Cintrage de tubes et de tuyaux : types de méthodes, outillage et applications

Vous avez peut-être remarqué des structures tubulaires cintrées dans le système d'échappement de votre voiture ou de votre moto ; il s'agit d'une application typique du cintrage de tubes. Ce procédé permet de donner la forme souhaitée à des tubes en acier inoxydable, en acier au carbone, en fer, en aluminium, en cuivre, en laiton et en plusieurs autres matériaux. 

Plusieurs techniques de cintrage de tubes sont disponibles, à choisir en fonction du nombre de coudes souhaité et des autres spécifications de conception. Un haut degré de personnalisation est possible concernant les dimensions, la géométrie et la précision.

Les sections suivantes détailleront les différents tubes et méthodes de cintrage de tubes, l'outillage de cintrage de tubes, les considérations de conception, les applications et les calculs associés.

Principes fondamentaux du cintrage de tubes et de tuyaux 

Dans le domaine de la fabrication, les termes « cintrage de tubes » et « cintrage de tuyaux » sont souvent utilisés indifféremment ; la principale différence réside dans le niveau de précision et le contrôle de l’outillage. Le cintrage de tubes exige des tolérances plus strictes et un outillage de précision, tandis que le cintrage de tuyaux privilégie les grands rayons et le débit plutôt que les tolérances.

Principes de base du cintrage de tubes

Un tube ou un tuyau est une pièce cylindrique creuse définie par ligne centrale rayon, diamètre nominal, épaisseur de paroi et longueurIl est largement utilisé dans les systèmes de contrôle des fluides et parfois comme composant structurel. 

La déformation se produit au niveau de la paroi du tube. Lorsqu'une force de flexion est appliquée, le matériau proche de la paroi intérieure subit une compression, tandis que la surface extérieure s'étire. Ces phénomènes de compression et d'étirement influent sur les rayons de courbure intérieur et extérieur. 

Les concepteurs et les fabricants considèrent une ligne centrale (axe neutre) comme base pour les opérations de dessin, d'outillage et de formage. Vous pouvez en voir une illustration dans le schéma ci-dessous.

Illustration de flexion

Les variables de pliage (illustrées dans le schéma ci-dessus) permettent de déterminer le comportement du matériau lors de la déformation et les écarts dimensionnels potentiels. Par exemple, une légère erreur d'épaisseur compromet la précision du rayon de pliage, ce qui influe sur les performances et l'ajustement.

« Si vous souhaitez également en savoir plus sur les pièces en tôle pliée, consultez un article détaillé sur Pliage de tôle ici."

Types de méthodes de cintrage de tubes 

Pour le cintrage de tubes et de tuyaux, il existe quatre méthodes : le cintrage par roulage, le cintrage par étirage rotatif, le cintrage par compression et le cintrage par presse. Chaque méthode se distingue par son procédé de cintrage et ses applications spécifiques.

Discutons-en brièvement.

Pliage par tirage rotatif

cintrage de tubes par étirage rotatif

Ce procédé utilise une matrice de pression, une matrice de serrage, une matrice de pliage rotative, une matrice d'essuyage et un mandrin. La force de déformation est appliquée par la rotation de la matrice de pliage rotative. 

Les outils de cintrage de tubes pour les méthodes d'étirage rotatif sont :

• Matrice de serrage : Il maintient le tube afin que la matrice de cintrage puisse le cintrer selon son contour.
• Matrice d'essuie-glace : Il sert à compenser l'écart entre le coude et la matrice de pression, permettant ainsi au tube de bénéficier d'un meilleur support lors du tréfilage. 
• Matrice de pliage :  Il définit le profil de courbure ; le tube est cintré autour de ce profil.
• Matrice de pression : Il soutient la surface extérieure, et la matrice se déplace le long de la ligne de pliage tandis que la matrice de pliage rotative étire le tube.
• Mandrin: Un support solide à l'intérieur du tube/tuyau pour contrôler l'épaisseur de la paroi. 

Le cintrage par étirage rotatif est précis et répétable ; il est généralement utilisé pour les conduites hydrauliques, les arceaux de sécurité, les tubes d'instrumentation, les conduites de carburant des voitures et des motos, et les rampes. 

Appuyez sur le pliage 

cintrage par presse à tubes 

Le cintrage par presse, ou cintrage par vérin, consiste à presser des tubes ou des tuyaux fixes contre un rouleau mobile pour obtenir le profil de cintrage souhaité. C'est un procédé simple qui ne permet pas un contrôle précis de la forme et de la complexité, mais il est plus facile et économique à mettre en œuvre.

Vous pouvez choisir cette méthode si la conception ne comporte pas de profils de tubes complexes et que des tolérances serrées ne sont pas nécessaires ; plutôt si vous recherchez des solutions simples et économiques, par exemple le cintrage de tubes carrés et le cintrage de tubes épais et lourds. 

Cintrage du rouleau

Cintrage par rouleaux de tubes 

Elle permet de cintrer des tubes et des tuyaux avec des rayons de courbure importants, ce qui est utile dans la fabrication de pièces lourdes. Le système comprend trois rouleaux mécaniques disposés en pyramide. Le rayon de courbure est fixe et ajustable grâce au réglage de leur position. Lorsque le tube est introduit entre les deux rouleaux supérieurs et inférieurs, le rouleau supérieur exerce une pression sur le tube tandis que les deux rouleaux inférieurs le soutiennent. 

Choisissez la méthode de cintrage par roulage lorsque vous avez besoin de longues courbes amples avec de grands rayons de courbure, par exemple pour les conduits de CVC, les structures architecturales et les cadres de coque de navire. 

Flexion de compression 

Cintrage par compression de tubes

Une extrémité d'un tube ou d'un tuyau circulaire est fixée par une matrice fixe et un dispositif de serrage, tandis qu'une matrice de compression pousse le tube vers la matrice fixe depuis l'autre extrémité, formant ainsi l'angle et le rayon de courbure souhaités. Cette méthode est généralement privilégiée lorsque… ligne centrale Le rayon est supérieur à trois fois le diamètre extérieur.

Le cintrage par compression convient aux géométries de cintrage simples et est rentable pour les grands volumes, par exemple pour les rampes simples, les cadres de meubles et les conduits électriques. 

Considérations relatives à l'outillage de cintrage de tubes 

L'outillage influe directement sur la qualité, la précision, le coût et l'efficacité du processus de pliage. Une erreur mineure dans la conception des matrices ou autres accessoires d'outillage peut engendrer des défauts tels que l'épaississement des parois, le plissement, la déformation locale, voire la rupture du matériau. Ceci est particulièrement critique lors du processus d'emboutissage rotatif. 

Voici les principaux éléments à prendre en compte concernant l'outillage pour un cintrage de tubes efficace, précis et sans défaut.

• Dureté du mandrin : Choisissez le matériau et le niveau de dureté du mandrin en fonction du matériau du tube ; mandrin souple pour tubes durs et vice versa. 
• Croissance radiale : Pour les matériaux durs, définissez des rayons de courbure plus importants, généralement supérieurs à trois fois le diamètre extérieur. Cela permet aux outils de compenser les problèmes liés à la dilatation radiale.
• Matrice d'essuie-glace : Assurez-vous qu'il n'y a pas d'usure au point de contact de la matrice d'essuyage et positionnez-la selon un léger angle par rapport à la pièce à usiner. 
• Matrice de serrage : Une matrice de serrage trop courte peut provoquer des fissures ; sa longueur doit donc être égale à trois fois le diamètre extérieur du tube. 
• Lubrification: Utilisez des lubrifiants synthétiques non pétroliers dans l'espace entre le mandrin et la surface intérieure du tube. Cela réduit la friction lors du cintrage et prévient également le grippage.

Calculs de cintrage de tubes 

Similaire à calcul de pliage de tôleLe cintrage des tubes nécessite plusieurs calculs similaires, tels que le facteur k, la tolérance de cintrage, le retour élastique et d'autres variables.

Examinons la formule principale de cintrage des tubes et les principaux calculs. 

Retour élastique et facteur K

Le retour élastique correspond à la déviation par rapport à la ligne/au profil de pliage après relâchement de la force de pliage, due aux contraintes internes et aux propriétés élastiques du matériau. Il est donc conseillé de prévoir un angle de pliage supplémentaire de 2° à 10° pour compenser, en fonction du type de matériau, de l'épaisseur du tube et d'autres variables. Vous pouvez vous référer aux tableaux de retour élastique en pliage. 

De plus, le facteur K peut être calculé par la formule donnée : distance de la surface intérieure du tube à l'axe neutre divisée par l'épaisseur (d/t).

Rayon intérieur et extérieur

Le rayon intérieur correspond à la distance entre la surface interne du tube et son centre de courbure. Il influe sur la contrainte de compression ; un rayon intérieur trop petit peut entraîner un flambage du matériau. Le rayon extérieur, quant à lui, se mesure jusqu'à la surface externe du tube.

Les formules de cintrage des tubes pour les rayons intérieur et extérieur sont données ci-dessous.

Rayon intérieur (Ri) = Rayon de l'axe central (Rc) - Épaisseur (t)2

Rayon extérieur (Ro) = Rayon de l'axe central (Rc) + Épaisseur (t)2

Allocation de courbure

Il est nécessaire de déterminer le rayon de courbure de l'axe central avant de calculer la tolérance de cintrage. Pour le cintrage de tubes et de tuyaux, on privilégie la méthode de l'arc d'axe central, en prenant le milieu de la paroi comme référence.

Rayon de la ligne médiane (Rc) = Rayon intérieur (Ri) + Épaisseur (t)2  

Tolérance de pliage (BA) =  π​180 x Rc

Longueur de la ligne centrale plate = L1 + L2 + BA (L1 et L2 sont la longueur de deux branches du tube)

Allongement à la surface externe 

Lors du cintrage d'un tube, le matériau de sa surface extérieure s'étire. Quel est le pourcentage d'allongement exact ? Il peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

% d'allongement (E) =  t / 2Rc x 100

Comment cintrer des tubes en acier ? 

L'acier est un matériau couramment utilisé pour la fabrication de tubes en raison de sa résistance à la corrosion, de sa durabilité et de son bon compromis entre résistance et formabilité. Il est possible de cintrer les tubes en acier selon les méthodes décrites précédemment. Le cintrage rotatif est cependant la méthode la plus répandue.

Pour le cintrage de tubes en acier, privilégiez les matrices en acier à outils trempé. Pour les mandrins, optez pour de l'acier allié ou du bronze d'aluminium. Enfin, tenez compte de la nuance d'acier, de l'épaisseur de paroi et de la cintrage possible, notamment pour les grands rayons de courbure. 

Applications du cintrage de tubes et de tuyaux

Les tubes et tuyaux cintrés sont utilisés dans de nombreux secteurs, de l'électroménager à la construction en passant par les machines hydrauliques. Ils permettent la fabrication de tubes sur mesure pour une circulation optimale des fluides et des structures rigides. 

Examinons maintenant les applications du cintrage de tubes et de tuyaux dans les secteurs de l'automobile, de la construction, 

Automobile

• Avantages : Des conduits d'écoulement fluides, des joints durables, une conception légère et des vibrations minimales. 
• Exemples : Tuyaux d'échappement, conduites de carburant et hydrauliques, sous-châssis et colonne de direction. 

Industrie du pétrole et gaz 

• Avantages : Le cintrage de tubes permet de concevoir des structures compactes avec un minimum de soudures. 
• Exemples : Tuyaux d'alimentation pour les raccordements de raffinerie et de récipients sous pression

CVC industriel 

• Avantages : Installation facile, flux d'air efficace et faibles besoins d'entretien.
• Exemples : Tubes d'alimentation en réfrigérant, conduites de distribution, tuyauterie du serpentin. 

Médical 

• Avantages : Haute précision, surfaces internes intactes, aucun risque de fuite dû à la flexion, risque de contamination minimal. 
• Exemples : Tuyauterie pour instruments, conduites de fluides pour équipements de diagnostic, châssis pour chariots et meubles médicaux. 

Architecture et construction

• Avantages : Haute résistance mécanique, structures rigides et support pour des courbures précises.
• Exemples : Rambardes, façades esthétiques, éléments de structure tubulaire.

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résumer

Le cintrage de tubes est une étape cruciale dans la fabrication d'éléments structuraux et de systèmes d'écoulement de fluides. Grâce à une technique adaptée, il est possible de réaliser des structures tubulaires complexes comportant de multiples coudes. L'étirage rotatif est idéal pour les tubes à coudes multiples de haute précision, tandis que le cintrage par compression est plus approprié pour les tubes métalliques de géométrie simple et comportant un nombre réduit de coudes. 

Vous devez prendre en compte plusieurs facteurs d'outillage et effectuer des calculs de cintrage afin d'éviter l'amincissement des parois, les imprécisions du retour élastique et le plissement. Si vous recherchez des tubes et des matériaux de haute qualité, service de pliage de tôleProleanTech propose des solutions complètes, couvrant le retour d'information DFM, l'analyse par éléments finis (FEA), l'outillage, le pliage CNC, l'assemblage et le post-traitement.