Tubo di trafilatura con spessore di parete variabile

Mentre trafilare un tubo per modificarne le dimensioni non è una novità, la trafilatura con un mandrino dinamico strettamente controllato è una tecnologia unica in grado di conferire uno spessore di parete variabile.

Nota dell'editore: questo articolo tratta uno specifico processo di trafilatura di tubi. Per una panoramica del disegno, vedere "Principi di disegno dei tubi".

Disegnare un tubo su un banco da trafila non è una novità. Sia che il banco utilizzi un carrello trainato da una catena o che utilizzi un sistema idraulico per azionare il carrello di traino, il processo può modificare il diametro esterno, il diametro interno e lo spessore della parete del tubo. La trafilatura può anche migliorare la finitura superficiale e persino affinare la struttura dei grani.

Il processo di trafilatura più semplice, l'affondamento, riduce il diametro esterno e il diametro interno e può modificare lo spessore della parete, a seconda del design della filiera e del rapporto D/t del tubo. Un operatore dell'apparecchiatura utilizza un processo di punta per ridurre il diametro esterno del tubo su un'estremità, quindi alimenta l'estremità appuntita attraverso lo stampo. Da lì, il banco di trafilatura fa il resto, facendo passare l'intera lunghezza del tubo attraverso la matrice.

"I tubi trafilati esistono da cento anni", ha affermato Paul Russo, presidente e comproprietario della George A. Mitchell Co. "Anche la trafilatura con un mandrino flottante, semiflottante o completamente flottante, esiste da molti anni." Altri processi di trafilatura comuni utilizzano mandrini fissi. Il mandrino, a volte chiamato tappo del mandrino, viene inserito all'interno del tubo appuntito, viene fatto avanzare fino ad avvicinarsi al cuscinetto della matrice e si posiziona in una posizione stazionaria all'inizio dell'estrazione.

Sebbene questi processi siano più che adeguati per molte applicazioni di disegno, gli ingegneri della George A. Mitchell Co. hanno visto un modo per ideare una variazione sul processo di disegno convenzionale. Questo processo innovativo prevede lo spostamento del mandrino per variare il diametro interno mentre il tubo viene tirato.

Sebbene molti prodotti siano realizzati con materiali con spessore di parete costante, che si tratti di piastre, lamiere, tubi, tubi o profili, molti prodotti trarrebbero vantaggio anche da uno spessore di parete variabile. L'utilizzo del materiale più leggero per gran parte di un prodotto e del materiale più pesante solo dove è necessario (per resistenza, per saldatura su un altro pezzo, per filettatura o per qualche altra caratteristica di progettazione) ottimizzerebbe il consumo di materiale e il peso del prodotto.

Per variare l'ID di un tubo, gli ingegneri di Mitchell hanno ideato un mandrino su un'asta del mandrino programmata per il movimento dinamico. La matrice ha un angolo incluso e un cuscinetto diritto, mentre il mandrino ha una conicità progettata in modo critico. Il movimento del mandrino viene controllato con precisione durante il processo di trafilatura e il risultato è un tubo realizzato su misura per la sua applicazione: un tubo con uno spessore di parete variabile.

"Spostare un mandrino non è una novità", ha detto Russo. "Il controllo della posizione statica di un mandrino, ad esempio per compensare l'usura, viene effettuato da molto tempo tramite dispositivi di regolazione della vite del mandrino."

Sebbene questa tecnologia abbia potenzialità in innumerevoli applicazioni, lo staff di Mitchell ha trovato il maggior utilizzo nel settore automobilistico.

Mentre trafilare un tubo per modificarne le dimensioni non è una novità, la trafilatura con un mandrino dinamico strettamente controllato è una tecnologia unica in grado di conferire uno spessore di parete variabile.

"Molte auto sportive hanno alberi motore tubolari in alluminio", ha detto Russo. "Eliminare il peso lungo la lunghezza del tubo aiuta a ridurre il peso del veicolo, e questa tecnologia può ispessirlo alle estremità dove ha bisogno di forza per attaccarsi alla trasmissione e al differenziale", ha detto.

L'uso di un tubo di alluminio a parete sottile per un albero motore potrebbe sembrare una ricetta per il disastro, soprattutto se si considera la coppia tipicamente sviluppata da un'automobile ad alte prestazioni, ma non lo è.

"La rigidità deriva dal diametro molto più che dallo spessore della parete", ha detto Russo. "Il calcolo della rigidezza porta il diametro alla quarta potenza."

Almeno un modello di punta di schiacciamento automobilistica utilizza un tubo trafilato che ha uno spessore di parete variabile. La punta schiacciata, nota anche come crash box, è posizionata tra il paraurti e il telaio per assorbire parte dell'energia di un impatto in modo che una quantità minore di tale energia venga trasferita all'abitacolo. È come un ammortizzatore che funziona una sola volta.