados y una larga vida útil de la herramienta. Sin embargo, rápidamente notarás que incluso los talleres profesionales usan su troquel inferior de 3/4" para casi cualquier cosa, así que eso es todo. Después de soltar el punzón, el material retrocederá un poco, lo que debe compensarse doblando demasiado el material. El doblado por aire no es excelente en términos de precisión angular, pero puede adaptarse a diferentes materiales, espesores de material y ángulos de doblado sin necesidad de cambiar herramientas.

Al igual que el doblado con aire, el fondo utiliza un punzón y un troquel inferior en forma de V. Sin embargo, el punzón presionará el material contra las superficies internas del troquel inferior, por lo que el ángulo de la herramienta inferior define el ángulo de plegado. Por lo tanto, el método requiere troqueles inferiores separados y reequipamiento para cada ángulo de flexión, así como una presión significativamente mayor. Sin embargo, es más preciso y tiene menos recuperación elástica que el doblado por aire. Lo que normalmente encontrará en un taller de uso general o en un espacio de fabricación es una prensa de freno equipada con un troquel inferior de 90° para doblar, y para cualquier ángulo de curvatura inferior a 90° se utilizará el mismo troquel para doblar con aire. Sin embargo, dado que tocar fondo implica mayores fuerzas, también es más importante utilizar las matrices adecuadas. Una regla general dice que 8 veces el espesor del material constituye una buena apertura del troquel inferior. Sin embargo, dado que la abertura geométricamente correcta también depende del radio de curvatura, existen mejores formas de calcular el ancho de la abertura.

Para definir la región de plegado y reducir la fuerza necesaria para doblar una pieza de chapa hasta algo que se pueda manejar sin una prensa de freno, se pueden cortar ranuras en la línea de plegado para debilitar selectivamente el material. Es similar al doblado por corte, pero menos endeble. El ranurado es una excelente técnica para obtener carcasas y marcos metálicos personalizados para pequeños proyectos robóticos e incluso grandes estructuras sin carga. Sin embargo, dado que obviamente debilita el material, es un no-no para piezas pesadas que soportan cargas y que dependen de la integridad estructural de la región doblada. Incluso existen métodos patentados que utilizan ciertos patrones de ranurado, e incluso si la idea detrás de ellos es bastante simple, pueden ser bastante ingeniosos.

Dependiendo del ángulo y radio de curvatura, el material en la zona de curvatura se deforma. Para conseguir las dimensiones finales de la pieza que buscamos debemos tener esto en cuenta previamente. La mayoría de las herramientas CAD profesionales, como Solidworks o Rhino, harán todos los cálculos de flexión por usted, pero desafortunadamente, muchas otras buenas herramientas, como Fusion 360, OpenSCAD o FreeCAD, requieren que obtenga complementos adicionales, utilice calculadoras en línea o Haz los cálculos a mano.

Comencemos suponiendo que desea construir un soporte de 90° a partir de una hoja de material infinitamente delgada o, para ser práctico, de una hoja de papel. Debido a que es tan delgado, en realidad no contiene ningún material, por lo que se doblará sin deformaciones del material. Para hacerlo aún más simple, elegimos un radio de curvatura de 0, lo que lo convierte en un pliegue. En este caso teórico, la longitud L de la tira que debemos recortar será la suma de los dos lados del soporte, A y B.

Si ahora añadimos un radio de curvatura, nuestro soporte ya no constará de dos lados rectos A y B, sino de dos catetos acortados, que llamaré a y b. Los catetos están conectados por un arco de longitud c. Hasta ahora, todo bien.

Para pensar en doblar una lámina de metal que tiene un espesor apreciable, concéntrese en una lámina central imaginaria, la llamada línea neutra o eje neutro, dentro del espesor. Esta línea neutra se comporta igual que la delgada lámina de arriba y permanece sin deformarse durante la flexión. Las únicas dos cosas que debemos tener en cuenta son que el espesor del material t compensa el radio de curvatura r' de la línea neutra en la mitad del espesor del material, y nuestras patas a y b se acortan un poco. Los materiales del mundo real como el acero y el aluminio no se comportan exactamente como esta línea central, pero el concepto de línea neutra sigue siendo útil para describirlos.

Como siempre, los materiales del mundo real no se comportan tan simplemente como nuestros modelos. Después de que el material haya adquirido su nueva forma entre las herramientas de acero endurecido de la prensa, esta línea neutral central quedará bastante estropeada por la interacción. Realmente no podemos conocer el curso de la línea neutra después de la curva sin un modelo detallado y bastante complejo de las características del material. Para facilitar las cosas, se puede utilizar una línea neutra imaginaria basada en una aproximación simplificada para predecir la longitud del patrón plano:

Para ello se introduce un factor de corrección k. El factor desplaza la pieza de línea neutra en la región de plegado desde su trayectoria central hasta que tenga la longitud de la región correspondiente del desarrollo. El factor k se determina empíricamente para un material, espesor del material, radio de curvatura y método de curvatura determinados. Refleja todas las distorsiones reales pero desconocidas en la región de curvatura.

Dado que el factor k depende de varios factores, se utilizan tablas de factores k determinados empíricamente para configuraciones determinadas. Usando el factor k, ahora podemos calcular el margen de curvatura "BA", que es la longitud del material plano que entra en la región de curvatura. Es simplemente la longitud del arco de la línea neutra "imaginaria" que ha sido compensada por el factor k:

Por supuesto, la aproximación es tan realista como el factor k utilizado, y tiene sentido mantener su propia tabla con valores k para los materiales con los que pretende trabajar. Sin embargo, los siguientes valores son un buen punto de partida:

Al ranurar chapa en el eje de pliegue, la densidad promedio del material en la región de pliegue disminuye. No existe una regla particular sobre cuánto se debe debilitar el material, pero como regla general, una densidad del 20 % para acero de hasta 1/8 ″ es una buena opción. Con una densidad del 20 %, el ancho del puente w es 1/4 de la longitud de la ranura s, como se muestra en el siguiente gráfico. Para el ancho del puente w, sugiero no bajar por debajo de 3/4 del espesor del material T.

Cuando se utilizan ranuras rectas, la región de curvatura en el patrón plano será tan ancha como el ancho de la ranura d, por lo que, para todos los efectos prácticos, el ancho de la ranura es igual al margen de curvatura en este caso. Dependiendo del radio de curvatura deseado, se puede calcular el ancho de la ranura:

Sin embargo, el radio no debe ser demasiado grande y, como regla general, debe estar por debajo de 2/3 del espesor del material.

Las ranuras pueden tener forma para controlar la curvatura de una manera más predecible e independiente del material. Si bien cortar ranuras no rectas en metal puede parecer trivial, todavía existen muchas patentes en este campo. Para uso educativo y proyectos de bricolaje, las patentes relacionadas de Industrial Origami Inc. pueden seguir siendo un gran recurso. Contienen todo un catálogo de patrones de ranuras diseñados de forma más inteligente, como la forma de una carita feliz, la bisagra autoindexable, una bisagra retorcida y otros métodos similares al origami.

La mayoría de los patrones están diseñados de manera que permiten que el material se autoindexe contra sí mismo después de realizar la curvatura. Por ejemplo, los puentes diagonales del patrón sonriente se acortarán a medida que se tuerzan al doblarlos, juntando efectivamente los dos lados planos de borde a borde, por lo que prácticamente no hay radio de curvatura ni margen de curvatura dependiente del material que tener en cuenta. Este método permite realizar curvaturas muy precisas con deformaciones insignificantes y piezas notablemente resistentes. La fórmula para el retroceso exterior aún se puede utilizar y, dado que el OSSB es puramente geométrico, no se requieren tablas de factor k.

Para obtener la longitud L de nuestro patrón plano, tenemos que conocer la longitud de nuestros catetos rectos, a y b. Por supuesto, si diseña una pieza usando CAD, puede simplemente leer las dimensiones desde su herramienta CAD. Sin embargo, en caso de que sólo tengas un dibujo técnico con sólo las dimensiones esenciales (o un boceto en una servilleta), tendrás que hacerlo manualmente.

La diferencia entre la longitud de un lado (A o B) de una curva y su cateto (a o b) se llama retroceso exterior u “OSSB”. Entonces las longitudes de los catetos se definen como:

a = A – OSSB

b = B – OSSB

En este punto, existen dos definiciones diferentes de las longitudes de los lados A y B que se usan comúnmente, y dependen del ángulo de curvatura. Para ángulos de curvatura inferiores a 90°, normalmente se definen como la longitud desde el vértice hasta el borde; para ángulos de curvatura superiores a 90°, normalmente se miden desde la tangente de la curvatura al borde. Para un ángulo de curvatura de 90°, esos dos son iguales. En todas las fórmulas y ejemplos se utilizan grados para el ángulo de curvatura α.

Para un ángulo de plegado α menor que 90° y, en general, cuando A y B se dimensionan desde el vértice hasta el borde, la fórmula para el retroceso exterior siempre depende del ángulo de plegado:

Para ángulos de plegado mayores a 90°, y en general, cuando A y B se dimensionan desde la tangente del plegado al borde, el retroceso exterior es independiente del ángulo de plegado:

A menos que esté sujeto a una determinada norma, aún puede dimensionar A y B desde el vértice hasta el borde y usar la primera fórmula, incluso si su ángulo de curvatura es mayor que 90°, siempre que sea menor que 180°. Aún así, para ángulos más grandes, esto resulta muy poco práctico, dado que el vértice se aleja mucho de la curva.

Finalmente, podemos juntar todo y calcular la longitud del plano L al que necesitamos cortar el metal juntando las piezas:

En la práctica, la longitud del plano es siempre más corta que la suma de A y B, por lo que todo lo anterior se puede condensar en la diferencia entre A + B y L, lo que se denomina deducción de curvatura "BD".

Por lo tanto, conociendo los conceptos básicos sobre los márgenes y deducciones de curvatura, debería poder construir su propio gabinete de acero personalizado, marco de robot o soporte de montaje utilizando una prensa de freno o el método de ranurado y un tornillo de banco. Y no es necesario tener una cortadora láser o de plasma para obtener formas personalizadas de acero inoxidable o aluminio. Los talleres locales y los servicios en línea estarán encantados de incorporar su diseño a su proceso de fabricación altamente automatizado e incluso pequeñas cantidades pueden resultar asequibles. Para redondear esto, disfrute del siguiente video de introducción a la plegadora de Dan Gelbart: