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• Walter Luengo

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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería.

Contenido. Resumen............................................................................................................................................ 1 Objetivo Principal.............................................................................................................................. 2 Objetivos Secundarios. .................................................................................................................... 2 Características técnicas de los instrumentos y equipos utilizados. .......................................... 2 Método experimental. ...................................................................................................................... 3 Presentación de resultados. ........................................................................................................... 4 Análisis de los resultados, conclusiones y observaciones personales. ................................... 8 Apéndice. ........................................................................................................................................... 9

Tabla de ilustraciones. Ilustración 1Máquina trefiladora lineal............................................................................................... 2 Ilustración 2 Matrices de conformado. ............................................................................................... 3 Ilustración 3 Pie de metro Mitutoyo. .................................................................................................. 3 Ilustración 4 Aceitera. ......................................................................................................................... 3 Ilustración 5 Esquema de máquina trefiladora industrial. ................................................................ 10 Ilustración 6 Proceso de trefilación................................................................................................... 11 Ilustración 7 Matriz de trefilación. .................................................................................................... 11

Tabla de tablas. Tabla 1 Datos medidos para la probeta de cobre trefilada a la mínima velocidad operativa. ......... 13 Tabla 2 Datos calculados para la probeta de cobre trefilada a mínima velocidad operativa. .......... 13 Tabla 3 Datos medidos de la probeta de cobre trefilada a máxima velocidad operativa. ............... 13 Tabla 4 Datos calculados de la probeta de cobre trefilada a máxima velocidad operativa. ............ 13 Tabla 5 Datos medidos de la probeta de latón trefilada a mínima velocidad operativa. ................. 14 Tabla 6 Datos calculados de la probeta de latón trefilada a mínima velocidad operativa. .............. 14 Tabla 7 Datos medidos de la probeta de latón trefilada a máxima velocidad operativa. ................ 14 Tabla 8 Datos calculados de la probeta trefilada a la máxima velocidad operativa. ........................ 14

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería.

Resumen. El presente informe aborda la experiencia E-131 (trefilado) desarrollada para el laboratorio de procesos mecánicos II, la cual consiste en el estudio del proceso de trefilado, con esto como objetivo se someterán al proceso mencionado probetas de latón y cobre, las cuales se analizarán una vez deformadas por el proceso. El proceso de trefilado consiste en hacer pasar una varilla a través de una matriz que tiene un agujero cónico, por medio de una fuerza de tracción que se aplica desde el extremo de salida. El trefilado reduce la sección transversal con el consiguiente incremento de la longitud. El presente informe contendrá resumen, objetivo principal, objetivos secundarios, característica de los equipos e instrumentos utilizados, método experimental, presentación de resultados, análisis de los resultados, conclusiones y observaciones personales y finalmente apéndice.

Objetivo Principal. 

Familiarizar al alumno con el proceso de trefilado.

Objetivos Secundarios. 

Demostrar la deformabilidad de los metales y aleaciones a la trefilación.



Determinar experimentalmente algunas magnitudes de las variables que influyen en el proceso.

Características técnicas de los instrumentos y equipos utilizados. 

Trefiladora: o o o o o

Tipo: Lineal Marca: R. Paúl Tipo de motor: Motor Asíncrono V 132 M1 Potencia: 7,5 kW Frecuencia de trabajo: 50 Hz

Ilustración 1Máquina trefiladora lineal.

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. 

Hileras o dados:

Ilustración 2 Matrices de conformado.

Número de matriz. Ángulo de entrada (°). Diámetro de salida (mm). 

1 6,5° 5,7 mm

2 9,5° 5,7 mm

3 13° 5,7 mm

6 25° 5,7 mm

Pie de Metro.

Ilustración 3 Pie de metro Mitutoyo.

o o o o o o 

Marca: Mitutoyo. Procedencia: Japón. Tipo de instrumento: Analógico. Unidad de medición: Milímetros. Rango de escala: 0-300 [mm]. Sensibilidad: 0,05 [mm].

Aceitera.

Ilustración 4 Aceitera.

Método experimental. Parte I Introducción del experimento. 

Se inicia la experiencia con una introducción teórica en donde se hace énfasis a las distintas variables que afectan el proceso de trefilado.

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Parte II Realización del experimento. 

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

   

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Se realiza la asignación de números a las probetas así también como mediciones de los valores de longitud inicial y diámetro inicial para la realización de los respectivos cálculos. A continuación, se muestra la máquina de trefilado junto con algunas instrucciones de operación. Se introduce la matriz a ocupar con el menor número de demarcación en el soporte de la máquina de trefilado tratando de dejar la zona cónica de la matriz apoyada en el soporte de la máquina trefiladora. Se introduce el extremo previamente mecanizado de la probeta en el dado de extrusión, sujetando este extremo a la barra que ejerce la fuerza de tracción por medio de una mordaza. Previamente al inicio del proceso de trefilado se lubrica la zona más próxima de contacto entre la probeta y el dado. Se parte el proceso de trefilado configurando la máquina con la menor velocidad que esta puede entregar. Se realiza la medición de diámetro y longitud finales de las probetas con la finalidad de calcular reducción de área entre otros. A continuación, se cambia la probeta y se vuelve a realizar el proceso previamente descrito, pero se cambia la velocidad del trefilado al mayor valor que puede operar la máquina. Una vez realizados ambos procesos se cambia la matriz a la que tiene el siguiente número de demarcación. Se repite este proceso para todas las probetas y se tabulan los resultados.

Presentación de resultados. Los siguientes gráficos muestran los datos calculados para el proceso de trefilado de las probetas cobre a la mínima velocidad operativa de la maquina:

Reducción de área (%).

Reducción de área en función del ángulo de entrada. 25

24.97984996

23 21 22.06420898 19 17

15 5

18.14058957 16.57263315 10 15

20

25

30

Ángulo de entrada de la matriz (°). Gráfico N°1 Reducción de área lograda por el proceso de trefilado en las probetas cobre con la mínima velocidad operativa de la máquina.

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Deformación lineal en función del ángulo de entrada. Deformación lineal (%).

40

38.19095477

38 36 34 32 30

29.74358974 28.42639594

28

26

25

24 5

10

15

20

25

30

Ángulo de entrada de la matriz (°). Gráfico N°2 Deformación lineal lograda por el proceso de trefilado en las probetas cobre con la mínima velocidad operativa de la máquina.

Los siguientes gráficos muestran los datos calculados para el proceso de trefilado hecho para las probetas cobre a la máxima velocidad operativa de la maquina:

Reducción de área en función del ángulo de entrada. Reducción de área (%).

27

26.33765268

25 23 21

20.83204166 19.28100586

19 17

16.57263315

15 5

10

15

20

25

30

Ángulo de entrada de la matriz (°). Gráfico N°3 Reducción de área lograda por el proceso de trefilado en las probetas cobre con la máxima velocidad operativa de la máquina.

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Deformación lineal en función del ángulo de entrada. Deformación lineal.(%)

37 35.67839196

35 33 31.65829146

31

31.44329897

29 27.77777778

27 25 5

10

15

20

25

30

Ángulo de entrada de la matriz(°).

Gráfico N°4 Deformación lineal lograda por el proceso de trefilado en las probetas cobre con la máxima velocidad operativa de la máquina.

Los siguientes gráficos muestran los datos calculados para el proceso de trefilado hecho en las probetas de latón a mínima velocidad operativa de la maquina:

Reducción de área en función del ángulo de entrada. Reducción de área (%).

20 19.57042076

19.5

19.57042076

19 18.5 18 17.5 17 16.57263315

16.5 16 6

7

8

9

10

11

12

13

14

Ángulo de entrada de la matriz(°). Gráfico N°5 Reducción de área lograda por el proceso de trefilado en las probetas latón con la mínima velocidad operativa de la máquina.

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Deformación lineal (%).

Deformación lineal en función del ángulo de entrada. 32 31.5 31 30.5 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27

31.47208122

30.6122449

27.27272727 6

7

8

9

10

11

12

13

14

Ángulo de entrada de la matriz (°). Gráfico N°6 Deformación lineal lograda por el proceso de trefilado en las probetas latón con la mínima velocidad operativa de la máquina.

Los siguientes gráficos muestran los datos calculados para el proceso de trefilado hecho para las probetas latón a la máxima velocidad operativa de la maquina:

Reducción de área en función del ángulo de entrada. Reducción de área (%).

19.6 19.42463885

19.4 19.2 19 18.8 18.6 18.4

18.14058957

18.2

18.14058957

18 6

7

8

9

10

11

12

13

14

Ángulo de entrada de la matriz (°).

Gráfico N°7 Reducción de área lograda por el proceso de trefilado en las probetas latón con la máxima velocidad operativa de la máquina.

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Deformación lineal en función del ángulo de entrada. Deformación lineal (%).

31 30.41237113

30

29 28 27

26.82926829

26 26 25 6

7

8

9

10

11

12

13

14

Ángulo de entrada de la matriz (°). Gráfico N°8 Deformación lineal lograda por el proceso de trefilado en las probetas latón con la máxima velocidad operativa de la máquina.

Análisis de los resultados, conclusiones y observaciones personales. En base a los resultados vistos se puede decir que para ambos materiales se obtuvieron similares valores promedios de deformación lineal, esto indica que el comportamiento mecánico para ambos materiales es similar. Sin embargo, existe una pequeña tendencia del cobre a tener un mejor comportamiento mecánico, esto se puede corroborar en parte con los módulos de elasticidad de ambos materiales, los cuales son 12,7 MPa para el cobre y 8,9–9,7 MPa para el latón. Si bien este proceso fue realizado en frío, estos materiales al tener un buen comportamiento elástico y una buena ductilidad en la región plástica fue posible realizar una deformación lineal sin mayores complicaciones. Se puede ver que tanto en las gráficas para las probetas de latón como las de cobre, no se puede comprobar una clara relación lineal entre las reducciones de área y deformación lineal con respecto al ángulo de entrada de la matriz, debido a que ciertos valores sobresalen. Esto indica que durante el proceso hubo factores propios del proceso de trefilado (restos de virutas de procesos anteriores en la matriz, baja lubricación, etc.), así como también propiedades del material (no homogeneidad y no continuidad del material) que afectaron la posibilidad de establecer la relación lineal. Se puede observar que tanto para los procesos de baja y alta velocidad de trefilado en las probetas de latón falta un último dato. Esto se produjo debido a una falla por tracción del material al momento de realizar el proceso. Entre las posibles causas de la fractura se encuentran fallas internas del material, baja lubricación, imperfecciones en la matriz, diámetro no apto para el proceso, etc. Otro punto a destacar, no en base a los resultados, es el proceso de histéresis visto durante la experiencia. Histéresis es el proceso de carga y descarga de fuerzas en un material; lo particular de este proceso es que cada vez que se terminaba el trefilado de una probeta,

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. esta no quedaba completamente recta, sino que existía una pequeña flexión. Esto indica que la probeta trabajó en la zona elástica del material para posteriormente pasar a la zona plástica, en donde se deformó sin llegar al punto de ruptura y finalmente volvió a régimen elástico, pero con una deformación lineal plástica. Estos repentinos procesos de carga y descarga de fuerzas, inducen a un lento reordenamiento de los granos del material y a pasar de que no hubo una nueva generación de granos libres de deformación, generaron una curva prominente en la probeta, sobre todo para aquellas en donde el proceso fue realizado a una alta velocidad de trefilado. Si bien los materiales se comportaron dentro de lo esperado cabe mencionar que la realización de este ensayo con una máquina que permita una lectura de la fuerza de tracción, velocidad, temperatura entre otras variables que afectan directamente el proceso de trefilado, generarían un mayor estudio y análisis tanto para los conceptos de mecánica de materiales asociados a los proceso de conformado en general, como para el proceso mismo, pudiendo llegar a realizar optimizaciones que contribuirían a una mejor realización del proceso.

Apéndice. 

Marco teórico

El proceso de trefilación es el cambio de sección transversal por medio de una fuerza o tensión al ser halada a través de un dado cónico. A pesar de haber un obvio esfuerzo de tracción en el proceso existe también uno de compresión al pasar un material a través del dado. Los procesos de trefilado y estirado son muy similares, el siguiente cuadro mostrara sus diferencias:

El objetivo final del trefilado es la obtención de un producto final que tenga las siguientes características relacionas entre sí: a) b) c) d) e)

Propiedades mecánicas (resistencia a la torsión, dobleces, etc.) Tratamiento térmico Composición química Dimensiones geométricas Acabado superficial

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Los principales parámetros que afectan el proceso de trefilado son: a) b) c) d)

Reducción de área transversal Angulo del dado Fricción a lo largo de la intercara dado-pieza de trabajo Velocidad de traficación

El ángulo de entrada del dado determinara parte de los parámetros de trabajo de la máquina, algunos de estos y otros parámetros se ven directamente determinados: Angulo de trabajo grande: o o o o

Rápido desgaste de los dados Formación de anillo de desgaste. Roturas centrales. Problemas de control del diámetro.

Angulo de trabajo pequeño o o o o

Despedimiento de metal y mal acabado superficial. Alta fricción. Calentamiento excesivo. Disminución del diámetro del alambre.

Equipos de trefilación Las trefilación de barras que no pueden ser embobinadas (> 20 mm), se llevan a cabo en una maquina llamada banco de trefilación que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado, entre otros elementos.

Ilustración 5 Esquema de máquina trefiladora industrial.

La trefilación de alambre se hace típicamente en máquinas continuas que contienen múltiples dados de trefilación, generalmente entre 4 y 12 dados, separados por tambores de acumulación entre los dados

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Ilustración 6 Proceso de trefilación.

Dado de trefilación.

Ilustración 7 Matriz de trefilación.

La entrada del dado o campana presenta una geometría tal que permite ingresar, e conjunto al alambre y al lubricante en la zona de deformación. La región de apoyo no causa la reducción tiene como principal función remover la superficie dañada debido al posible desgaste del dado adema de ajustar el diámetro definitivo del producto. La región de alivio permite que el metal se expanda ligeramente a medida que el alambre sale del dado. Este también minimiza la posibilidad de que la abrasión tome lugar si el proceso de trefilación se interrumpe o el dado esta fuera de alineación. Los dados los podemos encontrar como carburo de tungsteno o diamante. Defectos y problemas en la trefilación. Los defectos en los alambres que han sido trefilados son parecidos a los que se observan en la extrusión en especial al agrietamiento central. Otra clase de defectos es el traslapes que son rayaduras o pliegues longitudinales del material. El procesamiento bajo condiciones elevadas deformaciones puede producir en la zona de deformación un estado hidrostático de tensión elevado cerca de la línea central generando daño interno en la forma de porosidad microscópica.

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Análisis de procesos de trefilado. En una operación de trefilado, la modificación en el diámetro del material de trabajo se da generalmente por la reducción de área definida como sigue:

r = reducción de área en el estirado; Ao = área original del trabajo (mm2) Af = área final (mm2). Draft es la diferencia de tamaños antes y después de procesar el material de trabajo. d = draft, (mm) Do = diámetro original del trabajo. (mm) Df = diámetro final del trabajo, (mm). Deformación Ideal (Si no ocurre Ff o W redundante): Donde Ao y Af son las áreas original y final de la sección transversal del material de trabajo, y r = reducción del estirado.

Esfuerzo:

Esfuerzo en Trefilado:

Fuerza de trefilado:

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Tablas de datos. Número Número de de dado. probeta. Dado 1 Probeta 1 Dado 2 Probeta 3 Dado 3 Probeta 5 Dado 6 Probeta 7 Promedio ± Desv.E

𝜑𝑖 (mm).

𝑙𝑖 (mm).

𝜑𝑓 (mm).

𝑙𝑓 (mm).

6,4 200 5,65 250 6,3 197 5,7 253 6,35 195 5,8 253 6,35 199 5,5 275 6,35±0,03535 197,75±0,7071 5,6625±0,1060 257,75±17,6776

Tabla 1 Datos medidos para la probeta de cobre trefilada a la mínima velocidad operativa.

Número de probeta.

Área inicial(mm2)

Probeta 1 Probeta 3

Área final(mm2)

Reducción de área (%).

Deformación lineal (%).

32,1536 25,0591 22,0642 25 31,1566 25,5046 18,1405 28,4263 31,6531 26,4074 16,5726 29,7435 31,6531 23,7462 24,9798 38,1909 31,6541±0,3524 25,1793±0,9594 20,4393±3,2974 30,3402±4,8520

Probeta 5 Probeta 7 Promedio ± Desv.E

Tabla 2 Datos calculados para la probeta de cobre trefilada a mínima velocidad operativa.

Número de dado. Dado 1 Dado 2

Número de probeta. Probeta 2 Probeta 4

Dado 3 Dado 4

Probeta 6 Probeta 8

𝜑𝑖 (mm)

𝑙𝑖 (mm)

𝜑𝑓 (mm)

𝑙𝑓 (mm)

6,35 6,4

199 198

5,65 5,75

262 253

6,35 6,35 6,3625±0,025

194 199

5,8 5,45

255 270

197,5±2,3804

5,6625±0,1547

260±7,7028

Promedio ± Desv.E

Tabla 3 Datos medidos de la probeta de cobre trefilada a máxima velocidad operativa.

Número de probeta. Probeta 2 Probeta 4 Probeta 6 Probeta 8 Promedio ± Desv.E

Área inicial(mm2)

Área final(mm 2)

Reducción de área (%).

Deformación lineal (%).

31,6531 32,1536 31,6531 31,6531 31,7782±0,2502

25,0591 25,9540 26,4074 23,3164 25,1842±1,3654

20,8320 19,2810 16,5726 26,3376 20,7558±4,1165

31,6582 27,7777 31,4432 35,6783 31,6394±3,2282

Tabla 4 Datos calculados de la probeta de cobre trefilada a máxima velocidad operativa.

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Número de Número de dado. probeta. Dado 1 Probeta 1 Dado 2 Probeta 3 Dado 3 Probeta 5 Dado 6 Pobreta 7 Promedio ± Desv.E

𝜑𝑖 (mm)

𝜑𝑓 (mm)

𝑙𝑖 (mm)

6,35 197 6,3 198 6,3 196 6,3 202 6,3125±0,025 198,25±2,6299

𝑙𝑓 (mm)

5,8 259 5,65 252 5,65 256 x x 5,7±0,0866 255,6667±3,5118

Tabla 5 Datos medidos de la probeta de latón trefilada a mínima velocidad operativa.

Número de probeta. Probeta 1 Probeta 3 Probeta 5 Probeta 7 Promedio ± Desv.E

Área inicial(mm2) 31,6531625

Reducción de área (%). 16,57263315

Deformación lineal (%). 31,47208122

19,57042076 19,57042076 x 18,5711±1,7307

27,27272727 30,6122449 x 29,7856±2,2183

Área final(mm 2) 26,4074

31,15665 25,0591625 31,15665 25,0591625 31,15665 x 31,2807±0,2482 25,5085±0,7784

Tabla 6 Datos calculados de la probeta de latón trefilada a mínima velocidad operativa.

Número de dado. Dado 1 Dado 2 Dado 3

Número de probeta. Probeta 2 Probeta 4 Probeta 6

Dado 6 Probeta 8 Promedio ± Desv.E

𝜑𝑖 (mm)

𝑙𝑖 (mm)

𝜑𝑓 (mm)

𝑙𝑓 (mm)

6,35 6,3 6,3

200 194 205

5,7 5,7 5,7

252 253 260

6,3 5,85±0,3

x 255±4,3588

6,3 199 6,3125±0,025 199,5±4,5092

Tabla 7 Datos medidos de la probeta de latón trefilada a máxima velocidad operativa.

Número de probeta.

Área inicial(mm2) 31,6531 31,1566 31,1566 31,1566

Área final(mm2) 25,5046 25,5046 25,5046 x

Reducción de área (%). 19,4246 18,1405 18,1405 x

Deformación lineal (%). 26 30,4123 26,8292 x

Probeta 2 Probeta 4 Probeta 6 Probeta 8 Promedio ± Desv.E 31,2807±0,2482 25,5046±0 18,5686±0,7413 27,7472±2,3450 Tabla 8 Datos calculados de la probeta trefilada a la máxima velocidad operativa.

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Bibliografía. o

CALLISTER – RETHWISCH, William – David Ciencia e ingeniería de materiales. Editorial: Reverté. Año: 2016. 855p