67.27 TECNOLOGÍA MECÁNICA II

Profesores

Ing. E. N. Alvarez – Ing. J. Lancestremere – Ing. J. C. Mareglia – Ing. J. Barr

FUNDAMENTOS DE LA

TRAFILACIÓN

Índice

Conceptos generales sobre la conformación plástica.Mecanismos de la deformación.Efectos de la temperatura en la conformación. Trabajo en caliente. Trabajo en frío.Comparaciones de trabajos en frío y en caliente.Fundamentos del trafilado. Fuerza de tiro necesaria.Análisis de tensiones durante el trafilado. Esfuerzo total. Cálculo de σrI. Cálculo de σrII. Influencia de la fricción. Cálculo de σrIII, Influencia del cizallamiento no uniforme. Tensiones totales. Centro del alambre.Esquema del proceso de trafilado. Tratamiento térmico. Preparación superficial.Decapado Mecánico, Químico. Preparación superficial.Maquinaria. Caso de caños y barras. Caso de alambres. Maquinas con acumulación. Maquinas con deslizamiento. Máquinas de tiro recto.Recubrimientos superficiales.Trafilas.Ángulos de trabajo 2α.Materiales de los núcleos. Acero. De polvos metálicos aglomerados en caliente. De diamante.Referencias.

Editó: J. Clifton GoldneyAlumno de la carrera de Ingeniería Mecánica - Orientación Diseño

- 2004 -

CONCEPTOS GENERALES SOBRE CONFORMACIÓN PLÁSTICA

En todas las operaciones de conformado de metales las piezas se deforman permanentemente y algunas veces en gran proporción. El objeto de una teoría de conformado es poder calcular, dado un grado de conformación deseado, las fuerzas necesarias para lograrlo.

Si tomamos como ejemplo una de las formas más sencillas de aplicar cargas, una fuerza de tracción unidireccional, y la analizamos, podemos extraer algunas conclusiones. Veamos, por ejemplo, un diagrama de tracción de un metal dúctil

Hay dos zonas que se diferencian netamente entre sí.

Zona elástica: Es la zona recta en la cual los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones; se cumple la ley de Hooke y es zona Clásica de trabajo en ingeniería para el diseño de piezas y estructuras ya que, retirando la carga, el material vuelve a sus dimensiones originales.

Zona plástica: Superado el valor de Y estamos con deformaciones permanentes; es decir, retirada la causa que originó el alargamiento, el material no retorna a su forma inicial, sino que retiene un alargamiento o deformación permanente, el cual es igual al alargamiento producido menos la recuperación elástica.

Existe una primera parte del diagrama en la cual las deformaciones crecen prácticamente sin el incremento de las fuerzas aplicadas. Luego, para continuar deformando el material es necesario que las fuerzas aplicadas aumenten su valor. Si tenemos en cuenta la estricción, vemos que las fuerzas por unidad de superficie crecen hasta producir la rotura de la probeta.

Mecanismos de la deformación

Cuando los materiales metálicos estén sujetos a fuerzas que excedan su limites elásticos, tendrán deformaciones permanentes; dicho de otra manera el material fluye en direcciones que dependen de las fuerzas aplicadas.

La explicación de estos mecanismos de deformación debemos buscarla en la naturaleza cristalina de los metales. En estas agrupaciones cristalinas la deformación plástica se produce

CONCEPTOS GENERALES SOBRE CONFORMACIÓN PLÁSTICA

En todas las operaciones de conformado de metales las piezas se deforman permanentemente y algunas veces en gran proporción. El objeto de una teoría de conformado es poder calcular, dado un grado de conformación deseado, las fuerzas necesarias para lograrlo.

Si tomamos como ejemplo una de las formas más sencillas de aplicar cargas, una fuerza de tracción unidireccional, y la analizamos, podemos extraer algunas conclusiones. Veamos, por ejemplo, un diagrama de tracción de un metal dúctil

Hay dos zonas que se diferencian netamente entre sí.

Zona elástica: Es la zona recta en la cual los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones; se cumple la ley de Hooke y es zona Clásica de trabajo en ingeniería para el diseño de piezas y estructuras ya que, retirando la carga, el material vuelve a sus dimensiones originales.

Zona plástica: Superado el valor de Y estamos con deformaciones permanentes; es decir, retirada la causa que originó el alargamiento, el material no retorna a su forma inicial, sino que retiene un alargamiento o deformación permanente, el cual es igual al alargamiento producido menos la recuperación elástica.

Existe una primera parte del diagrama en la cual las deformaciones crecen prácticamente sin el incremento de las fuerzas aplicadas. Luego, para continuar deformando el material es necesario que las fuerzas aplicadas aumenten su valor. Si tenemos en cuenta la estricción, vemos que las fuerzas por unidad de superficie crecen hasta producir la rotura de la probeta.

Mecanismos de la deformación

Cuando los materiales metálicos estén sujetos a fuerzas que excedan su limites elásticos, tendrán deformaciones permanentes; dicho de otra manera el material fluye en direcciones que dependen de las fuerzas aplicadas.

La explicación de estos mecanismos de deformación debemos buscarla en la naturaleza cristalina de los metales. En estas agrupaciones cristalinas la deformación plástica se produce

por el desplazamiento de una laminas de cristal en relación a otras. El movimiento se localiza en una serie de planos o por lo menos de hojas muy delgadas, en forma semejante a los naipes cuando se deforma una baraja.

La parte elástica de la curva está dada por una rotación o por pequeñas deformaciones de los cristales, los cuales vuelven a su posición una ves que cesa la causa que los originó.

Cuando los esfuerzos superan el limite elástico se producen desplazamientos a la largo de ciertos planos cristalográficos (planos de deslizamiento) y dentro de ellos, en ciertas direcciones (direcciones de deslizamiento). Como resultado de estos deslizamientos se producen obstrucciones por el bloqueo de las mencionadas direcciones de deslizamiento y debido a la presencia de otros cristales adyacentes. Por este motivo se produce una continua reducción de la capacidad de deformación plástica remanente y un cambio en las propiedades físicas del metal.

En efecto, de estos bloqueos es que incrementándose los esfuerzos externos necesarios para deformar el metal llegará un momento en que, aplicando nuevos esfuerzos, el efecto será producir la rotura del material.

Efectos de la temperatura en la conformación.

Si tomamos un material conformado y lo calentamos se produce a determinadas temperaturas un proceso de recristalización, cuyo resultado es una completa redistribución de los átomos del metal que forman nuevos cristales y causando como consecuencia la eliminación total de la acritud obtenida por la conformación.

Esta recristalización se produce producir inmediatamente después de la conformación (trabajo en caliente) o con un tratamiento térmico posterior a la deformación (trabajo en frío). Estos se podrían definir de la siguiente manera.

Trabajo en caliente. Es aquella conformación que se produce en condiciones tales de temperatura y velocidad que tienen lugar simultáneamente la deformación y la restauración (o recristalización). Por ejemplo, entre los rodillos de laminador.

Trabajo en frío. Un metal se conforma en frío cuando no se eliminan las perturbaciones producidas durante el proceso. Dicho de otra forma, no se elimina el endurecimiento por deformación y por esta razón, la deformación total que puede darse es menor que la que se conseguirá trabajando en caliente, a menos que dicho endurecimiento se elimine tratamientos térmicos intermedios.

Comparaciones de trabajos en frío y en caliente. El termino “comparación” que se emplea en el título es muy relativo ya que las finalidades de un trabajo u otro son generalmente diferentes.

El trabajo en caliente es siempre una operación primaria (a pesar de que puede ser una final), cuyo objeto es romper las estructuras arborescentes de los metales colados. Al mismo tiempo y como consecuencia de la disminución del límite elástico con la temperatura, la energía necesaria para el proceso es bastante menor.

En cambio los trabajos en frío son operaciones finales y se puede aprovechar en muchos casos, no sólo el cambio de forma sino el aumento de resistencia producido por el proceso, conservando todavía una adecuada ductilidad para el uso.

Desde el punto de vista del producto obtenido, se puede decir lo siguiente:

1) Dado el trabajo en caliente es para la mayoría de los metales a temperaturas bastante elevadas, se producen reacciones entre la superficie del metal y la atmósfera que lo rodea; debido a esto se producen oxidaciones y la inclusión de estos óxidos en el metal por un pasaje posterior perjudica la terminación superficial. También por causa de las dilataciones y contracciones que sufre el material es inevitable que los productos terminados en caliente tengan mayores tolerancias que los terminados en frío. Por ejemplo, un alambrón de 5mm tiene una tolerancia de diámetro de ±0,3mm.

2) Trabajando en frío, el mayor limite elástico obliga a disponer de mayor potencia para la deformación. Dado que se produce un aumento de la resistencia y una disminución de la ductilidad, el producto se puede romper antes de alcanzar la forma y el tamaño final deseados. Por ello es que el trabajo en frío se debe ajustar a cilio de trabajo, recuperación de estructura y trabajo nuevamente, tal como indican los esquemas

Por otro lado, al no existir los problemas de elevadas temperaturas, las tolerancias dimensionales son bastante menores y la terminación superficial es muy superior. Un alambre de Ø5mm tiene una tolerancia admitida de ±0,05mm.También se pueden obtener productos con una mayor resistencia a la original, si bien a costa de una reducción de la ductilidad.

Fundamentos del trafilado.

El proceso de trafilado es una forma de conformar metales por compresión indirecta. El material, cuyo punto se afino previamente, se introduce en una herramienta de forma cónica y tirando a través del mismo se produce la conformación.

El trabajo en caliente es siempre una operación primaria (a pesar de que puede ser una final), cuyo objeto es romper las estructuras arborescentes de los metales colados. Al mismo tiempo y como consecuencia de la disminución del límite elástico con la temperatura, la energía necesaria para el proceso es bastante menor.

En cambio los trabajos en frío son operaciones finales y se puede aprovechar en muchos casos, no sólo el cambio de forma sino el aumento de resistencia producido por el proceso, conservando todavía una adecuada ductilidad para el uso.

Desde el punto de vista del producto obtenido, se puede decir lo siguiente:

1) Dado el trabajo en caliente es para la mayoría de los metales a temperaturas bastante elevadas, se producen reacciones entre la superficie del metal y la atmósfera que lo rodea; debido a esto se producen oxidaciones y la inclusión de estos óxidos en el metal por un pasaje posterior perjudica la terminación superficial. También por causa de las dilataciones y contracciones que sufre el material es inevitable que los productos terminados en caliente tengan mayores tolerancias que los terminados en frío. Por ejemplo, un alambrón de 5mm tiene una tolerancia de diámetro de ±0,3mm.

2) Trabajando en frío, el mayor limite elástico obliga a disponer de mayor potencia para la deformación. Dado que se produce un aumento de la resistencia y una disminución de la ductilidad, el producto se puede romper antes de alcanzar la forma y el tamaño final deseados. Por ello es que el trabajo en frío se debe ajustar a cilio de trabajo, recuperación de estructura y trabajo nuevamente, tal como indican los esquemas

Por otro lado, al no existir los problemas de elevadas temperaturas, las tolerancias dimensionales son bastante menores y la terminación superficial es muy superior. Un alambre de Ø5mm tiene una tolerancia admitida de ±0,05mm.También se pueden obtener productos con una mayor resistencia a la original, si bien a costa de una reducción de la ductilidad.

Fundamentos del trafilado.

El proceso de trafilado es una forma de conformar metales por compresión indirecta. El material, cuyo punto se afino previamente, se introduce en una herramienta de forma cónica y tirando a través del mismo se produce la conformación.

Tenemos, por lo tanto, una serie de variables en el proceso que debemos considerar, tanto para calcular los esfuerzos en el equipo como para poder prever que variaciones introducimos en nuestro proceso en el material conformado.

En definitiva, necesitamos estudiar lo siguiente: a) qué fuerza de tiro precisamos; b) qué influencia tiene el ángulo alfa; c) fuerzas de rozamiento y su influencia sobre el proceso; d) influencia de la reducción del área total en el proceso; y e) Comportamiento de las diferentes estructuras metalográficas en el mismo.

Como es fácil deducir, gran parte de las variables involucradas tiene relación con la forma del material a trafilar. Por lo tanto, los desarrollo que haremos a continuación se refieren a secciones circulares, que son las más comúnmente trafiladas.

Fuerza de tiro necesaria.

La conformación se realizó en la hilera o trafila, estando al mismo tiempo bajo la acción de la fuerza P, que actúa sobre el alambre, y la presión transversal Q, que surge en el como trafilado como fuerza re reacción, figura 1. Esta fuerza Q no actúa perpendicularmente a las paredes sino que forma un cierto ángulo (debido al rozamiento) de forma tal que siendo el semiángulo de la tobera, podemos plantear la siguiente relación:

sinQP

2αD1

D2D2

D1 2α

ϕα

2αD1

D2D2

D1 2α

ϕα

Para los valores habituales en trafilas de , con adecuada lubricación, la fuerza Q es cuatro a siete veces mayor que P.

14a102 050,tan

En esas condiciones, se debe cumplir en cualquier punto de la tobera que .Yr

Este valor varía a la entrada y a la salida de la trafila pero las reducciones habitualmente usadas en alambres, podemos decir

Y

221

mY

siendo la resistencia media a la deformación. mY

Por otra parte y como primera aproximación, podemos decir

YmdFQ

siendo contacto.deárea21

sinFF

dF

En esas condiciones y reemplazando valores, podemos escribir

sin

sinsin YmYmd

FFFP 21

y, dado el valor de los ángulos intervinientes,

sinsin

4 tan coeficiente de frotamiento.

Entonces,

121 YmFFP

Con los valores habituales de una hilera de acero (0,09 / 0,12 radianes) y , se puede estimar

7a5050a020 ,,

2151a21 FFP Ym ,,

Esta fórmula da resultados suficientemente aproximados como para estimar la fuerza de tiro de cada hilera. Si tenemos en cuanta la velocidad de trafilado y el rendimiento mecánico, podremos estimar la potencia para la operación.

Para los valores habituales en trafilas de , con adecuada lubricación, la fuerza Q es cuatro a siete veces mayor que P.

14a102 050,tan

En esas condiciones, se debe cumplir en cualquier punto de la tobera que .Yr

Este valor varía a la entrada y a la salida de la trafila pero las reducciones habitualmente usadas en alambres, podemos decir

Y

221

mY

siendo la resistencia media a la deformación. mY

Por otra parte y como primera aproximación, podemos decir

YmdFQ

siendo contacto.deárea21

sinFF

dF

En esas condiciones y reemplazando valores, podemos escribir

sin

sinsin YmYmd

FFFP 21

y, dado el valor de los ángulos intervinientes,

sinsin

4 tan coeficiente de frotamiento.

Entonces,

121 YmFFP

Con los valores habituales de una hilera de acero (0,09 / 0,12 radianes) y , se puede estimar

7a5050a020 ,,

2151a21 FFP Ym ,,

Esta fórmula da resultados suficientemente aproximados como para estimar la fuerza de tiro de cada hilera. Si tenemos en cuanta la velocidad de trafilado y el rendimiento mecánico, podremos estimar la potencia para la operación.

Análisis de tensiones durante el trafilado.

La forma de cálculo anterior, si bien da datos sobre esfuerzos totales, no permite analizar qué pasa con el material durante el proceso.

Tomando siempre como base una sección circular, podemos analizar lo siguiente: a) Tensiones debidas al cambio de forma geométrica. Un cierto volumen de material I pasa a través de la hilera y se transforma en un cierto volumen II con distinto diámetro.

Este caso es fácil de analizar; se suele tener en cuanta el criterio de fluencia de la máxima tensión cizallante de forma tal que en cada punto de la mesa que fluye se debe cumplir

Yr

Donde es la tensión de fluencia del material en un ensayo de tracción. Y

b) Tensiones debidas a la fricción. Las fuerzas de fricción que se presentan entre la pared de la tobera y el alambre dan un incremento de la tensión aumentando los valores del esfuerzo de tiro. r

c) Tensiones debidas al cizallamiento no uniforme. Por la acción de las fuerzas de rozamiento actuantes no sucede que una sección I pase a ser una sección II. Las mencionadas fuerzas ocasionan que las secciones cercanas a la pared de la tobera sean detenidas relativamente respecto a las secciones próximas al centro del material, tomando las secciones consideradas una forma convexa.

Se han hecho numerosos ensayos de cortar secciones circulares por la mitad y trazar cuadriculas en ellas. Luego se procede a trafilar y las deformaciones obtenidas son similares a las dibujadas.

La magnitud de este cizallamiento no uniforme depende fuertemente del ángulo del cono de la hilera; es decir, a mayores ángulos, mayores deformaciones.

Esfuerzo total.

Tal cual como fue planteado en los párrafos anteriores, el esfuerzo total longitudinal se compone de tres sumandos:

rIIIrIIrIr

siendo,rI = tensiones debidas al cambio de forma geométrica;

rII = tensiones debidas a los esfuerzos de fricción; y

rIII = tensiones debidas al cizallamiento no uniforme.

Cálculo de .rI

Si planteamos en esta primera aproximación el equilibrio de fuerzas en la dirección axial, podamos decir para el anillo indicado en la figura

α

α2α

D2

D1

r2

r

r+d r

r1

D

d D/2

c) Tensiones debidas al cizallamiento no uniforme. Por la acción de las fuerzas de rozamiento actuantes no sucede que una sección I pase a ser una sección II. Las mencionadas fuerzas ocasionan que las secciones cercanas a la pared de la tobera sean detenidas relativamente respecto a las secciones próximas al centro del material, tomando las secciones consideradas una forma convexa.

Se han hecho numerosos ensayos de cortar secciones circulares por la mitad y trazar cuadriculas en ellas. Luego se procede a trafilar y las deformaciones obtenidas son similares a las dibujadas.

La magnitud de este cizallamiento no uniforme depende fuertemente del ángulo del cono de la hilera; es decir, a mayores ángulos, mayores deformaciones.

Esfuerzo total.

Tal cual como fue planteado en los párrafos anteriores, el esfuerzo total longitudinal se compone de tres sumandos:

rIIIrIIrIr

siendo,rI = tensiones debidas al cambio de forma geométrica;

rII = tensiones debidas a los esfuerzos de fricción; y

rIII = tensiones debidas al cizallamiento no uniforme.

Cálculo de .rI

Si planteamos en esta primera aproximación el equilibrio de fuerzas en la dirección axial, podamos decir para el anillo indicado en la figura

044

22

sincosDdrDdDDd rrr

Como el material está fluyendo, se debe cumplir punto a punto que

Yr

Simplificando y reduciendo a una sola variable, la siguiente ecuación diferencial es:

02

rdrYr

cuya ecuación nos conduce a

DdD

rdr

YYr 22

Para poder integrar esa ecuación nos bastaría conocer la relación que vincula a con r. Para las relaciones habituales de reducción en los procesos se puede tomar como un promedio y entonces considerarlo constante con lo que se obtiene

Y

Y

221 DDYmrI ln

Dada la aparición del cuadrado del diámetro es muy común trabajar con la relación de secciones 21

22

21 FFDD

21 FFYmrI ln

Es interesante observar que aun en estas condiciones tan teóricas ya se plantea un límite máximo, por supuesto inalcanzable prácticamente para deformación en una sola pasada.

El máximo valor posible de es . Entonces rI YrI YY FF 21ln .Luego 370121 , eFF

Definiendo q como reducción de sección 21121 1q FFFFF .

α

α2α

D2

D1r2

r

r+d r

r1

D

d D/2

6303701qMAX ,,

Luego qMAX = 63%.

Cálculo de . Influencia de la fricción.rII

Para estimar las fuerzas debidas al rozamiento, una de las formas sería introducir el valor en la ecuación diferencial plantea anteriormente, y resolverla. En el libro de Dieter, “MetalurgiaMecánica”, se encara una solución de este tipo. Pero con una serie de simplificaciones para el caso de secciones circulares, se puede llegar a resultados útiles.

Dado que las tensiones son varias veces mayores que las y cumpliéndose punto a

punto la condición de cizallamiento , podemos considerar que por unidad de

sección las fuerzas de rozamiento tienen un valor y están aplicadas en la sección media.

r

Yr

Ym

Con estas suposiciones, la fuerza proyectada que se opone al movimiento resulta ser:

cos

sin YmPFFR 21

Por lo tanto, para tomarlo como resistencia específica, lo dividimos por la sección media 221 FFFm

tan121

Ymmm

PrII F

FFFR

Si consideramos el desarrollo en serie de

α

α2α

D2

D1r2

r

r+d r

r1

D

d D/2

6303701qMAX ,,

Luego qMAX = 63%.

Cálculo de . Influencia de la fricción.rII

Para estimar las fuerzas debidas al rozamiento, una de las formas sería introducir el valor en la ecuación diferencial plantea anteriormente, y resolverla. En el libro de Dieter, “MetalurgiaMecánica”, se encara una solución de este tipo. Pero con una serie de simplificaciones para el caso de secciones circulares, se puede llegar a resultados útiles.

Dado que las tensiones son varias veces mayores que las y cumpliéndose punto a

punto la condición de cizallamiento , podemos considerar que por unidad de

sección las fuerzas de rozamiento tienen un valor y están aplicadas en la sección media.

r

Yr

Ym

Con estas suposiciones, la fuerza proyectada que se opone al movimiento resulta ser:

cos

sin YmPFFR 21

Por lo tanto, para tomarlo como resistencia específica, lo dividimos por la sección media 221 FFFm

tan121

Ymmm

PrII F

FFFR

Si consideramos el desarrollo en serie de

...FFFF

FFFFFF

3

21

21

21

2121 1

131

112ln

y despreciamos los términos superiores a los cuadrados podemos poner

212 FFmYrII ln

Cálculo de , Influencia del cizallamiento no

uniforme.rIII

Las demostraciones y la parte matemática de los siguientes desarrollos se encuentran en un artículo de la revista “Alambre” de junio de 1952. Dicho artículo se denomina “Fuerzas yTensiones en el Estirado de Alambres”, por el Ing E. Siebel. Aquí nos limitaremos a extraer conclusiones en forma más o menos intuitiva.

La deformación se produce de forma tal que algunas capas del material son retardadas (las más cercanas a la pared de la tobera) y otras aceleradas (las centrales). Esto causa dos efectos:

a) aumento de la resistencia aparente a la confirmación de forma tal que en promedio se llega a un valor YmrIII 32 .

b) Al mismo tiempo en el centro del alambre se producen sobretensiones dando como resultado la alteración del diagrama de tensiones.

α

α2α

D2

D1

r2

r

r+d r

r1

D

d D/2

Esta alteración se produce porque un infinitésimo antes de entrar a la tobera de conformación la fuerza externa es nula, por lo tanto, .0 r

Pero al existir deformación nos demuestra que no tiene una distribución igual en la sección y, por lo tanto, se incrementa en el centro del alambre.

r

En el centro se llega al siguiente valor:

21

51132

FFYmIIIrMAX ln,

Tensiones totales.

Tendremos entonces rIIIrIIrIr

21

21 321

FFFFYmrm ln

ln

Si lo graficamos en función del ángulo, obtenemos gráficos de la siguiente forma

Por lo tanto, los esfuerzos menores de tiro se consiguen con ángulos entre 6° y 12 °.

Esta alteración se produce porque un infinitésimo antes de entrar a la tobera de conformación la fuerza externa es nula, por lo tanto, .0 r

Pero al existir deformación nos demuestra que no tiene una distribución igual en la sección y, por lo tanto, se incrementa en el centro del alambre.

r

En el centro se llega al siguiente valor:

21

51132

FFYmIIIrMAX ln,

Tensiones totales.

Tendremos entonces rIIIrIIrIr

21

21 321

FFFFYmrm ln

ln

Si lo graficamos en función del ángulo, obtenemos gráficos de la siguiente forma

Por lo tanto, los esfuerzos menores de tiro se consiguen con ángulos entre 6° y 12 °.

Centro del alambre.

La situación en el centro del alambre es diferente; allí la tensión máxima tienen el siguiente valor:

22121

21 321

FFFFFFYmrMAX lnln

ln

La situación se complica porque aquí los ángulos de tensiones mínimas son bastante menores que los que corresponden a tensiones medias. Además, después de superado el valor mínimo, las tensiones crecen muy rápidamente.

En estas condiciones se puede llegar a producir un defecto de trafilación denominado “sobrepasar”, es decir, en el centro del alambre se producen tensiones que superan la carga de rotura, dejando entonces una serie de fisuras en el mismo.

Esquema del proceso de trafilado.

En forma muy general podemos presentar un diagrama de bloques, que esquematiza las diferentes operaciones de un proceso de trafilado.

Tratamiento Térmico

Preparación Superficial

Trafilado

Recubrimiento Superficial

Este esquema indica una secuencia necesaria para el proceso. Indicaremos a continuación el significado de cada operación.

1) Tratamiento térmico.

Cuando se debe deforma mucho el material )por ejemplo alambres de acero 80/90%, alambres de aluminio 90/95%), la posibilidad de hacerlo está en que el metal tanga una estructura metalográfica apta para la conformación.

Los tratamientos térmicos varían para cada metal, buscando la estructura más adecuada. Por ejemplo: Cobre: se hace un recocido entre 220 y 600°C dependiendo de la pureza del mismo; Aluminio: el recocido se hace entre temperaturas de 350 y 500°C; Acero de bajo tenor de carbono (hasta 1015/1020): se hace un recocido total; y Aceros de mediano y alto tenor de carbono (1025 y superiores): aquí el tratamiento térmico es un temple isotérmico denominado “patentado”. Consiste en calentar al material hasta lograr la total austenización y enfriar bruscamente a una temperatura entre 400 y 500°C aprox. Este enfriamiento se puede lograr introduciendo el material en baños de plomo, de sales o con corriente de aire controladas (patentado al aire). Se obtiene sorbítica muy fácilmente deformable.

2) Preparación superficial.

Como buena parte de la energía gastada en el proceso así como las condiciones de terminación del producto dependen fuertemente del rozamiento entre la pared de la hilera y el alambre, se debe cuidar especialmente el estado superficial del material a trafilar.

El material a trafilar proviene de un tratamiento térmico o de un proceso de trabajo en caliente anterior, por lo tanto, la superficie externa está habitualmente oxidada. Estos óxidos tienen la particularidad de ser quebradizos, de elevada dureza y presentan altos coeficientes de fricción. Por este motivo, las operaciones de preparación superficial suelen ser dos: a) decapado: su objeto es eliminar los óxidos superficiales dejando una superficie limpia para la operación posterior. b) preparación superficial propiamente dicha: se colocan productos en la superficie del material a trafilar, que deben cumplir con las siguientes condiciones: i- deben ser de una rugosidad adecuada para servir como portantes de lubricantes; y ii- deben impedir la oxidación durante las discontinuidades del proceso.

Como ejemplo del proceso mencionaremos el aso del acero.

Decapado.

Mecánico.Sólo es aplicable para alambres. El material se hace flexionar entre poleas dispuestas a 90°. Como los óxidos son quebradizos se desprenden y el tratamiento se completa con un cepillado o un granallado.

Este esquema indica una secuencia necesaria para el proceso. Indicaremos a continuación el significado de cada operación.

1) Tratamiento térmico.

Cuando se debe deforma mucho el material )por ejemplo alambres de acero 80/90%, alambres de aluminio 90/95%), la posibilidad de hacerlo está en que el metal tanga una estructura metalográfica apta para la conformación.

Los tratamientos térmicos varían para cada metal, buscando la estructura más adecuada. Por ejemplo: Cobre: se hace un recocido entre 220 y 600°C dependiendo de la pureza del mismo; Aluminio: el recocido se hace entre temperaturas de 350 y 500°C; Acero de bajo tenor de carbono (hasta 1015/1020): se hace un recocido total; y Aceros de mediano y alto tenor de carbono (1025 y superiores): aquí el tratamiento térmico es un temple isotérmico denominado “patentado”. Consiste en calentar al material hasta lograr la total austenización y enfriar bruscamente a una temperatura entre 400 y 500°C aprox. Este enfriamiento se puede lograr introduciendo el material en baños de plomo, de sales o con corriente de aire controladas (patentado al aire). Se obtiene sorbítica muy fácilmente deformable.

2) Preparación superficial.

Como buena parte de la energía gastada en el proceso así como las condiciones de terminación del producto dependen fuertemente del rozamiento entre la pared de la hilera y el alambre, se debe cuidar especialmente el estado superficial del material a trafilar.

El material a trafilar proviene de un tratamiento térmico o de un proceso de trabajo en caliente anterior, por lo tanto, la superficie externa está habitualmente oxidada. Estos óxidos tienen la particularidad de ser quebradizos, de elevada dureza y presentan altos coeficientes de fricción. Por este motivo, las operaciones de preparación superficial suelen ser dos: a) decapado: su objeto es eliminar los óxidos superficiales dejando una superficie limpia para la operación posterior. b) preparación superficial propiamente dicha: se colocan productos en la superficie del material a trafilar, que deben cumplir con las siguientes condiciones: i- deben ser de una rugosidad adecuada para servir como portantes de lubricantes; y ii- deben impedir la oxidación durante las discontinuidades del proceso.

Como ejemplo del proceso mencionaremos el aso del acero.

Decapado.

Mecánico.Sólo es aplicable para alambres. El material se hace flexionar entre poleas dispuestas a 90°. Como los óxidos son quebradizos se desprenden y el tratamiento se completa con un cepillado o un granallado.

Químico.Se sumerge el producto a trafilar, los rollos de alambre, las barras, los caños, etc. En una solución ácida. Los ácidos más comúnmente utilizados son el sulfúrico y el clorhídrico. Normalmente a estas soluciones se les agregan inhibidores, que son productos que limitan al ataque sobre el acero base.

Preparación superficial.

Para este fin se utilizan varios productos de los cuales mencionaremos algunos.

Baños de encalado: soluciones fuertemente saturadas de cal; para conseguirlas es necesario mantener el baño en permanente agitación.

Baños de bórax: tiene una interesante ventaja como producto; consiste en que su alcalinidad sirve para neutralizar los restos de ácido que pudieron haber quedado del proceso de decapado.

Baños de fosfato: son los más utilizados en la actualidad; permiten trabajar a muy altas velocidades. Son de formulación química compleja y consisten en fosfatos metálicos disueltos en soluciones de ácido fosfórico.

Trafilado, maquinaria.

Una ves realizadas las operaciones anteriores, el material esta listo para entrar en las maquinas de trafilar. Aquí tenemos varios tipos de estas maquinas, que dependen fundamentalmente del producto que se fabricará.

Caso de canos y barras.

En general estos materiales se suministran en largos estándar, entre 6 y 12mts. Al material se le da una pasada por vez y generalmente la operación se hace en bancos de trafilado o estirado

Tratamiento Térmico

Preparación Superficial

Trafilado

Recubrimiento Superficial

con varias barras o varios caños simultáneamente. Estos equipos consisten en un soporte donde se colocan las barras o los caños; previamente se les “saca punta” (para permitir el paso de la primera sección por la trafila) y entonces con una pinza montada sobre un cabezal se toma este extremo, aplicándose la fuerza con un sistema hidráulico o mecánico.

Una variante del sistema son las máquinas tipo Schumag que permiten trabajar con rollos de alambrón en forma continua. La diferencia con el banco de tiro es que tienen dos mordazas que se aprietan o aflojan tirando del alambrón, en forma similar a las manos de un hombre cuando trepa por una soga.

Caso de alambres.

En estos casos se trafila en continuo, intercalando entre las trafilas tambores de tiro que aplican al alambre la fuerza necesaria para producir el estirado. La función de estos tambores es aplicar la fuerza al alambre y conducirlo hasta la próxima trafila. Dados los desgastes producidos en las herramientas (trafilas), se producen variaciones en el diámetro de los alambres. En estas condiciones, el tambor puede tomar más, menos o igual cantidad de alambre del que es capaz de recoger la trafila siguiente; ello genera tres tipos de máquinas de trafilar.

Maquinas trafiladoras: a- con acumulación (4 m/seg). b- con deslizamiento (8-12 m/seg). c- de tiro recto (25 m/seg).

a) Maquinas con acumulación.

En este tipo de maquinas el tambor toma más alambre del que desagota la hilera siguiente. En estas condiciones, algunos tambores en la maquina deben acumular material y cuando se llenan, se detiene para permitir que la próxima hilera le saque el exceso.

A continuación se una posibilidad de construcción. Durante el proceso se genera calor que suele ser evacuado en la caja de trafilas por circulación de agua y en los tambores, por aire. Antes de la entrada de cada trafila se coloca un recipiente con el lubricante (habitualmente jabones minerales con granulometría muy fina).

con varias barras o varios caños simultáneamente. Estos equipos consisten en un soporte donde se colocan las barras o los caños; previamente se les “saca punta” (para permitir el paso de la primera sección por la trafila) y entonces con una pinza montada sobre un cabezal se toma este extremo, aplicándose la fuerza con un sistema hidráulico o mecánico.

Una variante del sistema son las máquinas tipo Schumag que permiten trabajar con rollos de alambrón en forma continua. La diferencia con el banco de tiro es que tienen dos mordazas que se aprietan o aflojan tirando del alambrón, en forma similar a las manos de un hombre cuando trepa por una soga.

Caso de alambres.

En estos casos se trafila en continuo, intercalando entre las trafilas tambores de tiro que aplican al alambre la fuerza necesaria para producir el estirado. La función de estos tambores es aplicar la fuerza al alambre y conducirlo hasta la próxima trafila. Dados los desgastes producidos en las herramientas (trafilas), se producen variaciones en el diámetro de los alambres. En estas condiciones, el tambor puede tomar más, menos o igual cantidad de alambre del que es capaz de recoger la trafila siguiente; ello genera tres tipos de máquinas de trafilar.

Maquinas trafiladoras: a- con acumulación (4 m/seg). b- con deslizamiento (8-12 m/seg). c- de tiro recto (25 m/seg).

a) Maquinas con acumulación.

En este tipo de maquinas el tambor toma más alambre del que desagota la hilera siguiente. En estas condiciones, algunos tambores en la maquina deben acumular material y cuando se llenan, se detiene para permitir que la próxima hilera le saque el exceso.

A continuación se una posibilidad de construcción. Durante el proceso se genera calor que suele ser evacuado en la caja de trafilas por circulación de agua y en los tambores, por aire. Antes de la entrada de cada trafila se coloca un recipiente con el lubricante (habitualmente jabones minerales con granulometría muy fina).

b) Maquinas con deslizamiento.

Trabajan con conos de tiro vinculados por engranajes al motor. Las diferentes condiciones de recogida se consiguen calculando las relaciones de velocidades entre los dos ejes y los diámetros de los cilindros que toman el material. Habitualmente estas relaciones se calculan para que la recogida sea un 2 a 3% menor que lo que puede tomar la hilera siguiente. Ello obliga a que el alambre patine sobre estos cilindros. Estas máquinas se suelen llamar “en húmedo” porque los conos trabajan sumergidos en una solución de grasas que sirven a la ves de lubricante y refrigerante.

c) Máquinas de tiro recto. Trabajan sobre el mismo principio anterior pero los tambores están adaptados a motores de corriente continua que permiten variar las velocidades relativas ante las variaciones de diámetro que, inevitablemente, se producen por desgaste de las hileras.

La ventaja fundamental de estos equipos es que el alambre no sufre torsiones en su recorrido y, de esta forma, no se acumulan fatigas que disminuyen la calidad del producto final.

Por tener motores de corriente continua y velocidad regulada, estos equipos son bastante más caros que los indicados en a y b.

Recubrimientos superficiales.

Todos los metales expuestos a determinados medios se corroen, dependiendo la extensión y la importancia de esta corrosión de la naturaleza del metal y del medio al que está expuesto. Por lo tanto, se deben prever recubrimientos superficiales que eviten o retarden estos fenómenos de corrosión.

Como recubrimientos superficiales usualmente utilizados para los aceros, mencionaremos los siguientes.

a) Aceitado: usado como protector temporario. b) Cincado: consiste en recubrir el alambre con una capa de cinc. Se puede conseguir de

dos formas; sumergiendo el alambre en una baño de cinc fundido o depositándolo por medio de electrólisis (galvanizado).

c) Otros materiales: por supuesto hay muchos más metales que se puedan depositar: cobre, aluminio, etc. Pero el cinc es el más común hasta e momento.

c) Máquinas de tiro recto. Trabajan sobre el mismo principio anterior pero los tambores están adaptados a motores de corriente continua que permiten variar las velocidades relativas ante las variaciones de diámetro que, inevitablemente, se producen por desgaste de las hileras.

La ventaja fundamental de estos equipos es que el alambre no sufre torsiones en su recorrido y, de esta forma, no se acumulan fatigas que disminuyen la calidad del producto final.

Por tener motores de corriente continua y velocidad regulada, estos equipos son bastante más caros que los indicados en a y b.

Recubrimientos superficiales.

Todos los metales expuestos a determinados medios se corroen, dependiendo la extensión y la importancia de esta corrosión de la naturaleza del metal y del medio al que está expuesto. Por lo tanto, se deben prever recubrimientos superficiales que eviten o retarden estos fenómenos de corrosión.

Como recubrimientos superficiales usualmente utilizados para los aceros, mencionaremos los siguientes.

a) Aceitado: usado como protector temporario. b) Cincado: consiste en recubrir el alambre con una capa de cinc. Se puede conseguir de

dos formas; sumergiendo el alambre en una baño de cinc fundido o depositándolo por medio de electrólisis (galvanizado).

c) Otros materiales: por supuesto hay muchos más metales que se puedan depositar: cobre, aluminio, etc. Pero el cinc es el más común hasta e momento.

Trafilas.

Las trafilas son una de las más eficientes herramientas utilizadas en la industria. No tienen partes móviles, reducen uniformemente las secciones y al mismo tiempo se produce el cambio de propiedades del material.

Forma geométrica.

Podemos ver en el esquema las partes fundamentales de una hilera.

El núcleo se suele colocar en una caja de hierro común, cuya función es aumentar el tamaño para poderla fijar a los elementos de las máquinas.

Las partes activas del núcleo son las siguientes:

A- Campana de entrada.

Sirve como guía para el enhebrado y facilita la entrada de lubricante.

B- Cono de trabajo.

Su función es provocar la deformación del material por efecto de las fuerzas transversales. Para disminuir los rozamientos está pulido a espejo.

C- Cilindro de calibrado.

Sirve para calibrar el alambre y le da una resistencia mecánica al cono de trabajo. Largo aproximado: 50-75% del diámetro.

α

A

B

C

D

Ø

D- Campana de salida.

Facilita la expulsión del lubricante usado y permite una rápida difusión de la energía térmica liberada por el rozamiento.

Ángulos de trabajo 2.

Los ángulos de trabajo usados habitualmente se indican a continuación.

2 Material 16° Aceros de bajo tenor de carbono 12° Aceros de alto tenor de carbono 18° Aceros inoxidables 16° Cobre 16° Aluminio

Materiales de los núcleos.

Acero.Prácticamente no es utilizada en la actualidad.

De polvos metálicos aglomerados en caliente. En gral. se utilizan de carburos de tungsteno. Se obtienen por procedimientos de pulvimetalurgia a partir de carburos por reacción directa de carbono pulvurento sobre u metal finamente molido con materiales o aleaciones relativamente fusibles como aglomerantes; generalmente cobalto.

Una composición química tipo sería: Co 8%, W 87%, C 5%

Son de uso casi general en la industria del trafilado.

De diamante. Obtenidos por perforación de diamantes industriales. Se utilizan generalmente en materiales no ferrosos y diámetros muy finos.

D- Campana de salida.

Facilita la expulsión del lubricante usado y permite una rápida difusión de la energía térmica liberada por el rozamiento.

Ángulos de trabajo 2.

Los ángulos de trabajo usados habitualmente se indican a continuación.

2 Material 16° Aceros de bajo tenor de carbono 12° Aceros de alto tenor de carbono 18° Aceros inoxidables 16° Cobre 16° Aluminio

Materiales de los núcleos.

Acero.Prácticamente no es utilizada en la actualidad.

De polvos metálicos aglomerados en caliente. En gral. se utilizan de carburos de tungsteno. Se obtienen por procedimientos de pulvimetalurgia a partir de carburos por reacción directa de carbono pulvurento sobre u metal finamente molido con materiales o aleaciones relativamente fusibles como aglomerantes; generalmente cobalto.

Una composición química tipo sería: Co 8%, W 87%, C 5%

Son de uso casi general en la industria del trafilado.

De diamante. Obtenidos por perforación de diamantes industriales. Se utilizan generalmente en materiales no ferrosos y diámetros muy finos.

Referencias.

Dieter, “Metalurgia Mecánica”, Editorial Aguilar. Rowe, “Conformado de los Metales”, Editorial URMO. Anton Pomp, “Steel Wire”, Editorial The Wire Association Inc. “Steel Wire Handbook”, Editorial The Wire Association Inc. “The Making, Shaping and Treating of Steel”, U.S.S. E. Siebel, “Fuerzas y Tensiones en el Estirado de Alambres”, Revista Alambre de junio de 1952. Karl Schimz, “Sistema para Simplificar los Cálculos en el Estirado de Alambres”, Revista Alambre de febrero de 1952. L. M. Kachanov, “Fundamentals of the Theory of Plasticity”, Editorial MIR, 1974.