2º TREFILACIÓN 2013 FINAL.doc

Conformado de Metales I

CAPÍTULO II:

TREFILACIÓN

2.1 Introducción

El trefilado, es una operación de conformado por compresión indirecta donde la sección transversal de un material (lámina o platina, barra, varilla, alambre, o tubos) es forzado a fluir a través de la abertura de una matriz cónica, (hilera, dado o trefila), mediante una fuerza de tracción aplicada en el lado de salida. También podemos decir que el trefilado, consiste en disminuir la sección de un material haciéndolo pasar a través de dado previamente calibrado a la dimensión deseada, por efecto de una fuerza que produce la trefiladora y que tracciona en el lado de salida. Los materiales que mayormente utilizan esta técnica son acero, cobre, aluminio, pero puede aplicarse en general a cualquier aleación dúctil; como se muestra en la figura 2.1 y la figura 2.3:

La deformación por trefilado, se realiza en pasos sucesivos y generalmente el trabajo es en frío; aunque en menor escala se utiliza también la deformación en caliente para la fabricación de cables de acero o materiales de gran dureza y resistencia. El trefilado en frio, es utilizado en la fabricación de barras, alambres, tubos, perfiles, etc y otras formas deseadas de diferentes metales y aleaciones. Las empresas que utilizan este proceso son: Indeco, Prolansa, etc. En la figura 2.2, se muestra barras de latón de 1” pulgada de diámetro por 6 metros de longitud recién trefiladas y un rollo de alambrón de latón de ¼” de diámetro y de 300 kilogramos de peso, pero sin trefilar.

60


2.1.1 Efecto de la temperatura en una aleación deformada en frío.

La deformación en frio ocasiona variación en las propiedades mecánicas y

microestructurales de un metal o aleación. En la microestructura de la figura 2.4 (a), se

observan los granos equiaxiales libres de deformación y que conservan sus

propiedades mecánicas como son baja dureza, baja resistencia a la deformación y alta

ductilidad y que es posible trefilar; por el contrario, luego de trefilarse como indica en la

figura 2.4 (b), la microestructura se ha deformado tiene granos alargados no equiaxiales

con tensiones residuales internas, muestran una alta dureza y alta resistencia a la

deformación; pero una muy baja ductilidad que es imposible de seguir trefilando. como

se puede mostrar en la figura 2.4 siguiente:61


Es importante distinguir los efectos que tiene la temperatura en los materiales que han

sido trabajados en frío; el recocido por acción de la temperatura regenera las

características mecánicas disminuidas por la deformación plástica en frío. En el

recocido, se pueden notar tres regiones, en orden y a medida que la temperatura

asciende y son: la recuperación, la recristalización y el crecimiento de grano.

Recuperación.- En principio éste es un proceso a baja temperatura y los cambios

producidos en las propiedades no dan lugar a un cambio apreciable en la

microestructura. Con el microscopio electrónico podemos demostrar que los esfuerzos

se alivian en las regiones de mayor deslizamiento. Las dislocaciones se trasladan a

posiciones de menor energía, dando lugar a límites de subgranos en los granos

antiguos; este proceso se conoce como poligonización. La dureza y resistencia

eléctrica disminuye ligeramente. Se muestra en la figura 2.5.

Recristalización.- Cuando la temperatura aumenta por encima del rango de

recuperación, se presenta la recristalización. En esta gama de temperatura superior, la

formación de nuevos cristales libres de esfuerzo y equiaxiales conduce a una menor 62


resistencia y una mayor ductilidad. Existe una relación interesante entre la cantidad de

trabajo en frío previo y el tamaño del grano del material recristalizado. Con una cantidad

menor de trabajo en frío se presentan menos núcleos para los nuevos granos y el

tamaño del grano resultante es mayor. La resistencia y la ductilidad se modifican

aunque las inclusiones en los límites de los granos puedan prevenir completamente los

granos equiaxiales.; como se muestra en la figura 2.5 siguiente:

Crecimiento de granos.- A medida que la temperatura se eleva aún más, los granos

continúan su crecimiento. Esto se debe a que los granos grandes poseen una menor

área superficial por unidad de volumen. Se presentan menos átomos que abandonan

un área unitaria del límite de grano, más en un grano grande que en un grano pequeño,

porque los granos minimizan su área superficial. Por lo tanto, los granos grandes

crecen a expensas de los más pequeños. Debemos añadir que estos tres efectos

también dependen del tiempo. Estos efectos se resumen en la Figura 2. 5.

63


2.1.2 Características de las aleaciones de cobre con la deformación plástica.

a).- Tamaño de grano.- Tomando como ejemplo a los latones, se puede apreciar en la

tabla 2-1, la variación de sus características con la deformación plástica.

Tabla 2-1 Tamaño de grano del latón 70/30 trabajado en frío.Cobre, OFHC

Latón con 70 % de Cu, 30 %ZnLatón con 70% Cu, 30%Zn

Trabajo en frío anterior

Trabajado en frío anterior

30%

50%

80%

50%G.F.

50%G.G.

Resistencia a la tracción lb/pulg2x103

Elongación Porcentual en 2 pulg

Tamaño de grano mm

Inicial

30mm @

150 C

200 C

250 C

300 C

350 C

450 C

600 C

750 C

Tamaño final

del grano

86R

85

80

74

61

46

24

15

0.15

91R

H

90

88

75

54

40

22

17

0.12

95R

H

94

93

65

42

34

27

22

0.10

99Rx

101

102

103

82

66

50

38

20

0.08

97R

x

98

100

101

98

80

58

34

14

0.12

80

81

82

82

76

60

46

44

42

8

8

8

8

12

28

51

66

70

0,02 0.03

0.06 0.12

G.F.= Originalmente con grado fino; G.G.=originalmente con grano grueso; RH=escala Rockwell,

esfera de 1/8 de pulg. carga de 60 Kg; Rx=esfera de 1/16 de pulg, carga de 75 kg.

Fuente: Características de los latones, Conytec 1998.

b).- Designación de temple de aleaciones de cobre.La aleación al trabajarse en frío se endurece. La tabla 2-2 muestra los diferentes temples de trabajo en frío que se obtienen al aplicar este proceso en el material

64


recocido. El porcentaje de reducción para tiras (flejes) se basa en la diferencia de espesor, y para alambres en la diferencia de área. El recocido contra acritud se emplean para las operaciones de conformado a temperatura ambiente y se describen por el tamaño de grano o tamaño nominal de grano, expresado como diámetro de grano promedio en mm. La medición del tamaño de grano se ha estandarizado por la norma ASTM.

Tabla 2-2 Designaciones de temple dado por trabajado en frío.

DESCRIPCIÓN

Porcentaje de reducción trabajo en fríoDE REDUCCION APROXIMADA MEDIANTE TRABAJOEN FRIO

aproximada mediante

Tira Alambre

Un cuarto de Dureza

Media Dureza

Tres cuartos de Dureza

Duro

Extra Duro

Resorte

Extra Resorte

10,9

20,7

29,4

37,1

50,0

60,5

68,7

20,7

37,1

50,0

60,5

75,0

84,4

90,2

Referencia: Metals Handbook Edic. 1961 pag. 1006 ASM.

El tamaño de grano más adecuado para una aplicación específica depende del espesor

del metal, la profundidad del estirado y el tipo de superficie requerido después del

trefilado. En la tabla 2-3 se muestra el tamaño de grano recomendado.

Tabla 2-3: Tamaño de grano que más se emplean.Tamaño de grano

mmRecomendado para:

0,015

0,025

0,035

0,050

0,10

Ligeras operaciones de conformado; Pulido óptimo.Fácil estiramiento, buen pulido.

Buen estiramiento y pulido.

Difícil estiramiento y pesadoenrrollamiento.Estirado severo.

REFERENCIA: Introducción a la Metalurgia Física. Avner. 2º Edic. 1981.

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El latón 70% Cu y 30% Zn, es una aleación muy flexible. Para su obtención es

necesaria una pureza extraordinaria del cobre y del zinc no debiendo contener nada de

hierro ni bismuto si se destina a producir cartuchos estampados para municiones. Se

puede ver sus propiedades en la tabla 2-4.

Al trabajarse en frío ésta aleación se endurece modificándose la estructura cristalina.

En la práctica se acostumbra a templar este latón a unos 600-650 C.

Tabla 2-4: Propiedades mecánicas de la aleación 70% Cu - 30% Zn.

ELABORACIONDE LA

ALEACIONTRACCION

Kg/mm2ALARGAMIENTO

EN %

BRINELL

FundidoChapas LaminadasChapas templadas

2547 á 6331.5 á 36

6510-1565-75

60150-200 60

Fuente: Introducción a la Metalurgia Física. Avner. 2º Edic. 1981.

Las principales características que varían en el trefilado de alambres y que para una

fabricación óptima por ejemplo para el latón 70/30 deben ser ajustados a normas

nacionales (ITINTEC tabla 2-5), Internacionales (Punto c), según las exigencias del

mercado son las siguientes:

Tabla 2-5: Aleaciones de cobre para transformación (composición química)

ALEACIO-NES DE COBRE Nº

NOMBRE COMERCIAL PREVIO

COMPOSICION MAXIMO PORCENTAJE (A MENOS QUE SE MUESTRE COMO RANGO O COMO MINIMO)

Cu Pb Fe Zn(20)P

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C 205 00C 210 00C 220 00C 226 00C 230 00C 234 00C 240 00C 250 00C 260 00C 261 00C 262 00C 268 00C 270 00C 272 00C 274 00C 280 00C 282 00

C 298 00

Latón Dorado, 95%Bronce Comercial 90%Bronce de Joyeria 87 ½%Latón Rojo 85%-----------------------Latón Bajo, 80%-----------------------Latón para Cartucho 70%----------------------------------------------Latón Amarillo, 66%Latón amarillo, 65%-----------------------Latón Amarillo, 63%Metal Muntz, 60%-----------------------

Latón para soldadura.

97,0-98,094,0-96,089,0-91,096,0-89,0

84,0-86,0(21)

81,0-84,078,5-81,574,0-76,068,5-71,568,5-71,567,0-70,064,0-68,063,0-68,562,0-65,061,0-64,059,0-63,058,0-61,0

49,0-52,0

0,020,050,050,05

0,05(21)

0,050,050,050,070,050,070,150,100,070,100,300,03

0,50

0,050,050,050,050,050,050,050,050,050,050,050,050,070,070,050,070,05

0,10

Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem.Rem.-Rem

Rem.

---------0,02-0,05------0,12-0,22

Fuente: Normas Nacionales ITINTEC

c) Especificaciones técnicas de los latones alfa 70% Cu y 30% Zn.

1.- Nombre Común: Latón para cartucho (Cartridge Brass). 2.- Nº ASTM

Productos planos enrrollados B19, B36, Nº 6; Alambre: B136, Nº 6 B134, Nº 6 Tubos: B14, B135, Nº 2

3.- Usos típicos: Radiadiores, Barras, se usa para piezas de accesorios de calderas, en la fabricación de cartuchos, alambres, barras, tubos y productos diversos.

4.- Densidad: 20 ºC es 8.53 gr/cm3.5.- Temperatura de la linea líquidos: 955 C

Temperatura de la línea sólidos: 915 C 6.- Punto de Ebullición a 760 mm de Hg aproximad: 1150 ºC 7.- Expansión Térmica: 25 a 300ºC; 0.0000199 por ºC , temperatura de

enrrollamiento; por la ecuación de 20 - 300 ºC:

Lt = L [1 + (17, 75t + 0,00653 t2) 10-6]

8.- Calor específico a 20 ºC: 0,09 Cal/g x C.9.- Temperatura de recristalización:

Cerca 350 ºC para un 50 % de reducción y 0,045 mm Tamaño de grano inicial.

10.- Estructura cristalina: Cubico centrado en las caras (ccc) y la fase Alfa; parametro de la red 3,677 KX.

11.- Distancia Interatómica mínima: 2,60 KX12.-Módulo de Elasticidad: 15000 ksi ó 10540 kg/sq.mm.13.- Elongación de 2 pulg.(50mm):40%

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14.- Dureza Rocwell: F54 (Unidades Metricas)16.- Límites composicionales del Latón 70/30:

TABLA 2-6 Límites composicionales del latón.FORMA DESIGNA

CIONASTM

COMPOSICION % IMPUREZAS %

Cu

min

CuMáx

Znmin

ZnMáx

PbMAX

FeMAX

Otras

TotalMAX.

Laminasy Bandas

Recipiente cilindrico.

Alambre

Tubos

B36yB19

B129

B134

B135

68,5

68,5

68,5

68,5

71.5

71.5

71.5

71.5

REMANENTE

REMANENTE

REMANENTE

0.07

0.07

0.07

0.075

0.05

0.05

0.05

0.05

0.15

0,15

....

....

Referencia: Metals Handbook - ASM -1972.

2.2.- PROCESO TECNOLOGICO.

El proceso tecnológico incluye una serie de operaciones: La preparación del material

inicial, el trefilado, el tratamiento térmico y acabado.

2.2.1 Teoría del Trefilado.

Los principales factores que intervienen en el proceso de trefilado son:

a. Trefiladora.- Genera la fuerza necesaria de tracción para la trefilación. Aquí está

incluido el diseño de la maquinaria, tipo de proceso, las condiciones mecánicas

referentes a la fricción, la velocidad en que se lleva a cabo el proceso, el tipo de energía

que utilizará, la potencia necesaria para el trefilado.

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b. Material de trabajo.- Que es el metal ó aleación a trefilarse. Se refiere a todo lo

concerniente al material o aleación que se trefilará como son: La composición química,

porcentaje de reducción, resistencia del alambre, dureza, velocidad de deformación,

temperatura óptima de trabajo, decapado, lubricación, refrigeración.

c. Dado o Trefila.- Que dá la forma y dimensión final al producto deseado. Aquí se

debe tener en cuenta: Su diseño, tipo de material del que es fabricado, dureza del

material, rendimiento.

2.3.- TREFILACION DE ALAMBRES.

El material inicial para la producción de alambres es el alambre laminado (alambrón) de

5 a 15 mm de diámetro en rollos de hasta 600 kilogramos de masa. Antes del trefilado

el alambre laminado es expuesto al decapado para eliminar la cascarilla de su

superficie. El decapado según sea el requerimiento puede ser en soluciones ácidas

(decapado químico) o también se eliminara la cascarilla del alambre con

procedimientos mecánicos o electroquímicos.

Las fuerzas de rozamiento en las zonas de contacto del metal con el canal de la hilera

son nocivas, e impiden la elevación de la eficiencia del proceso. Para disminuir el

coeficiente de rozamiento, la superficie del alambre es recubierta por un lubricante

sólido o líquido. Antes del trefilado el alambre en un extremo es laminado a un menor

diámetro que el diámetro de la hilera ( en máquinas despuntadoras ), ésta para insertar

el alambre por el paso de la hilera, luego el extremo del alambre ya insertado es fijado

en el tambor o bobina de la trefiladora y ésta al iniciar el proceso traccionará el alambre

reduciéndolo de diámetro y enrollándolo contínuamente.

Analizando algunos procesos tecnológicos de la producción de alambres,

aproximadamente más de un 70% de alambre se fabrica de acero de bajo carbono

(desde 0,10 % C), y es destinado a la industria de la construcción, herramientas,

cables, etc. También una gran cantidad de alambres de cobre y aleaciones de cobre,

aluminio, se obtienen por trefilado, utilizados en la fabricación de cables de conductores

eléctricos, grifería y otros. Finalmente el recocido se utiliza durante el proceso para

ablandar el material y obtener diámetros pequeños o para darle un acabado final al

producto.

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Los factores que intervienen en la trefilación de alambres son similares a todos los

procesos de trefilado o estirado, lo que varía es la carga el volumen de producción, el

tipo de producto que se fabricará; éstos factores son:

a.- Trefiladora.- El equipo para alambres pueden ser de acuerdo a su posición

verticales u horizontales y de acuerdo al volumen de producción simples o múltiples; así

desde el punto de vista tecnológico mecánico manual y automatizado o programable.

En toda trefiladora se considera: el diseño de la maquinaria, tipo de proceso, las

condiciones mecánicas referentes a la fricción, la velocidad en que se lleva a cabo el

proceso, el tipo de energía que utilizará, la potencia necesaria para el trefilado.

b.- Alambrón.- Se refiere al material que debemos trabajarlo o deformarlo. Para

alambres, se parte desde un alambrón de 5 á 15 mm de diámetro con pesos de 100 á

700 Kg y también tiene que revisarse todo lo concerniente al material o aleación que se

trefilará como son: La composición química, porcentaje de reducción, resistencia del

alambre, dureza, velocidad de deformación, temperatura óptima de trabajo, decapado,

lubricación, refrigeración.

c.- Hilera o Trefila.- Es la herramienta que dará la forma características y dimensiones

del producto trefilado es necesario considerar: su diseño, tipo de material del que es

fabricado, dureza del material, rendimiento, dureza.

2.3.1 Principales variables operacionales del trefilado de alambres.- Los de mayor importancia son:

2.3.1.1 Hileras ó dados de trefilaciónLos dados para trefilación son típicamente de aceros para herramientas o carburos, como carburo de tungsteno; en alambres finos, se pueden utilizar dados de diamante.

Para trefilación de acero, se utiliza un inserto o núcleo de carburo de tungsteno en una caja de acero común, esto para aminorar costos y al mismo tiempo obtener una buena resistencia al desgaste en la parte en contacto con el alambre. Los ángulos del dado usualmente son entre 6 y 15 grados, y cada dado tiene tanto un ángulo de aproximación y un ángulo de entrada a la sección menor. En la figura 2-5 siguiente, se puede ver la estructura de una herramienta para este proceso. Esta presenta un área de entrada (1), seguida de un área de reducción, donde vemos el ángulo de aproximación o reducción (aproach angle) (2). Luego viene una parte recta (land bearing) o calibre (3), donde el alambre es calibrado al tamaño requerido. A continuación, en la salida podemos ver que esta tiene un perfil suave (back relief) ó ángulo de salida (4), lo que permite que el alambre salga suavemente. En síntesis una

70


hilera tiene básicamente una caja de un acero corriente o bajo costo y dentro de la caja va insertado el núcleo de un acero especial y dentro del acero especial está el calibre que dará las dimensiones deseadas.

Algunos materiales para la fabricación de dados de trefilación son:

Materiales para dados o hileras de trefilación de alambres.-

Considerando las ventajas y desventajas de los materiales típicamente utilizados como inserto del dado para trefilación tenemos:

Carburo de Tungsteno:

71


Tienen menor costo, soportan gran resistencia, fácil de producir, están disponible en tamaños grandes y pequeños. Pero tienen menor vida útil.

Diamantes Naturales:

Tienen gran resistente al desgaste, entrega un excelente acabado superficial del alambre, presentan alta conductividad térmica, su vida útil es mayor.Desventajas.- Suceptible a fracturas por impacto o desgaste, disponibilidad limitada en alta calidad y cantidad, precio en constante aumento.

Monocristal Sintético:

El material es uniforme, entrega excelente acabado superficial del alambre, alta conductividad térmica, patrón de desgaste predecible, patrón de desgaste uniforme da una mayor vida útil a la herramienta.Pero sus principal desventaja es que en tamaños mayores son todavía muy costosos.

Diamante Policristalino

Tienen mejor vida útil, resistencia al desgaste como del diamante, resistencia al impacto como el carburo, alta disponibilidad.

Su desventaja es que requiere mayor fuerza, puede dañarse con temperaturas

sobre 700oC, tienen un acabado superficial del alambre de menor calidad en

relación al diamante natural

2.3.1.2 Porcentaje de Reducción de Sección.- El % de reducción de sección, tiene

límites máximos para cada tipo de dureza y calidad de material en relación con la

máquina trefiladora; y se puede calcular la siguiente relación:

S2o - S2

1 % R.S. = ------------- x 100 2-1

S2o

Donde: % RS = Porcentaje de reducción de sección

So y S1 = Diámetro inicial y final del alambre

O también:

Donde A0 y Af son el área inicial y final de la sección transversal de una platina.

2.3.1.3 Resistencia del (material) o alambre en Kg/mm2.72


Es la resistencia que el material ofrece a ser deformado plásticamene (trabajado)

expresado en Kg/mm2. Está en relación a su dureza y el % de reducción. Así como

del % del elemento base de la aleación. Estos datos son típicos para cada metal o

aleación los mismos que pueden elaborarse y estandarizarse con ayuda de cuadros y

diagramas.

2.3.1.4 Esfuerzo Teórico de Trefilado.

Es el esfuerzo que la máquina realiza para trefilar un determinado metal o aleación,

expresado en kilogramos, y está en relación al porcentaje de reducción de sección del

metal que se trefila, su diámetro en mm y su resistencia en Kg/mm2.

Para el cálculo del esfuerzo teórico existen fórmulas y diagramas para cada tipo de

aleación que se tratará posteriormente.

2.3.1.5 Velocidad en m/segundo.

La velocidad influye en la textura, homogeneidad del material; a mayor resistencia del

alambre por mm2; se regulará menos velocidad y menor reducción de sección por

paso. En el proceso de trefilado en los primeros pasos o desbaste la velocidad es

relativamente menor y los motores disponen de corriente alterna; pero en el último paso

la velocidad es importante y por ello los motores siempre son de corriente contínua.

2.3.1.6 Composición Química.

La composición química del metal o aleación es importante, porque indica si los límites

superior e inferior de la composición del elemento base y aleantes del material están en

los límites standarizados. Además si la composición química en la materia prima es

correcta, el proceso de trefilado será uniforme sin defectos que puedan influir

positivamente en el costo, calidad y productividad.

2.3.1.7 Lubricación

Es esencial la lubricación en estos procesos, esta permite reducir los esfuerzos por roce y además alargar la vida útil de las herramientas al reducir su desgaste. Existen dos tipos o sistemas básicos de lubricación.

Húmedo: Tanto los dados como los alambres están inmersos en lubricante, que por lo general son aceites o emulsiones con aditivos grasos. Se utiliza para cobre y aleaciones de cobre, también para algunos aluminios y para alambres de diámetro muy pequeño.

73


En Seco: El alambre pasa por un contenedor de donde adquiere el lubricante. En general las aleaciones ferrosas y los demás materiales son trefilados con este sistema de lubricación.

La lubricación correcta, es importante para una buena deformación de los metales, porque permite disminuir la fricción al crear una película entre el dado y el material. Como se muestra en la figura 2-6.

Figura 2.6: Flujo del material reducido por el dado de trefilación.

2.3.1.8 Decapado.- Se realiza al material para eliminar el óxido superficial o cascarilla.

Esta etapa del proceso es muy importante en la obtención de un buen alambre. Un

decapado insuficiente dejaría en su superficie cascarilla de óxido que desgastaría la

matriz y conduciría a defectos en el alambre. Por otro lado un decapado intenso

provocaría un sobre ataque del metal por los ácidos, produciendo así una superficie

defectuosa. Para evitar ésto los baños de decapado suelen contener inhibidores. Una

vez decapado es limpiado con agua a presión. El decapado puede realizarse de dos

formas:

74


a) Por via seca. Donde el decapado puede ser mecánico por torsión en un equipo

auxiliar que es el decapador éste tipo se usa generalmente para el decapado de

alambrón de acero.

b) Por via húmeda. Utiliza soluciones para decapar los óxidos de la superficie del alambrón como Ejem: H2SO4 al 15%; Ejem: en el decapado de alambrón de cobre, si

el decapado es inadecuado influye en la calidad del producto.

2.3.1.9 Tratamiento Térmico.

El tratamiento térmico que generalmente se realiza es el recocido contra acritud; y

pueden ser recocidos intermedios durante el proceso y recocidos definitivos de

acabado.

Los equipos para el recocido de alambres son:

. Hornos de campana.

. Hornos de campana con atmósfera protectora o al vacío. . Hornos de fosa.

Calentados con combustible ó a energía eléctrica.

2.3.1.10 Refrigeración. Es utilizada en el trefilado en frío y su objetivo es evitar el

sobrecalentamiento de hileras de trefilación debido al rozamiento y también para el

recalentamiento de las bobinas por el exceso de rozamiento; para la refrigeración se

dispone de un equipo auxiliar acoplado a los lados o hileras; evitando así el

recalentamiento del alambre en proceso y el de la hilera propiamente dicha.

2.4 Cálculo de la Fuerza de Estirado.

El cálculo de la carga para una deformación del material y producción de alambre,

depende del porcentaje de reducción de área, el ángulo de la hilera, límite elástica, de

la fluencia y la fricción en la hilera, que a su vez dependen del material del dado, la

lubricación, velocidad de deformación, temperatura.

El trabajo realizado por la fuerza de estirado F1 cuando se mueve desde la posición inicial, adyacente al dado, hasta la longitud total l1 del alambre estirado está dado por:

W1= F1 l1 ............................. 2.2

75


Si asumimos una deformación homogénea, el trabajo necesario para deformar el

alambre se deduce de la ecuación de la tensión de fluencia media (Y ):

2.3

Cuando no existe fricción ésta expresión se transforma en:

2.4

Donde:V= Volumen = lo . Ao = l1 A1

Y= Tensión de fluencia media,

lo,l1= Longitud inicial y final del alambre.

Esta fórmula se puede escribir:

2.5

En trefilación lo que se considera es la reducción de área de la sección y no el aumento de la longitud, la ecuación (2.5) se convierte en:

2.6

La reducción de área (r) está dada por:

2.7

Reemplazando en (2.5)

2.8

En consecuencia la tensión de estirado es:

76


2.9

Determinación de la reducción máxima posible en una sola pasada para trefilación.

Una pasada con una fuerte reducción, la tensión máxima de tracción sería con igual a

su tensión de fluencia, debido al fuerte enclarecimiento por deformación que ha

experimentado el alambre. Así para la reducción límite:

σ1 = Y1 ......................2.10

La proporción de enclarecimiento por deformación será pequeña, entonces (Y) estará próximo a Y1 la reducción máxima rm está dada por:

Luego:

La máxima reducción posible con lubrificación perfecta puede ser un 63%; o algo más si la proporción de endurecimiento por acritud es todavía apreciable. Sin embargo, siempre hay un rozamiento que incrementa la tensión de estirado:

Para valores típicos del ángulo de las hilera (α ) y el coeficiente de rozamiento

(µ), el parámetro B = µ Ctg es aproximadamente 0,19 y la reducción limite rm` se

reduce a aproximadamente el 60%.

Donde:

77


rm = Reducción de sección máxima.

B = Constante o variable, igual a µctg 2.5 El porcentaje de reducción ( % ) y la Resistencia.El % de resucción y la resistencia pueden calcularse a partir de la fórmula:

2.14

Donde:

HP = Potencia en HP. = ángulo de fuerza [(%r . 0.013) +0.15]

S = Sección del alambre antes del trefilar en mm2

R = Resistencia del alambre a la tracción antes de trefilar en Kg/mm2

v = velocidad de deformación en m/s.

µ = Coeficiente de rozamiento.

Ejemplos

1º Cálculo de la potencia de motores de una trefiladora para reducir el alambrón de acero al carbono ( 0.1% C), de diámetro inicial de 9.5 mm a 7.95mm de diámetro final, con una resistencia a la tracción de 31.5 Kg/ mm2; en un solo paso, a una velocidad de 0,78 m/s. El coeficiente de fricción es de 0.9.

Solución

Cálculo del % de reducción:

9.52 -7.952

Cálculo del % Reducción = ------------------ x 100

9.52

%R = 29.96%; α = (( 29.96%. 0.013) + 0.15) = 0.53948.

(0,54)x(70.84) (31.5) x 0.78 939.85 HP= ----------------------------------------- = --------- = 14HP 75x0.9 67.5 Pespuesta: Se necesita 14 HP.

78


2º En una planta de trefilado se reduce de diámetro un alambre de acero desde 5.5 mm de inicial hasta 3.4 mm de diámetro final. La resistencia del alambre asumir la variación desde: 30 , 32, 33, 34 …40 kg/mm2,, el porcentaje de reducción es del 29% en forma constante; considerar la velocidad de deformación de: 1, 2, 3, ….7 m/s. y el coeficiente de fricción es de µ = 0.3. Hallar:

2.1 El número de pasos necesarios.2.2 El porcentaje de reducción total y por paso’2.3 La potencia necesaria en cada paso.2.4 En un cuadro resumen, hacer un comentario de la operación en planta, según sus cálculos.Solución:

Datos:D0 = 5.5 mm de diámetro inicial.Df = 3.4 mm diámetro final.R = 30, 32 , … 40 kg/mm2

%r= 29 % constante. v = 1, 2, ….7 m/s.

2.1 El número de pasos necesarios.

Despejando:

Df = D0 (0.8426)Reemplazo para cada paso:D1 = 5.5 . (0.8426) = 4.63 mmD2 = 4.63. (0.8426) = 3.90 mm.D3 = 3.90.( 0.8426) = 3.28 mm. El D final debe ser 3.40, se pasó y se tiene que hacer un reajuste para el último paso:

En los 2 primeros pasos tiene 29 % de reducción y en último paso tiene 24.38 % de reducción. La respuesta es, necesitamos 03 pasos para reducir el alambre desde 5.5 mm hasta 3.4 mm de diámetro final, los diámetros son: (respuesta 03 pasos 2.1a)

D1 = 5.5 . (0.8426) = 4.63 mm. El %r = 29%D2 = 4.63. (0.8426) = 3.90 mm. El %r = 29%D3 = 3.90.— x = 3.40 mm. El %r = 24.38%

79


Reducción total = 61.79%. respuesta 2.1b.

2.2 El porcentaje de reducción total y por paso.

2.2a Porcentaje de reducción por paso:

D1 = 5.5 . (0.8426) = 4.63 mm. El %r = 29% datos del problema

D2 = 4.63. (0.8426) = 3.90 mm. El %r = 29% datos del problema

dato calculado.

2.2 Porcentaje de reducción total:

Respuesta 2.2a % reducción total = 61.79%.

2.3 La potencia necesaria en cada paso.

2.4 En un cuadro resumen, hacer un comentario de la operación en planta, según sus cálculos.

NºPaso Diámetro (mm) %r S0

(mm2)R

(Kg/mm2)HP

D0 Df

01 5.50 4.63 29.00 23.76 30 16.6902 4.63 3.91 29.00 16.84 32 25.2403 3.91 3.40 24.38 12.01 33 24.68

Comentario:

80


El alambre se reduce desde 5.5 mm hasta 3.4 mm de diámetro final en 03 pasos.Se alistarán las hileras con diámetros de: 4.63; 3.91 y 3.40 mm de diámetro y con tolerancias de acuerdo a norma de la planta.Se elegirá una trefiladora próxima a 3 pasos y los motores deberán tener una potencia de 16 hasta 26 HP respectivamente.

2.6 EQUIPOS DE TREFILADO

La trefiladora es la máquina que realiza la operación de trefilado. Aquí está incluído el

diseño de la máquina, el tipo de proceso, las condiciones mecánicas referentes a la

fricción en que se lleva a cabo el proceso, número de pasos, diámetro y velocidad de

las bobinas (tambores) si se refiere a trefilado de productos enrrollados, capacidad de

producción (fuerza de estiraje) y la potencia necesaria para el trefilado.

Estas máquinas constan básicamente (para cada banco de trefilado) de un MOTOR de

corriente alterna, contínua o mixta que genera la potencia a un rango prefijado de

R.P.M; ésta es transmitida a un reductor y de aquí transmitida a las bobinas si son para

producir enrrollados y mordazas o tenazas si son para trefilación de productos que no

pueden enrrollarse (tubos, barras, etc.)

El control y mando son automatizados, en menor o mayor grado, éstos dependen de la

precisión a que exige el producto a trefilarse y el volumen de producción.

2.6.1 Tipos de trefiladoras

2.6.1.1 Trefiladoras para Barras Metálicas

Las barras, tubos y secciones grandes en general, que no pueden enrollarse se

trefilan en bancos de trefilado (figura. 2-7).

81


Un banco de trefilado consiste en un cabezal móvil accionado por una cadena, montado

en un banco horizontal o ligeramente inclinado y un soporte para la matriz o hilera.

Puede tener entre 10 y 25 m de longitud y alcanza velocidades de desplazamiento del

cabezal móvil del órden de los 100 m/min. Debe evitarse la aplicación brusca de la

carga, lo que limita las velociddes máximas tolerables, a menos que éstas sean

variables.

La longitud de la barra final está limitado por el banco. Dado que durante el trefilado

la barra se alarga, son necesarios cortes intermedios. Como se aprecia en la figura 2-7

siguiente:

2.6.1.2 Trefiladoras para alambres de un paso.

82


Por lo general las trefiladoras que se utilizan en la reducción de alambres de mayor

diámetro, tanto de hierro, acero o cobre y aleaciones, son de 1 ó 2 pasos de eje

horizontal o vertical (fig. 2.8) porque suponen un fácil, cómodo y seguro manejo del

alambre en la etapa de desbaste, sus velocidades son relativamente bajas, pero de

bastante producción, pudiendo obtener adecuada refrigeración entre pasada y pasada,

las más generalizadas son corriente contínua. En cambio para alambres más finos

(hilos) de diámetro inferior a 2 mm de diámetro, se utilizan bancos de numerosas

bobinas (incluso 42) de eje vertical.

2.6.1.3 Trefiladora Multiple.

Son trefiladoras de más de 3 pasos de reducción contínua de mayor diámetro hasta

obtener los diámetros deseados, después de la última de los cuales se vuelve a

enrrollar en la bobina acabadora. Estos equipos son utilizados para producir alambres

de diámetros medianos o delgados, permiten una suficiente refrigeración del alambre y

a altas velocidades, tiene cierta limitación de velocidad debido al desenrrollado del

alambre. Esta máquina tiene el accionamiento de motores generalmente con corriente

alterna. Es indicado para todos los procesos de reducción de alambre dulce y semi duro

con altas presiones. En la figura 2.9 se muestra una trefiladora múltiple.

83


2.6.1.4 Trefiladora computarizadaEste tipo de maquinaria se caracteriza por poseer un sistema computarizado que hacedel equipo más eficiente, dependiendo básicamente de la calidad de materia prima a utilizar durante el proceso. Posee un regulador de velocidad que es activado digitalmente por el operador, pose un decapador mecánico. Además posee motores independientes por cada paso, lo que ayuda a tener un control más eficiente ya que trabaja bajo un sistema de poleas a diferencia del tipo de trefiladoras mecánicas, queutilizan engranajes como ya se mencionó. En el mercado, pueden encontrarse trefiladoras computarizadas de hasta 14 pasos. Al referirse al término “computarizada” no significa que trabaje sin la ayuda del operador, pero dicha persona debe poseer el conocimiento necesario y manejar adecuadamente cada uno de los comandos que pongan en marcha el equipo. Estos tipos de maquinaria tienen la cualidad especial de ser auto lubricadas, en otras palabras, el operador debe preocuparse únicamente que la unidad de servicio de lubricante que posee, se encuentre a un nivel adecuado y ésta se encarga de establecer sus propios ritmos de lubricación. Cabe mencionar que a mayor número de pasos, el diámetro del producto final es más pequeño, lo cual garantiza una diferenciación de productos en el mercado. Se muestra en la figura 2.10.

84


2.7 Lubricación limite o de Borde.

Inicialmente Hardy (1956) llamó "lubricante límite" a la obtenida con algunos

compuestos orgánicos derivados del petróleo (parafinas, alcoholes, ácidos grasos, etc.)

cuyo comportamiento era muy especial, actualmente se ha extendido el término a otros

tipos de lubricantes, incluyendo también los "sólidos". Se estudió éste tipo de fricción y

lubricación, llegando a considerar la fricción como un estado de fuerzas superficiales de

tipo molecular. El lubricante, lo que haría, sería disminuir ese campo de fuerzas, pero

sin eliminarlo totalmente. Bowder y Tabor complementa posteriormente éstos trabajos,

determinando la formación de compuestos de esferas molecular en las superficies,

como resultado de la interacción "óxido metálico-lubricante". Se efectuó con rayos X y

difracción electrónica, incluso demostraron que si las superficies metálicas no estan

oxidadas, disminuye notablemente el efecto de lubricación, y no se forma el compuesto.

2.7.1 Lubricantes Para Altas Presiones.

Se le agregan a los componentes de lubricación límite o de borde los aditivos llamados

"aditivos E.P." (extrema presión) y los elementos básicos de éllos son:

1) Cloro: Como éste clorado forma capas de cloruros de hasta 1000 A. Si se

reduce con parafina, disminuye aún más el µ.

2) Azufre: Aceites y grasas sulfuradas forma sulfuros y, si bien no tiene un

efecto lubricante tan marcado como los cloruros, es más estable a altas

temperaturas. Se usa por ejemplo "ácido oléico sulfurado". 85


3) Fósforo: Como fostatos; se supone que forma una capa de bajo punto

de fusión.

Se produce un efecto de pulido de la superficie, en general, la mezcla de

éstos lubricantes con los "aditivos E.P." produce resultados óptimos. Es

conveniente agregar ácidos grasos (en pequeñas proporciones) a los

hidrocarburos o aceites parafínicos para mejorar las condiciones de

lubricación de los aditivos E.P. Otro aditivo importante es el calcio.

La reactividad de los aditivos que están en contacto, tanto del metal y con l

as

herramientas (motrices) durante el proceso (máquinas en

funcionamiento) es alta; los aditivos E.P. mejoran las propiedades de un

lubricante proporcionándole:

- Estabilidad a elevada temperatura de trabajo.

- Poca corrosión con las superficies metálicas.

- Baja resistencia a la fricción.

- Interacción con otros lubricantes o aditivos.

2.7.2 Lubricantes Sólidos.

Las condiciones extremas de trabajo han llevado a utilizar lubricantes sólidos, en

general pueden agruparse en:1) Sólidos Cristalinos o estructura laminar (grafito y S2 Mo).

2) Sólidos orgánicos.

3) Capas de metales blandos

4) Capas de polímeros.

Además de mantener coeficientes de fricción boyas para severas presiones y/o altas

temperaturas, los mecanismos de fractura superficial disminuyen. El lubricante fluído

entra a la grieta y ayuda a propagarla, mientras que los sólidos tienden a cerrarlas.

1).Sólidos Cristalinos o de estructura laminar. Los componentes más importantes son

el grafito y el bisulfuro de molibdeno.

Otros componentes son: bisulfuro de tungsteno, nitrato de boro, oxido de

oro,vermiculita, sulfato de plata, etc.

Además se utilizan talco, óxido de calcio, albayade, etc. principalmente en procesos de

trabajado.Por ejemplo el grafito: en vacio es mediano lubricante (µ 0,5), mientras que

86


en el aire baja a (µ 0,2). a los 400 C, comienza a sublimarse como CO2, pero en

atmósfera inerte puede trabajar comodamente hasta 2500 C. El S2 Mo es estable

hasta unos 700 C en aire, luego se descompone dando trióxido de molibdeno, que es

absorsivo y aumenta notablemente el coheficiente de fricción. Comparando el efecto de

la temperatura de ambos a partir de 700 C, resultará mejor el grafito, pero con respecto a la velocidad de deslizamiento resulta mejor el S2 Mo.

2) Solidos Orgánicos. Se usan algunos de alto peso molecular como son:

a) Ceras: Sintéticas, microcristalinas, de abejas,etc. normalmente se

agrupa a las ceras 10 a 20 % grafito coloidal.

b) Jabones metálicos:

Estearatos (de aluminio, calcio, zinc, magnesio, sodio, litio); oleatos, palmitatos, etc.

Son más difíciles de usar pues no son solubles y presentan alto punto de fusión. Se

aplican en polvo.

c) Sebos, bentonita y otros.

A menudo se utilizan mezclados, para mejorar sus condiciones de estabilidad a

temperatura de trabajo.

3) Capas de Metales Blandos. Es la posibilidad de usar capas delgadas de

metales blandos, como lubricantes para deformar metales muy duros o con fuerte grado

de endurecimiento, como el acero inoxidable. Se usan para ello plomo, indio, estaño,

cobre o zinc. Los espesores efectivos entre 10 y 0,1 mieronesmuestra el coeficiente de

fricción para cobre recubierto de plomo en función del espesor de la capa de plomo.

4) Recubrimientos Químicos.

Pertenecen a éste tipo los sulfuros, cloruros y fosforos, que se formaban sobre los

metales por la reacción química con los aditivos E.P.

Otros tipos de recubrimientos son:

a) Fosfatos. Generalmente aplicando como fosfato de zinc, mezclado con

pequeñas cantidades de fosfato de hierro y magnesio. Se usan para aleaciones

ferréticas y aleaciones de aluminio y zinc.

b) Oxalatos. Al igual que los fosfatos, proveen una capa absorvente que permite

incrementar la adhesión de otros lubricantes.

c) Distintos tipos de óxidos.

87


En general ya vistas. La tabla 2.7 da algunos coeficientes de fricción para diferentes

metales y sus oxidos.

TABLA 2-7 COEFICIENTE DE FRICCION PARA METALES LIMPIOS Y CON OXIDO

METAL COEFICIENT DE FRICCIONMETAL-METAL OXIDO - OXIDO

ORO

PLATA

ESTAÑO

ALUMINIO

ZINC

COBRE

HIERRO

GROMO

2.0

1.0

.0

1.2

0.8

1.6

0.6

-

-

0.8

1.0

0.8

1.2

0.8

1.0

0.4

FUENTE:The friction and lubrication of sowas- F.P. BOWDEN - OXFOR 4.P.

VOL II 1974.

En general, los 3 tipos de recubrimientos a, b, y c, no proveen en lubricación, sino que

sirven de base y complemento para otros lubricantes. Ya se señaló que los metales que

no forman acidos o presentan superficies inertes, son difíciles de lubricar, se necesita

tener una "capa superficial razonablemente reactiva".

5) Capas de Plásticas.

Bowden y Tabor demostrarón que el comportamiento de los plásticos o polímeros, es

muy semejante al de los metales, en lo que hace a fricción, la excepción es el PTFE

(Politetrafluoroetileno), que presenta características muy especiales. Por no tener

resistencia mecánica éstos lubricantes no son adecuados para el cobre y aleaciones

sinterizados.

6) Lubricantes Gaseosas.

Algunas veces, los vapores de acceites y ácidos órganicos, se aprovechan para

mejorar la lubricación en trabajado de metales. Por ejemplo, al usar el aceite de palma

para laminación en alta temperatura, se obtiene ese efecto. Se han hecho experiencias con H2S, mejorando algo las caracteristicas de "daños por fricción". Ha dado resultados

optimos el usar con herramientas de molibdeno o aceros de alto contenido de

88


milibdeno. Forma "in.situ" S2Mo, que presenta mejores caracteristicas que aplicando

exteriormente.

7) Vidrios lubricantes.

Trabajos de J. Sejounnet y L. Sabataille, permitierón la utilización de vidrio como

lubricante, posibilitando así la extrusión en caliente de aceros inoxidables, aleaciones

de alto contenido de níquel, etc. En 1950, abtuvo patente para este tipo de lubricación.

Si bien se ha estudiado la posibilidad de aplicar el vidrio como lana de vidrio, placas,

etc, se continua usando polvo de vidrio.

2.8. Requerimientos de un lubricante ideal.

Debería cumplir una serie de funciones, que se señalan seguidamente:

a) Mantener condiciones de lubricación "límite" o "hidrodinámica" a altas presiones.

b) Disminuirla la fricción superficial, hasta valores compatibles con el "Agarre" y el

"acabado Superficial" deseados, pero disminuyendo el aumento de temperatura.

c) Discipar el calor generado en el proceso de trabajado, o sea cumplir la doble misión

de "lubricante" y agente.

d) Prevenir la "adhesión metálica" y el "desgarramiento " entre la matriz y el metal

trabajado.

e) Reducir la "transparencia de metal" entre la superficie del metal y la herramienta.

f) Eliminar las partículas obrsivas (como polvo, escamas de oxidos, particulas formado

por "Visión-rotura" de conjuntos, etc. de la superficie de trabajo.

g) Mantener condiciones aceptables de "Acabado superficial" y caracteristicas

metalúrgicas de los productos terminados.

h) No dejar residuos al recoger el material trabajado.

i) Facilidad de ser removido de la superficie en sus operaciones de acabado.Lo ideal

seria tener "lubricación fluida" o "hidrodinámica", pero generalmente se presenta

"lubricación limite o de borde", por lo cual a lo antedicho habria que agregar:

j) Poseer propiedades físicas y químicas, que le permitan adherirse a las superficies

de la matriz y del metal trabajado.

k) Tener gran estabilidad química a alta temperatura.

l) Poseer baja reactividad y no interactuar sobre otros lubricantes o aditivos.

m) No presentar toxicidad (que sus vapores no sean nocivos)

89


n) Poseer aceptable consuctividad eléctrica, que asegure la desaparición de cargas

estáticas por fricción.

TABLA 2-8

VALORES DE µ PARA DIFERENTES PROCESOS

A.

Acero al C - rodillo de acero pulido - lubricado

Acero al C - rodillo de acero pulido - immersión buena

lubricación

Acero al rodillo segoso (salud blast)

A Cu y Pb - Rodillo acero pulido

A Cu y Pb - Rodillo segoso

A`

Acero de C - rodillo de acero - 400 - 900 C

Acero de C - rodillo de acero - 1000 C

Acero de C - rodillo de acero - 1000 C

Acero de C - rodillo de fundición (aprox 50% mayor)

Alumino rodillo de acero - 3750 C

Cobre - rodillo de acero - 750 C

Niquel y plomo - rodillo de acero - 900 y 180 C

Bismuto y Cadmio rodillo de acero - 150 y 180 C

Estaño y Zing rodillo de acero -100 y 110 C

B.

Acero al C - matriz C W - diferentes lubricantes

cobre al C - matriz C W - lubricante forzado de aceite

Latón al C - matriz C W - lubricante forzado de aceite

Cobre e Inox C W - cera

Cobre e Inox - aceites lubricantes minerales

C.

aluminio lubricado con cebo

cobre lubricado con aceite a presión

latones lubricado con aceite a presión

bronces lubricado con aceite a presión

0.04-0.05

0.05-0.10

0.30

0.10

0.40

0.40

0.30

0.20

-

0.54

0.35

0.32

0.25

0.17

0.30-0.06

0.06

0.10

0.07

0.30

0.10

0.15

0.08-0.12

0.14COMPARACIONES DE CALIBRES (CALGAS)

ESTANDARESESPESOR O DIAMETRO EN DECIMOS DE PULGADA.

90


CALIBRE Nº

BWG

Americano (AWG)

(AWG) Dec. Pulg.

En mm

En Pulg.

en mm.

0000000000123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536

0.4540.4250.3800.3400.3000.2840.2590.2380.2200.2030.1800.1650.1480.1340.1200.1090.0950.0830.0720.0650.0580.0490.0420.0350.0320.0280.0250.0220.0200.0180.0160.0140.0130.0120.0100.0090.0090.0070.0050.004

11.531610.79509.65208.63607.62007.2146.5796.0455.5885.1564.5724.1913.7593.4043.0482.7692.4132.1081.8291.6511.4731.2451.0670.8890.8130.7110.6350.5590.5080.4570.4060.3560.3300.3050.2540.2290.2030.1780.1270.102

0,4600,4100,3650,3250,2890,2580,2290,2040,1820,1620,1440,1280,1140,1020,0920,0810,0720,0640,0570,0510,0450,0400,0360,0320,02850,02530,02260,02010,01790,01590,01420,01260,01130,01000,00890,00800,00710,00630,00560,0050

11,68410,414 9,271 8,255 7,341 6,553 5,817 5,182 4,623 4,115 3,658 3,251 2,896 2,591 2,337 2,057 1,829 1,626 1,448 1,295 1,143 1,016 0,914 0,813 0,724 0,643 0,574 0,511 0,455 0,404 0,361 0,320 0,287 0,254 0,226 0,203 0,180 0,160 0,142 0,127

91


2.10 ANÁLISIS DEL TREFILADO.

Reducción de área

En una operación de trefilado, la modificación en dimensiones por efecto del trabajo se da generalmente por reducción de área, que puede ser en porcentaje o no:

A0 y Af son las áreas inicial y final; r% es el porcentaje de reducción de trabajo.

2.10.1 TREFILACIÓN SIN FRICCIÓN

a) La deformación real; sin considerar la fricción, puede determinarse por la relación siguiente:

b) Esfuerzo de trefilado.- El esfuerzo que resulta de ésta deformación ideal está dado por:

2.10.2 TREFILACIÓN CONSIDERANDO LA FRICCIÓN:

a) Esfuerzo de estirado.- En el esfuerzo de estirado tienen influencia importante, la relación A0/Af, ángulo del dado y el coeficiente de fricción en la interfase trabajo – dado. Según la ecuación propuesta por Schey para calcular el esfuerzo de estirado considerando la fricción es el siguiente:

Donde:

92


D = diámetro promedio del trabajo durante el estirado, pulg, mm.Lc = longitud de contacto del trabajo con el dado de estirado, pulg o mm.Los valores de D y Lc se pueden determinar de las siguientes ecuaciones:

c) La fuerza de trefilado (F). La fuerza de trefilado es entonces, el área de la sección transversal del material estirado o trefilado multiplicado por el esfuerzo de estirado:

Donde:

F = Fuerza de estirado, lb y ( N ).

Ejemplo. 1

En una planta de trefilado se estira un alambre de 0.10 pulgadas de diámetro inicial hasta 0.08 pulgadas de diámetro final; el dado de trefilado tiene un ángulo de 15º; el coeficiente de fricción es de 0.07. El metal tiene un coeficiente de resistencia de K = 30 000 lb/pulg2 y un exponente por deformación de ( n ) = 0.20.

Hallar:

a) El esfuerzo de estiradob) La fuerza de estirado.

Solución:Determinamos los valores de D y Lc :

93


Determinamos el factor para deformación no homogénea ( :

Cálculo de las áreas:

La deformación real es la siguiente:

El esfuerzo de fluencia promedio:

Cálculo del esfuerzo de estirado:

respuesta (a).

b). La fuerza de estirado (F); dado por la ecuación siguiente:

= 69.82 libras. Respuesta (b)

Ejemplo 2

Se trefila un alambre desde 3 mm de diámetro inicial hasta 2.5 mm de diámetro final, con un ángulo de entrada del dado de 15º; el coeficiente de fricción es d 0.07, la resistencia del metal de trabajo es de K = 1 800 kg/mm2 y el coeficiente de endurecimiento es de n = 0.3. hallar:

a). La reducción de área.b). El esfuerzo de estirado.

94


c). La fuerza de estirado requerido para la operación.

Solución:

Datos:D0 = 3 mmDf = 2.5 mmα = 15ºµ = 0.07K = 1 800 Kg/mm2

n = 0.3

a). La reducción de área.

b). El esfuerzo de estirado.

Los valores de D y Lc

El factor de deformación:

Deformación real:

95


Esfuerzo de fluencia:

b). Cálculo del esfuerzo:

. Respuesta (b)

c). La fuerza de estirado requerido para la operación.

Respuesta ( c ).

Ejemplo 3

Fuerza de deformación homogénea:

Hallar la fuerza de deformación necesaria para reducir un alambre desde 4.3 mm de diámetro hasta 3.8mm de diámetro final, la resistencia del alambre es de K = 1100 N/mm2.

Solución:

Ejemplo 4

La fuerza de estiraje en kilogramos:

96


La fuerza de estiraje o fuerza de estirado requerido puede calcularse también por la fórmula siguiente ( del catálogo de la firma Schumac de Alemania fabricante de máquinas trefiladoras:

Donde:

F = fuerza de estiraje o trefilado en kg.

= diámetro inicial y final del metal de trefilado en mm.

H = dureza Brinell.0.03; 0.55 y 1.25 = constantes.

Ejercicio 5Deterrminar la fuerza de estiraje de una barra de latón tipo 70/30 de 1 pulgada de diámetro (25.4 mm) a la cual se le efectuará una reducción de sección del 10% y que tiene una dureza Brinell de 164.

Solución:Datos:

= 1 pulg diámetro inicial, convertir a (mm).

= ?

H = 164 Brinell. %r = 10%

Sustituyendo:

Resolver el ejercicio siguiente:

Un material tiene una densidad de 6 gr/cm3 y con un límite d fluencia de 45 kg/mm2, es reducido por trefilado desde 8.25 hasta 5 mm de diámetro con una fuerza de 3.5 Ton/hr. Posteriormente se verificó que el límite de fluencia del metarial aumentó a 185 Kg/mm2. Asumiendo una eficiencia de conformado del 80%, hallar la potencia requerida en HP.

97


2.11 CONTROL DE CALIDAD PARA ALAMBRES DE ACERO

Para garantizar la fabricación de un producto de alambre o alambrón de acero, de acuerdo a los estándares de calidad, éste se debe llevar a un control de calidad tanto de la materia prima, los productos en tránsito de fabricación asi como a los productos terminados.

Para lo cual se deben realizar las siguientes ruebas.

1. Cálculo del área.- El área de la sección del alambre se verifica con la relación:

para posteriormente verificar el porcentaje de reducción (%r) por área

y determinar la resistencia del alambre o alambrón.

2. Ovalidad.- Se verifica haciendo uso de un micrómetro, la medida del diámetro debe ser de 3 medidas en forma vertical, horizontal y diagonal para sacar el promedio; la ovalidad no debe exceder al de la norma indicada.

3. Recalcado.- Esta prueba consiste en verificar la resistencia del alambrón, a la presión, para constatar la naturaleza o grado de cristalización. Se efectúa cortando aproximadamente 1 cm de alambrón, el que en posición vertical, se coloca en una prensa y es sometido a sucesivos golpes, 2 ó 3 quedando ésta fracción de alambrón, como un botón y presentando, o no, en la periférie, unas grietas, que de acuerdo al número y condición son calificadas. Determinándose así, el pase , o no como materia prima. Esta es una prueba de importancia para la producción de clavos o prensado.

4. Torsido.- Esta prueba se hace en una pequeña máquina torsionadora, provista de dos sistemas de sujeción o mordazas que giran en sentido inverso. El alambre es aproximadamente de 10 pulgadas de longitud, al que, aproximadamente, a 1 cm de cada extremo, se dobla en un ángulo d 90º y en un sentido opuesto extremo a extremo; esto se hace con el propósito de ser mejor cogido cada extremo por cada mordaza y por una efectiva torsión. De acuerdo al diámetro del alambre y la composición (contenido en carbono), se dará la rotura por torsión. Es importante ésta prueba para productos tales como tornillos, cables, etc.

5. Resistencia a la tracción.- esta es una prueba muy importante en trefilación, puesto que de ésta resistencia, depende el normal trabajo de una trefiladora; esto por el número de roturas por la tensión del alambre o alambrón entre tambor y tambor, y también por la frición con el dado de reducción.

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6. Elongación.- Proviene de la prueba del ensayo de tracción; está determinado por el rango de variación del elemento traccionado, en longitud, el alambre o alambrón, debe cumplir con un mínimo de estiramiento de acuerdo a norma establecida para el material no se arranque durante el proceso de trefilado.

7. Doblado.- La prueba consiste en hacer una especie de amarre con un alambrón de aproximadamente de 10 pulgadas, el cual con ayuda de un sencillo mecanismo manual, en el que se atrapa un extremo, fijo, y el otro extremo (con amara), a un brazo que gira 180º en ida y vuelta; son oscilaciones que se hacen manualmente hasta que se rompa el alambre, en que se determina, con el contómetro adjunto, el número de dobleces efectuadas. Es importante para fabricar resortes, cables, etc.

8. Composición química.- Se efectúa el análisis químico principalmente para la materia prima con el propósito de comprobar la composición dada por el fabricante es decir del alambrón. Se hacen análisis principalmente del carbono ( C ), fósforo ( P ), azufre ( S ) y manganeso ( Mn ). El contenido de carbono es vital para verificar el pedido.

9. Microestructura.- Es importante observar la microestructura del acero en un microscopio metalográfico, es necesario observar los microcostituyentes como carburaciones, cementita, ferrita, martensita, perlita, etc y el tamaño de grano que permiten deducir sus propiedades meánicas.

10. El porcentaje en peso de las escamas o cascarilla.- Puede efectuarse pesando un roll de alambrón antes del trefilado, después de pasar por el decapador y luego volverlo a pesar, ya trefilado. Deben de coincidir el peso inicial y la suma de los pesos del trefilado más la cascarilla que quedó en el decapador. Para el alambrón importado el porcentaje en peso de las escamas no debe ser mayor al 1%; para el alambrón nacional, no debe ser mayor al 3%.

11. Otros controles.-Como revisar si la materia prima tiene: rechupes, rayaduras en el alambre en proceso, dimensiones, etc.

2.12 Estirado de tubosEn los tubos el proceso de estirado se puede usar para reducir el diámetro o el espesor de la pared de tubos sin costura y caños, después que se ha producido el tubo inicial por medio de alguna otra operación como por el proceso de extrusión. El estirado del tubo se puede llevar a cabo con o sin un mandril. El método más simple no usa mandril y se aplica para la reducción del diámetro como se muestra en la figura 2.12. Algunas veces se usa el término entallado de tubo para esta operación.

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Figura 2.12 Estirado de tubos sin mandril (entallado de tubos).

El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizar un mandril, como se muestra en la figura 2.12, es que carece de control sobre el diámetro interno y sobre el espesor de la pared del tubo. Por esto se usan mandriles de varios tipos, dos de los cuales se ilustran en la figura 2.13. En la parte (a) de la figura se usa un mandril fijo ajustado a un barra de soporte largo para fijar el diámetro interior y el espesor de la pared del tubo durante la operación. Las limitaciones prácticas sobre la longitud de la barra de soporte en este método restringen la longitud de los tubos que pueden estirarse. El segundo tipo que se muestra en la parte (b) usa un tapón flotante cuya forma se diseña de manera que encuentre su posición natural en la zona de reducción del dado. Este método evita las limitaciones sobre la longitud de trabajo que presenta el método del mandril fijo.

FIGURA 2.13 Estirado de tubos con mandriles (a) mandril fijo y (b) tapón flotante.

2.13. FABRICACIÓN DE CLAVOS DE ACERO.- luego de haber ya obtenido el alambre de acero reducido de diámetro por trefilación, éste como producto final se destina para la industria de la construcción, otra parte para la fabricación de clavos, remaches resortes, etc.

Un clavo es una pieza delgada de metal usada para sujetar o fijar dos o más piezas. Los clavos varían de longitud, tamaño y estilo, desde tachuelas pequeñas hasta clavos pesados. Generalmente, un clavo tiene tres partes principales: la punta, el astil o cuerpo

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y la cabeza. Actualmente los clavos son hechos generalmente de alambre de acero. La varilla de alambre, después de ser examinada o inspeccionada convenientemente en cuanto a sus dimensiones, superficie de acabado, se alimenta a las máquinas claveras las que producen clavos según las características deseadas. Todos los tipos de clavos producidos de alambres de acero son hechos por una máquina automática. La máquina difiere en tamaño y en diseño, pero el principio de operación es el mismo para todas ellas. El proceso principal de la línea de producción es el maquinado del clavo que es producida por las operaciones de forja en frío siguientes: moldeado de la cabeza, alimentación de los alambres, apretado del alambre, corte del alambre, moldeado de la punta y expulsión de los clavos. La resistencia de los clavos en una unión depende de su propiedad, el tipo y número de clavos que son usados y los tipos de carga aplicados a la unión. Se aprecia en la figura 2.14.

Proceso de fabricación.- puede resumirse en los siguientes pasos:

Laminación en caliente del alambrón con tolerancias dimensionales muy estrechas. Trefilación en frío del alambre, ensayos mecánicos y control dimensional. Estampado en máquinas de alta velocidad, control estadístico dimensional;

- Pulido por tamboreado.- Pesado y empaque.- Almacenamiento y despacho.

Figura 2.14 Máquina para la fabricación de clavos.101

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