ÍNDICE PROCESO DE ESTIRADO Y TREFILADO ............................................................................................. 2 1. INTRODUCCION.......................... ......................... ........................... ......................... ........... 2 2. ANTECEDENTES ANTECEDENTES HISTORICOS DEL PROCESO DE ESTIRADO Y TREFILADO TREFILADO ........................ ...... 3 3. FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE ESTIRADO......................... ......................... .................... 4 4. PRÁCTICA DEL ESTIRADO ......................... .......................... ......................... ........................ 5 5. FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE ESTIRADO: ....................... ......................... .................... 9 5.1. Definición: .......................... ......................... ........................... ......................... ........... 9 5.2. Parámetros del Estirado....................... .......................... ......................... .................... 9 6. ANALISIS GENERAL DEL ESTIRADO ....................... ........................... ......................... ......... 10 Características de las piezas que se someten al estirado: ........................ ......................... ..... 13 Materiales empleados en el estirado:........................... .......................... ......................... ..... 15 Esquema general del proceso de Estirado: ........................................................................... 15 Preparación del material de trabajo Antes del estirado ................................................. 15 7. ANALISIS DEL PROCESO DE ESTIRADO ........................... .......................... .......................... 17 DETERMINACION DE LA CARGA DE TRABAJO CONSIDERANDO LA PIEZA Y LA DISTRIBUCION DE TENSIONES ...................................................................................................................... 17 FORMULA DE TRABAJO PARA LA DEFORMACION HOMOGENEA: ...................... 17 FORMULA DE TRABAJO PARA EL TREFILADO: ....................................................... 19
CONSIDERACIONES DE LA RESTRICCIÓN DE ROZAMIENTO POR EL CÁLCULO DE LAS TENCIONES LOCALES. .................................................................................... 20 ESTIRADO DE PLETINAS ENDURECIDAS POR DEFORMACION PERMANENTE PERMANENTE CON MATRICES CILINDRICAS. ........................................................................................................................ 25 8. TECNOLOGÍA DEL TREFILADO ........................... ......................... .......................... ............. 29 9. TECNOLOGIA DEL ESTIRADO ........................ .......................... ......................... .................. 33 Proceso de estirado: ........................... .......................... ......................... ........................... 33 Práctica del estirado ........................... .......................... ......................... ........................... 33 Operaciones en estirado:......................... .......................... ......................... ...................... 34 Lubricación........................ .......................... .......................... ......................... .................. 38 Equipo de estirado .......................... ......................... ......................... .......................... ..... 39 Banco de estiramiento............................. .......................... ......................... ...................... 40 Defectos de estirado .......................... .......................... ......................... ........................... 40 Bibliografía: ................................................................................................................................. 41
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Gran cantidad de varillas, tubos, perfiles especiales se terminan mediante un estirado en frio. A las barras grandes con diámetros mayores a 150mm, se les da con frecuencia una ligera pasada de reducción, que reduce el diámetro en aproximadamente aproximadamente 1.58mm del diámetro inicial, esta reducción se realiza con el fin f in de mejorar el acabado de la superficie y las tolerancias dimensionales. Las barras con diámetros más pequeños se estiran sufriendo reducciones de área mucho mayores, hasta del 50% por pasada, los alambres se pueden reducir un 90% en pasadas sucesivas, partiendo del metal recosido y antes de que se vuelva a recoser. Los tamaños grandes se estiran en pesados bancos, los materiales ferrosos son estirados hasta con velocidades de (30m/min), pero para aleaciones de cobre se usan velocidades mayores. Muchos bancos de estirado modernos se accionan hidráulicamente, lo cual proporciona una acción inicial mucho más suave. Teóricamente se puede calcular la reducción de sección máxima posible en una sola pasada. El limite viene establecido por la rotura traccional del alambre estirado en su tención de fluencia cerca de la misma. En condiciones ideales la tensión de estirado (σ) debe ser simplemente la necesaria para deformar el
alambre de una manera homogénea en la cantidad requerida. Sin embargo siempre hay un rozamiento que incrementa la tensión de estirado, el rozamiento internamente realiza un trabajo en el cizallamiento del metal, primero en un sentido y luego en otro cuando pasa a través de la hilera. Para permitir un margen razonable particularmente para evitar el peligro del contacto metálico y la adherencia del metal con la cara de la matriz las reducciones llevadas a cabo en la práctica son considerablemente menores que el máximo absoluto, normal mente del 35 al 45 % por pasada. El cizallamiento adicional incrementa el endurecimiento por deformación y los efectos se suman de manera que para una reducción total dada de la sección, un número grande de pasadas ligeras endurece el material mucho más que una o dos pasadas fuertes equivalentes. También se ejerce influencia en el diseño de la hilera .el rozamiento y el trabajo adicional incrementa incrementa la carga de estirado, pero mientras que el trabajo adicional es mayor para grandes ángulos de hilera, que introduce mayor distorsión, la componente descompuesta de la resistencia de rozamiento resulta mayor para hileras de ángulos pequeños. Existe por lo tanto, un Angulo de hilera optimo que será el que de la fuerza de estirado menor para una reducción dada.
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Gran cantidad de varillas, tubos, perfiles especiales se terminan mediante un estirado en frio. A las barras grandes con diámetros mayores a 150mm, se les da con frecuencia una ligera pasada de reducción, que reduce el diámetro en aproximadamente aproximadamente 1.58mm del diámetro inicial, esta reducción se realiza con el fin f in de mejorar el acabado de la superficie y las tolerancias dimensionales. Las barras con diámetros más pequeños se estiran sufriendo reducciones de área mucho mayores, hasta del 50% por pasada, los alambres se pueden reducir un 90% en pasadas sucesivas, partiendo del metal recosido y antes de que se vuelva a recoser. Los tamaños grandes se estiran en pesados bancos, los materiales ferrosos son estirados hasta con velocidades de (30m/min), pero para aleaciones de cobre se usan velocidades mayores. Muchos bancos de estirado modernos se accionan hidráulicamente, lo cual proporciona una acción inicial mucho más suave. Teóricamente se puede calcular la reducción de sección máxima posible en una sola pasada. El limite viene establecido por la rotura traccional del alambre estirado en su tención de fluencia cerca de la misma. En condiciones ideales la tensión de estirado (σ) debe ser simplemente la necesaria para deformar el
alambre de una manera homogénea en la cantidad requerida. Sin embargo siempre hay un rozamiento que incrementa la tensión de estirado, el rozamiento internamente realiza un trabajo en el cizallamiento del metal, primero en un sentido y luego en otro cuando pasa a través de la hilera. Para permitir un margen razonable particularmente para evitar el peligro del contacto metálico y la adherencia del metal con la cara de la matriz las reducciones llevadas a cabo en la práctica son considerablemente menores que el máximo absoluto, normal mente del 35 al 45 % por pasada. El cizallamiento adicional incrementa el endurecimiento por deformación y los efectos se suman de manera que para una reducción total dada de la sección, un número grande de pasadas ligeras endurece el material mucho más que una o dos pasadas fuertes equivalentes. También se ejerce influencia en el diseño de la hilera .el rozamiento y el trabajo adicional incrementa incrementa la carga de estirado, pero mientras que el trabajo adicional es mayor para grandes ángulos de hilera, que introduce mayor distorsión, la componente descompuesta de la resistencia de rozamiento resulta mayor para hileras de ángulos pequeños. Existe por lo tanto, un Angulo de hilera optimo que será el que de la fuerza de estirado menor para una reducción dada.
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Los procesos de estirado están comprendidos dentro de los de compresión indirecta, ya que aunque la carga aplicada para la deformación es de tracción, ésta provoca esfuerzos de compresión, que son en sí los responsables de la deformación. En alguna época entre los siglos VI y X, los venecianos produjeron alambre de materiales suaves al obligar a la materia prima a pasar por orificios de diámetro menor al de ella; dicha operación se efectuaba a mano, por lo que su aplicación fue limitada. Se continuó la producción de "alambre" por el método tradicional en la época, que era mediante el corte de cintas angostas a partir de hojas previamente martilladas.
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En el contexto de los procesos de deformación volumétrica, el estirado es una operación donde la sección transversal de una barra, varilla o alambre se reduce al tirar del material a través de la abertura de un dado como se muestra en la figura n°1. Las características generales del proceso son similares a la extrusión, la diferencia es que en el estirado el material de trabajo se jala a través del dado, mientras que en la extrusión se empuja a través del dado. Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en el estirado, la compresión también juega un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del dado. Por esta razón, la deformación que ocurre en estirado se llama algunas veces compresión indirecta.
Figura Donde:
Do = diámetro diámetro orig ori g inal del del trabajo trabajo D f = diámetro diámetro final fi nal trabajo trabajo
α = ángulo del dado (medio ángulo)
Lc = longitud de contacto del material de trabajo con el dado de estirado La diferencia básica entre el estirado de barras y el estirado de alambre es el diámetro del material que se procesa. El estirado de barras se refiere al material de diámetro grande, mientras que el estirado de alambre se aplica al material de diámetro pequeño. En el proceso de estirado de alambres se pueden alcanzar diámetros hasta de 0.03 mm. Aunque la mecánica del proceso es la misma para los dos casos, el equipo y la terminología son de alguna manera diferentes. El estirado de barras se realiza generalmente como una operación de estirado simple, en la cual el Material se jala a través de la abertura del dado. Debido Debido a que el material inicial tiene un diámetro grande, su forma es más bien una pieza recta que enrollada. Esto limita la longitud del trabajo que puede procesarse y es necesaria una operación tipo lote, Por el contrario, el alambre se estira a partir de rollos de alambre que miden varios cientos (o miles) de metros de longitud y pasa a través de una serie de dados de estirado. El número de dados varía entre cuatro y doce. El término estirado continuo (en inglés, continuous drawing) se usa para describir este tipo de operación, debido a las grandes corridas de producción que 4
pueden realizarse con los rollos de alambre, ya que pueden soldarse a tope con el siguiente rollo para hacer la operación verdaderamente continua. En una operación de estirado, la modificación en el diámetro del material de trabajo se da generalmente por la reducción de área definida como sigue:
Donde:
R educción de área en el estirado. Área orig inal del trabajo, (mm 2 ). = área final, pulg 2 (mm 2 ). La reducción de área se expresa frecuentemente como un porcentaje. De acuerdo a lo anterior podemos definir el proceso de estirado como un proceso de Conformado por Deformación Plástica en el que se pretende efectuar reducciones de sección, para conseguir formas o calibres determinados y mejorar su calidad superficial.
El estirado se realiza generalmente como una operación de trabajo en frío. Se usa más Frecuentemente para producir secciones redondas, pero también se pueden estirar secciones cuadradas y de otras formas. El estirado de alambre es un proceso industrial importante que provee productos comerciales como cables y alambres eléctricos; alambre para cercas, etc.; varillas para producir clavos, tornillos, remaches resortes y otros artículos de ferretería. El estirado de barras se usa para producir barras de metal para maquinado y para otros procesos. Las ventajas del estirado en estas aplicaciones incluyen: 1) estrecho control dimensional 2) buen acabado de la superficie 3) propiedades mecánicas mejoradas, como resistencia y dureza 4) adaptabilidad para producción económica en masa o en lotes. Las velocidades de estirado son tan altas como 50 m/s para alambre muy fino. En el caso del estirado de barras se produce material para maquinado, la operación mejora la maquinabilidad de las barras.
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PROCESO DE TREFILADO El trefilado es un proceso de conformado basado en la ductilidad de los metales. Consiste en forzar a pasar mediante tracción una barra laminada en caliente por un taladro de diámetro inferior al exterior de la propia barra, con lo que el metal se va adelgazando y alargando. La pieza que tiene el taladro para el paso del hilo se denomina “hilera” o “matriz”.
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Por simple laminación en caliente no se consigue llegar a diámetros muy pequeños. Por trefila se obtienen alambres de hasta 0.15 mm de diámetro, caso del cablecillo para neumáticos radiales. El trefilado provoca acritud que aumenta la resistencia a la tracción. Se fabrican alambres de diámetros muy variables que pueden llegar a superar 10 mm, como es el caso del alambre para hormigón pretensado. También obtener propiedades mecánicas muy elevadas, como se da en alambres estirados de alta resistencia que partiendo de acero de calidad alcanza resistencias a tracción superiores a 250 kg/mm2, los máximos alcanzables por un acero.
ACEROS PARA TREFILADO El primer grupo de aceros de trefilería lo constituyen los aceros dulces, bajos en carbono, que por su baja dureza trefilan muy bien. Se utilizan para muchas aplicaciones en diferentes medidas y grados de acabado. El segundo grupo son los aceros medios o altos en carbono. La mejor estructura de trefilado es la sorbítica, obtenida por austenización seguida de transformación isotérmica en baño de pl omo (“patentado”). En el caso de partir de un material laminado en caliente, el patentado se efectúa al aire, aprovechando su calor de laminación y controlando debidamente su temperatura y enfriamiento para alcanzar la adecuada estructura sorbítica. Aunque el procedimiento de trabajo es fundamentalmente el mismo, estirado y trefilado se diferencian en tres aspectos fundamentales: a) El trefilado se aplica a redondos delgados, mientras que el estirado se aplica a barras más gruesas y a tubos. b) En el trefilado se pretende adelgazar el material; el endurecimiento y calibrado vienen por añadidura. En el estirado el objetivo es calibrar y endurecer mediante deformación. c) En el trefilado se adelgaza el material dando varias pasadas, mientras que en el estirado la operación se realiza en una sola. Para que un metal se pueda someter a trefilado ha de cumplir requisitos, como: Ductilidad. Resistencia para que no se rompa al ser estirado. 7
Uniformidad de composición y estructura. Ausencia de defectos.
En el trefilado se hace pasar el alambrón laminado en caliente a través de una hilera que en esencia es una boquilla de diámetro inferior al del alambrón de partida, reduciéndose la sección del mismo. Como puede verse en la figura, el avance de la barra es debido a un esfuerzo de tracción que le obliga a pasar por el taladro de la hilera. Debido al rozamiento y a la disminución de sección el movimiento de traslación de las capas externas se retrasa en relación al de las zonas internas, por lo que éstas avanzan a mayor velocidad que aquéllas. Esto es causa de que el metal, después de trefilado, presente una estratificación característica, orientada en sentido inverso a la que se obtiene en la laminación. La reacción de la hilera contra el empuje del metal da origen a una fuerza R perpendicular a la superficie de contacto, es decir, según el radio de la embocadura de la hilera. Esta fuerza radial de reacción R puede descomponerse en dos: Una de ellas es la componente axial S, dirigida en sentido opuesto al avance; la otra es la componente radial N, perpendicular al eje de la barra. Mientras las componentes radiales N, por ser diametralmente opuestas, se anulan, las componentes axiales S se suman y frenan el movimiento de las zonas periféricas del material. Las principales variables en la trefilación se parecen a las de la extrusión: reducción de área transversal, ángulo del dado, fricción a lo largo de la entercara dado-pieza de trabajo y velocidad de trefilación. el ángulo del dado influye sobre la fuerza de trefilación y la calidad del producto.
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Se denomina Estirado al proceso de Conformado por Deformación Plástica en el que se estira una barra o varilla de metal con el objetivo de reducir su sección transversal. Para reducir la sección de la pieza, se utiliza una matriz de un material metálico muy duro insertado en un bloque de acero, llamada troquel, a través de la cual se jala la barra. La reducción de la sección del material dependerá del ángulo de abertura de la matriz. Se opera, como fase intermedia o como acabado, con perfiles laminados y, generalmente, en frío, lo cual confiere al material las propiedades inherentes a estos procesos: mayor dureza, aumento de la resistencia y mejor acabado superficial, teniéndose así la posibilidad de disminuir las tolerancias
Figura: Parámetros del Estirado- imagen extraida de: ” fundamentos de Manufactura Moderna”-Mikell Groveer- pag. 427
Dónde: Do = diámetro original del trabajo Df = diámetro final trabajo
α = ángulo del dado (medio ángulo)
Lc = longitud de contacto del material de trabajo con el dado de estirado
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En una operación de estirado, la modificación en el tamaño del trabajo se da generalmente por la reducción del área definida como sigue:
Donde:
Reducción de área en el estirado; Área original del trabajo,
(mm2);
= área final, pulg2 (mm2).
Mecánica del estirado Si no ocurre fricción o trabajo redundante en el estirado, la Deformación real puede determinarse como sigue:
Donde:
: Son las áreas originales y final de la sección transversal del material de trabajo, como se definieron previamente; r = reducción del estirado
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El esfuerzo que resulta de esta deformación ideal de la ecuación anterior está dado por:
Figura: Parámetros del Estirado- imagen extraida de: ” fundamentos de Manufactura Moderna”-Mikell Groveer.
Donde = esfuerzo de fluencia promedio
Debido a que la fricción está presente en el estirado y aunque el metal de trabajo experimenta deformación no homogénea, el verdadero esfuerzo es más grande que el proporcionado por la ecuación anterior. Además de la relación Ao /Af , otras variables que tienen influencia en el esfuerzo del estirado son el ángulo del troquel y el coeficiente de fricción en la interfaz trabajo-troquel. Se han propuesto numerosos métodos para predecir el esfuerzo de estirado. A continuación se presenta la ecuación sugerida por Schey:
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Donde 2
= esfuerzo de estirado lb/pulg (MPa);
= coeficiente de fricción dado-trabajo;
= ángulo del dado (medio ángulo)
= factor para deformación no homogénea
Donde:
D = diámetro promedio del trabajo durante el estirado, = longitud de contacto del trabajo con el dado de estirado,
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La fuerza correspondiente de estirado es entonces el área de la sección transversal del Material estirado multiplicado por el esfuerzo de estirado:
Donde
Fuerza de estirado,
En el estirado se pretende efectuar reducciones de sección, para conseguir formas o calibres determinados, así como mejorar su calidad superficial. Se realiza en una pasada y el material de trabajo al que se aplica suelen ser barras de 4 a 6 metros de longitud y diámetro superior a 10 mm, y también a tubos. Grandes cantidades de varillas, tubos, alambres y perfiles especiales, se terminan mediante un estirado en frío, haciéndoles pasar a través de una hilera (figura 3). Cuando se pretende producir piezas cilíndricas de paredes relativamente gruesas (tanques de oxígeno, proyectiles de artillería, torretas de tanques y tubos cortos) se puede utilizar el estirado en caliente
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Figura: Proceso de estirado, imagen extraída de :” fundamentos de conformación por deformación plástica”-Joaquín López rodríguez-pag. 36
Figura: Estirado en caliente, imagen extraída de :” fundamentos de conformación por deformación plástica”Joaquín López rodríguez-pag. 37
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Los materiales y aleaciones que se someten a conformación por estirado deben ser: 1. Suficientemente dúctiles. 2. De suficiente resistencia a la tracción, para que no se rompan al estirar. 3. De excelente calidad en cuanto a la uniformidad de composición y estructura, ya que cualquier defecto puede provocar la rotura de la barra. Los materiales más indicados son: aceros, latones, cobre, aluminio y sus aleaciones y magnesio y sus aleaciones.
Preparación del material de trabajo Antes del estirado El material inicial debe prepararse adecuadamente. Esto involucra tres pasos: 1) recocido, El propósito del recocido es incrementar la ductilidad del material para aceptar la deformación durante el estirado. 2) Limpieza, del material se requiere para prevenir daños en la superficie del material de trabajo y en el dado de estirado. Esto involucra la remoción de los contaminantes de la superficie (por ejemplo, capas de óxido y corrosión) por medio de baños químicos o limpieza con chorro de municiones. En algunos casos se prelubrica la superficie de trabajo después de la limpieza. 3) afilado, El afilado implica la reducción del diámetro del extremo inicial del material de manera que pueda insertarse en troquel. Luego la barra pasa al banco de estirado: El cual consiste en una mesa de entrada, un bastidor del troquel (que contiene el troquel de estirado), la corredera y el armazón de salida. El arreglo se muestra en la figura 3. La corredera se usa para jalar el material a través del troquel de estirado. Está accionado por cilindros hidráulicos o cadenas movidas por un motor.
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El bastidor del troquel se diseña frecuentemente para contener más de un troquel, de manera que se puedan estirar varias barras simultáneamente a través de los respectivos troqueles.
Figura: Banco de estirado, imagen extraída de:” fundamentos de Manufactura Moderna”-Mikell Groveer- pag. 431
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Troqueles de estirado La figura 4, identifica las características de un troquel típico de estirado. Las cuatro regiones del troquel que se pueden distinguir son las siguientes: 1) Entrada: Es generalmente una abertura en forma de campana que no entra en contacto con el trabajo. Su propósito es hacer un embudo lubricante en el troquel y prevenir el rayado en la superficie del trabajo y la superficie del troquel. 2) Angulo de aproximación: La aproximación es donde ocurre el proceso de estirado. Es una abertura en forma de cono con un ángulo (medio ángulo) que fluctúa normalmente de 6º a 20º. El ángulo correcto varía de acuerdo con el material de trabajo. 3) superficie del cojinete (campo): Determina el tamaño final del material estirado. 4) relevo de salida: es la zona de salida. Se provee con un relevo hacia atrás con un ángulo de 30º. Los troqueles de estirado se hacen de acero de herramienta o carburo cementado. Los troqueles para alta velocidad en las operaciones de estirado de alambre usan frecuentemente insertos hechos de diamante (sintético o natural) para las superficies de desgaste.
FORMULA DE TRABAJO PARA LA DEFORMACION HOMOGENEA: La manera más sencilla de deformarse un metal es la que se ve en un ensayo a tracción. Es un principio general que esta deformación homogénea requiera menos trabajo, y en consecuencia una carga menor que cualquier otro. De esa manera , el cálculo de la carga para la deformación homogénea proporciona un límite inferior de la carga necesaria en cualquier otra operación que produzca la misma variación final del área de la sección transversal de la pieza. En el estirado se produce un cambio de forma, que es esencialmente el mismo que el producido en el ensayo de tracción, sin embargo ahí se introduce una resistencia por 17
rozamiento y también y una distorsión interna en el material incrementando ambas el trabajo requerido. En el estirado el esfuerzo de tracción se aplica al alambre estirado, pero su magnitud se determina mediante la carga requerida para provocar la deformación plástica en la zona de la hilera, no sobre la sección transversal del alambre estirado que ha sobrepasado la hilera. Un método más general , aplicable a las condiciones sencillas de tracción o compresión , así como procesos más complejos tales como el estirado, es considerar el trabajo realizado en la deformación de un pequeño elemento y entonces integrarlo a lo largo de toda la región deformación. Para la tracción uniaxial, las tensiones principales para un punto cualquiera son:
El incremento de trabajo realizado al aumentar la longitud de la probeta:
El incremento por unidad de volumen V es
Se puede suponer que no hay cambio de volumen, e integrar.
Suponiendo una tensión de fluencia media
Proporciona una aproximación razonable para un metal que se a endurecido por deformación plástica antes del estirado por tracción de manera que No varié mucho durante el proceso. Esta ecuación es menos útil para un material recocido, donde Y aumenta rápidamente.
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FORMULA DE TRABAJO PARA EL TREFILADO: El trabajo por la fuerza de estirado
Suponiendo una deformación homogénea.
Cuando no existe rozamiento, esta expresión se transformara
Si consideramos de nuevo que el volumen permanezca constante:
La reducción de área r viene dada por:
Asi. Luego la ecuación de estirado:
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CONSIDERACIONES DE LA RESTRICCIÓN DE ROZAMIENTO POR EL CÁLCULO DE LAS TENCIONES LOCALES. En todos los procesos industrialmente importantes normalmente existe rozamiento en las caras de la herramienta, ya que la lubricación no puede nunca ser perfecta. En principio para determinar el trabajo total , se podía calcular el trabajo necesario para vencer el rozamiento, esto sin embargo implicaría un conocimiento de las fuerzas que actúan sobre la pieza. Las tensiones sobre la herramienta no serán las mismas en todo el conjunto de su superficie , ya que la resistencia de rozamiento aumenta con la distancia en la dirección del movimiento de manera que la determinación de estas fuerzas requiere la integración de las tensiones que actúan sobre un elemento pequeño. Habiendo hecho esto, encontramos que es posible de una manera inmediata calcular la carga de trabajo sin necesidad de recurrir al concepto de trabajo. Sin embargo este método subestima la carga ya que no considera la distorsión interna de la pieza.
ESTIRADO DE UNA CHAPA ANCHA NO ENDURECIDA POR ACRITUD, A TRAVÉS DE UNAS MATRICES EN FORMA DE CUÑA. La
Deformación lateral despreciable ” Deformación idéntica sobre todos los planos paralelos al que se representa
Debido al rozamiento las tensiones sobre la matriz aumentan desde la entrada a la salida. Si es la presión normal a la superficie de la matriz y es el coeficiente de rozamiento, podemos determinar la tensión en la dirección del estirado, considerando el equilibrio delas fuerzas que actúan sobre el elemento de la chapa. Existen tres componentes de fuerzas que actúan en la dirección longitudinal, ox. Debido a la variación de la tensión longitudinal (si existe)
Debido directamente a la presión de la matriz (sobre ambas matrices) 20
Debido a la tensión de rozamiento (sobre ambas matrices)
Para unas condiciones de estirado estacionarias, estas fuerzas deben estar en equilibrio:
Simplificando w y despreciando
Se puede expresar geométricamente en función de
Luego:
Es conveniente introducir un parámetro
:
Esta ecuación se puede integrar en principio si se encuentra una relación Si suponemos que , tensión vertical, es uniforme en toda la sección transversal, no habrá ninguna tensión tangencial sobre u plano perpendicular al eje y será una tensión principal. El equilibrio de los componentes de la fuerza perpendicular a la dirección de estirado nos proporciona.
En muchos casos podemos despreciar 21
Si la componente de rozamiento vertical fuese significativa, los ejes principales estarían ligeramente rotados, y había habría esfuerzos tangenciales sobre el plano perpendicular a la dirección del estirado.
En condiciones de deformación plana.
Reemplazando p en
:
Esta es la ecuación diferencial básica para el estirado de chapa ancha dada por Sachs, Lubahn y Tracy. Se aplica igualmente a matrices en cuña o a matrices curvadas. También se puede usar para metales endurecidos por deformación, ya que S es la tensión de fluencia para la sección y a partir de la curva tensión-deformación se puede deducir una relación entre S y x. Sin embargo, para obtener la solución de manera más sencilla, podemos suponer que las matrices son rectas, que el rozamiento es uniforme y que el material no se endurece al deformarse, así con
Suponiendo que no haya tensiones de retroceso a la entrada de la matriz: , así.
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Esta ecuación es conveniente para los cálculos de conformado de metales utilizar la relación adimensional de la tensión del trabajo y la tensión de fluencia. También proporciona un método de comparación rápido con la tensión requerida para la deformación homogénea y da así una medida de la eficiencia del proceso.
Esta expresión representa la tensión directa, en la dirección del estirado, para una distancia x a partir del vértice virtual. Puesto que la deformación permanente tiene lugar cuando.
Se puede calcular la presión de la matriz en cualquier punto.
Se puede observar que la pres ión de la matriz varía con h y de la misma manera con la posición x. La tensión de estirado real ejercidas por las mordazas del banco de estirado es el valor de a la salida de la matriz donde .
El límite de estirado está determinado por la rotura de la barra delante de la matriz
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SOLUCIÓN OBTENIDA CONSIDERANDO EL TRABAJO REALIZADO EN UNA DEFORMACIÓN HOMOGÉNEA Y PLANA PARA EL ESTIRADO Para matrices perfectamente lubricadas B=0
Así para
Incorporando la relación de deformación permanente para la deformación plana
Esta se puede integrar: Usando condiciones de límites a la entrada (
Que corresponde a la solución obtenida considerando el trabajo realizado en una deformación homogénea y plana
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La mayoría de los perfiles se pueden representar de manera aproximada o mediante una matriz en forma de cuña, como ya hemos visto o mediante un arco de circunferencia. Para este último caso, la solución se consigue de la misma manera que en resolución de la ecuación de la eliminación. La tensión requerida para el estirado de una pletina a través de matrices cilíndricas se calcula más fácilmente, resolviendo en primer lugar la ecuación para la presión de las matrices. La ecuación de equilibrio horizontal es:
Combinando esta expresión con la condición de deformación permanente y eliminando en lugar de p:
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El radio de la matriz se supone constante e igual R Y la ecuación se puede expresar en : función de las coordenadas polares (R, ) sustituyendo
En función de la relación adimensional p/S.
En la mayoría de los casos, la variación de la presión de la matriz p a través de la zona de deformación, excede la variación de la tensión de la fluencia , y la variación del producto será todavía menor, ya que aumenta a medida que disminuye. Normalmente el término se puede despreciar en comparación con como lo sugirieron por primera vez Bland y Ford. Esta aproximación no es válida cuando la velocidad de endurecimiento por deformación es muy grande, como ocurre con frecuencia con la primera pasada de una pletina recocida, ni cuando se aplica una gran tracción de retroceso, ya que esta última reduce la variación de p sobre el arco de contacto.
Queda:
Si el ángulo de contacto
es pequeño, se pude realizar otra aproximación. ;
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Entonces:
Esta expresión es exactamente la misma que la ecuación diferencial para el laminado excepto que en el laminado la ecuación cubre solamente una región que va desde la salida hasta el punto neutro, donde el rozamiento es unidireccional y opuesto a la dirección del flujo del metal. El suponer valores pequeños de α es menos exacto para la práctica del estirado de pletina normal que para el laminado. Volviendo a escribir la ecuación e integrando:
Es conveniente introducir el símbolo
De esta manera:
Suponiendo que no hay ninguna tensión longitudinal a la entrada; ; en consecuencia
.
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Tomando como valores siguientes:
(P/S vs α )
1,8 1,6 1,4 ) S / P (
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
α (grados)
La tensión longitudinal fluencia;
se calcula combinando esta expresión con la condición de
La tensión de estirado es la tensión longitudinal
a la salida de la matriz:
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La tecnología del trefilado cambia de empresa en empresa dependiendo de las metas y objetivos de estos mismos. El equipo necesario puede encontrarse desde un simple banco de estirado para trabajo intermitente, hasta bloques múltiples para operación continua. El estirado de barras por ejemplo se realiza en una maquina llamada banco de estirado que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado(que contiene el dado de trefilado), la corredera y el armazón de salida. La corredera se usa para jalar el material a través del dado de estirado. Esta accionado por cilindors hidráulicos o cadenas movidas por un motor. El bastidor del dado se diseña frecuentemente para contener más de un dado, de manera que se puedan estirar varias barras simultáneamente a través de los respectivos dados.
Para el trefilado de alambre se usan tambores de estirado los cuales mantienen tensionado el alambre mientras pasa a otro dado o al rebobinador si ya ha terminado su reducción de diámetro.
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EQUIPAMENTO USADO EN EL PROCESO DE TREFILADO El equipo más importante sin duda es el dado reductor. DADO REDUCTOR O DE ESTIRADO.Este consiste en dos partes, la cubierta y la boquilla. La cubierta está hecha de acero para dados de gran diámetro y de bronce para los pequeños, su función principal es proteger la boquilla. La boquilla, que está contenida dentro de la cubierta esta hecha de carburo de tungsteno en los dados grandes y de diamante industrial en los pequeños. Debe ser hecha de un material extremadamente duro puesto que es la parte en donde se lleva a cabo la reducción de diámetro. La boquilla tiene un agujero en su centro el cual tiene un perfil definido.
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FASES DEL TREFILADO
DESBOBINADO.- El sistema de desbobinado a tensión constante para máquinas trefiladoras esta caracterizado generalmente por la instalación de un motor eléctrico C en cada porta-carretes A, un sensor B de tensión del hilo, un circuito impreso con un micro-controlador y los componentes necesarios para controlar el motor siguiendo una consigna de tensión deseada en el hilo. DECAPADO QUIMICO.- Este procedimiento químico previo a la trefilación que se utiliza para eliminar cascarilla de laminación, óxidos y otros materiales extraños al metal por medio de la acción de ácidos iorgánicos que lo disuelven o transforman en otros productos eliminables por lavado posterior con agua. LUBRICACIÓN.- Para evitar el contacto directo de la hilera (matriz cónica) con el acero en proceso de trefilación, se utiliza un lubricante en polvo de alta presión que durante su acción, se convierte en una pasta que sale adherida en forma de película, a la superficie del material procesado. El lubricante seco más utilizado en el proceso de trefilación es el granito en polvo. MECANIZADO EN FRIO.- Método mecanizado por el cual el alambre se va reduciendo y moldeando hasta la forma deseada mediante rodillos y dados. La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 . Alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.
RECODIDO.- El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas. Se emplea para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtienen aceros más mecanizables y evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre 600 y 700 °C.
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CALIBRACIÓN.- Estrechas tolerancias (h9 en Normas DIN) tanto en la redondez de la sección como en el diámetro de la barra, son características del material trefilado. Las cualidades anteriores junto a muchas otras nombradas, permiten fabricar a partir de éste, piezas y partes de maquinarias. ENCARRETADO.- Instalación colocada al final de la máquina que en carreta el alambre trefilado perfectamente conformado.
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Se denomina estirado al proceso de conformado por deformación plástica en el que se estira una barra o varilla de metal con el objetivo de reducir su sección. Para reducir la sección de la pieza, se utiliza una matriz de un material metálico muy duro insertado en un bloque de acero. La reducción de la sección del material dependerá del ángulo de abertura de la matriz. También sabemos que este proceso es muy similar al proceso de trefilado, ya que también consiste en estirar el material de partida hasta obtener el producto deseado. La diferencia radica en que este proceso no se limita a reducir la sección del material inicial, sino también a modificar su perfil. Además, en el estirado se parte de materiales con secciones y tamaños diversos, obteniendo formas y dimensiones determinadas. En cambio, el trefilado se aplica únicamente al alambrón para obtener alambre, esto es, trabajando en todo el proceso con secciones circulares. El material de partida son barras de acero que previamente han sido laminadas en caliente. El producto resultante del proceso de estirado son barras de acero pulido, con el perfil y las características demandadas por los usuarios; cuya sección transversal es habitualmente cuadrada, rectangular o hexagonal, aunque es posible producir secciones diferentes según la demanda. Estos perfiles pueden tener diversas utilidades. Por ejemplo, los perfiles hexagonales se usan para fabricar tornillos y tuercas. Los perfiles de formas diversas sirven, normalmente, para la obtención de piezas sueltas por troceado transversal de la barra. Los productos ya conformados son utilizados por las industrias de automoción, maquinaria, construcción, aparatos eléctricos y otros sectores, en los que es imprescindible una elevada calidad del material. Las fases del proceso de estirado son similares a las del proceso de trefilado. Inicialmente se realiza un decapado del material para eliminar la suciedad y los óxidos superficiales. Posteriormente tiene lugar el estirado. Este proceso endurece y aumenta la resistencia a la tracción del acero, al mismo tiempo que reduce su ductilidad. Por ello, dependiendo del producto requerido, es necesaria una etapa de recocido tras el estirado en frío. Finalmente, tiene lugar un proceso de acabado en el que se endereza y pule la barra y se corta el extremo afilado.
Como en todos los procesos de trabajo de metales, las buenas operaciones de estirado requieren una selección cuidadosa de los parámetros del proceso, y tener en cuenta muchos factores. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reducción del área de transversal; pueden ir desde 1 a 2.5 m/s para secciones pesadas, y hasta 50m/s para alambre muy delgado. 33
Como el producto no tiene tiempo suficiente para disipar el calor que se genera, las temperaturas pueden subir bastantes y las altas velocidades de estirado pueden tener efectos perjudiciales sobre la calidad del producto. Las reducciones en área transversal por paso van desde cerca de 0 hasta 45%; por lo general mientras menor sea la sección transversal inicial, la reducción por paso será menor. Los alambres finos se suelen estirar con 15 a 25% de reducción por paso, y los de calibres mayores, con 20 a 45%. Si las reducciones son mayores que 45%, pueden causar rotura del lubricante y el deterioro consecuente de acabado superficial. El estirado en secciones solidas o huecas grandes se puede hacer a temperaturas elevadas. Una reducción pequeña, llamada pase de dimensionamiento se puede hacer en barras para mejorar el acabado superficial y la precisión dimensional. Sin embargo, como deforman solo las capas superficiales, las reducciones pequeñas producen deformaciones con poca uniformidad en el material y su microestructura. En consecuencia las propiedades del material varían en toda la sección transversal. Debido al endurecimiento por el trabajo, podría necesitarse recocido intermedio entre los pases, para mantener la ductilidad suficiente durante el estirado en frio. Los alambres de cobre y latón estirados se especifican por su temple, como por ejemplo, ¼ duro, ½ duro, etc.
Decapado
Se limpia, generalmente con ataques químicos y agua a presión, el material para eliminar el óxido que puede formarse en la superficie. Esto es necesario para prevenir daños en la matriz y en la superficie de trabajo. Estirado
Se realiza en los bancos de estirar formados por una bancada con una cabeza portahilera, un carro de tracción provisto de una mordaza para sujetar la barra y aplicar el esfuerzo de tracción, y un dispositivo para desplazar el carro (cremallera, cadena sin fin, cilindro y pistón).
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La pieza fundamental es la HILERA, su perfil longitudinal se puede dividir en: - Embocadura: ángulos redondeados que facilitan el acceso de la barra. - Sección de reducción (tronco-cónica): donde se consigue la reducción y estirado del material. - Sección de calibrado (cilíndrica): se ajusta el diámetro final de la barra. - Cono de salida: tronco-cónico de 30º normalmente.
Las cuatro secciones tienen redondeados los ángulos de unión entre sí, para facilitar el flujo del material. Existen dos tipos de hileras, en función de que se puedan o no regenerar, que a su vez depende del material con el que están hechas. Las primeras se fabrican de acero de herramienta (acero rápido al cromo) y permiten velocidades de estirado de 5 a 6 m/min, y las segundas de widia (carburo de tungsteno) pudiendo alcanzar los 20÷45 m/min. Acabado
Una vez el material estirado pasa por un proceso de enderezamiento y un ligero recocido de eliminación de tensiones, y si al caso requiere, algún tratamiento isotérmico para mejorar sus características mecánica. - Corte de los extremos. - Recocido: para eliminar acritud si se desea. - Enderezado - Pulido Dados de estirado La parte más importante de la máquina de estirado es el dado. Este consiste de dos partes, la cubierta y la boquilla. La cubierta está hecha de acero para dados de gran diámetro y de bronce para los pequeños, su función principal es proteger la boquilla. La boquilla, que está contenida dentro de la cubierta está hecha de carburo de tungsteno en los dados grandes y de diamante industrial en los pequeños. Debe ser hecha de un material extremadamente duro puesto que es la parte en donde se lleva a 35
cabo la reducción. La boquilla tiene un agujero en su centro el cual tiene un perfil definido. Las cuatro regiones del dado que se pueden distinguir son las siguientes: 1) Entrada. La región de entrada es generalmente una abertura en forma de campana que no entra en contacto con el trabajo. Su propósito es hacer un embudo lubricante en el dado y prevenir el rayado en la superficie del trabajo 2) Angulo de aproximación. Es donde ocurre el proceso de estirado. Es una abertura en forma que cono con un ángulo (medio ángulo) que fluctúa normalmente de 6 a 20°. El ángulo correcto varía de acuerdo al material de trabajo. 3) Superficie del cojinete (campo). Determina el tamaño final del material estirado. 4) Relevo de salida. Se provee con un relevo hacia atrás con un ángulo de 30°.Los dados de estirado se hacen de acero de herramienta o carburo cementado. Los dados para alta velocidad en las operaciones de estirado de alambre usan frecuentemente insertos hechos de diamante (sintético o natural) para las superficies de desgaste
El ángulo del dado, de acuerdo con lo que se indica en el inciso (c), es determinante en la carga requerida. El óptimo será aquel que minimice la energía necesaria para la deformación, la cual está determinada por tres componentes:
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a) Trabajo de deformación. Está definido por la deformación inherente al proceso. b) Carga de fricción. Depende del área de contacto y por tanto de la conicidad del dado. Un ángulo de entrada más pequeño significa un área de contacto mayor, considerando una reducción de referencia. c) Trabajo redundante. Es la energía extra necesaria para doblar primero en una dirección determinada las fibras del material y después regresarlas a la dirección de flujo. Es evidente que este término será mayor cuando el ángulo del dado se incremente.
El ángulo óptimo puede ser determinado a través de un análisis del límite superior. En general, se considera que a mayor resistencia del material, más pequeño es el ángulo óptimo. Materiales para dados Los materiales para las matrices o dados para estirado suelen ser aceros para herramienta y carburos; los dados de diamante se usan para la fabricación de alambre delgado. Para tener mejor resistencia al desgaste, las matrices de acero se pueden cromar y las de carburo se pueden recubrir con nitruro de titanio. Los mandriles para estirar tubo son en general de aceros de grado herramienta endurecidos o de carburos. Los matrices o dados de diamante se usan para estirar alambre fino, con diámetro de 2µm a 1.5mm. Pueden ser de diamante monocristalino o en forma policristalina, donde las partículas de diamante estén en una matriz metálica. Por su costo y falta de resistencia a la tensión y tenacidad, los dados de carburo y de diamante se usan en forma de insertos o
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pastillas, sostenidas en una pieza de acero fundido. Para el estirado en caliente se usan dados de acero fundido por su alta resistencia al desgaste, a temperaturas elevadas.
Es esencial la lubricación adecuada en el estirado para mejorar la vida del dado, reducir las fuerzas y la temperatura en el proceso y mejorar el acabado superficial. En el estiramiento de tubos, la lubricación es especialmente crítica, por la dificultad de mantener una capa de lubricante del grueso apropiado en el contacto entre mandril y tubo. Las clases básicas de lubricación son las siguientes: Estirado en húmedo: los dados y la varilla se sumergen por completo en el lubricante, que normalmente está formando por aceites y emulsiones con aditivos grasos o clorados, y diversos compuestos químicos. Estirado en seco: la superficie de la varilla por estirar se recubre con un lubricante, como por ejemplo jabón, haciéndola pasar por una caja llena de éste. Recubrimiento: la varilla o el alambre se cubre con un metal suave que funciona como lubricante sólido. Por ejemplo, el cobre o el estaño se pueden depositar químicamente sobré la superficie del metal, para servir este propósito.
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Vibración ultrasónica de dados y mandriles: esta técnica se ha usado con éxito para reducir la fricción al estirar secciones solidad o huecas, así como en otros procesos de trabajo con metales. Cuando se hace bien, las vibraciones reducen las fuerzas, mejoran el acabado superficial y la vida del dado y permiten mayores reducciones por pase, sin falles.
Aunque tiene diversos diseños, el equipo de estirado es de dos tipos básicos: banco de estirado e hilera. Un banco de estirado contiene un solo dado y su diseño se parece a una maquina larga, horizontal, de pruebas de tensión. La fuerza de tracción se obtiene de una cadena o se activa hidráulicamente. Los bancos se estirado se usan para estirar tramos de varillas y tubos rectos con diámetros mayores de 20mm. Los tramos pueden ser hasta de 30metros. Las capacidades de las maquinas llegan hasta 1.3MN de fuerza de tracción, con un intervalo de velocidades de 6 a 60m/min. Las varillas y alambres muy largos y los alambres de menores secciones transversales se estiran con un tambor (polea grande) rotatorio. La tensión en este conjunto suministra la fuerza necesaria para estirar el alambre, por lo general a través de varios dados.
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Dentro de las principales partes del banco de estirado tenemos:
Mandíbula abrazadera: La función de la mandíbula abrazadera es la de sujetar las extrusiones que van siendo estiradas. La pinza está hecha de acero que es templado y revenido, y la superficie de la pinza de sujeción es templada a alta frecuencia para lograr una alta resistencia al uso gasto. Carro de rodillos (para mantener el movimiento correcto del carro): La mesa de rodillos funciona para asegurar el movimiento preciso del carro, garantizando así la planeidad de los productos elaborados. Está hecho de acero al carbono de calidad superior. Toda la mesa de rodillos es templada y revenida, y la superficie es templada a alta frecuencia para asegurar una alta resistencia al uso. Mesa de rodillos de transporte (transporte de los productos elaborados hasta los rodillos de transporte de producto final): Esta tabla de rodillo de transporte funciona para transportar los productos transferidos por el carro hasta la tabla de transporte de productos finales.
Los defectos normales en las varillas y alambres estirados son parecidos a los que se observan en la extrusión, en especial al agrietamiento del centro. Otra clase de defectos en el estirado es el de traslape, que son rayaduras o pliegues longitudinales del material. Las costuras pueden abrirse durante las operaciones siguientes de conformación, como por ejemplo el recalcado, cabeceado, laminado de cuerdas o doblado de la varilla o el alambre y pueden causar graves problemas de control de calidad en la producción. Hay otros defectos superficiales, como rayas y marcas de dado, que puede resultar por la selección impropia de los parámetros del proceso de estirado, mala lubricación o mal estado de las matrices. Como los productos estirados en frio sufren deformación no uniforme durante el estirado, suelen tener esfuerzos residuales. En las reducciones pequeñas, de algunos puntos porcentuales, los esfuerzos superficiales longitudinales residuales son de compresión, mientras que el centro está en tensión; de este modo se mejora la vida de fatiga. Al revés, las reducciones mayores inducen esfuerzos superficiales de tensión mientras que el núcleo está en compresión. Los esfuerzos residuales pueden ser importancia en el origen del agrietamiento de la pieza, al paso del tiempo, debido al agrietamiento por corrosión bajo esfuerzos. Es más causan que el componente se tuerza si se quita después una capa del material, como en el ranurado, maquinado o rectificado.
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