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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

ASIGNATURA: PROCESOS DE MANUFACTURA II NRC: 5407

TREFILADO PROFESOR: ING. ÁNGELO VILLAVICENCIO INTEGRANTES 1. COLOMA LUIS 2. DELGADO ALEXANDER 3. HARO FERNANDO 4. ZALDUMBIDE ALISON

SANGOLQUÍ, 16 DE JULIO DE 2017

Tema: Trefilado

Objetivos 

Realizar el proceso de conformado en frío (trefilado) de alambre de aluminio de manera continua.



Verificar la reducción de diámetros en función de los porcentajes de reducción permitidos para cada material.

Marco Teórico 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 troquel como se muestra en la figura 19.40. Las características generales del proceso son similares a las de la extrusión; la diferencia es que en el estirado el material de trabajo se jala a través del troquel, mientras que en la extrusión se empuja a través de él. 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 troquel. Por esta razón, la deformación que ocurre en el estirado se llama algunas veces compresión indirecta. El estirado es un término que se usa también en el trabajo de láminas metálicas (sección 20.3). El término estirado de alambre y barras se usa para distinguir los procesos de estirado de los procesos de trabajo de láminas del mismo nombre.

Ilustración 1. Diagrama de trefilado Proceso de Trefilado Consiste en hacer pasar alambrón (alambre de alta resistencia que proviene de un proceso de laminado en caliente) por una serie de hileras de diámetros progresivamente inferiores

hasta alcanzar el diámetro final deseado, generalmente se trabaja en frío. En cada paso de trefilado, el material se estira plásticamente aumentando la carga de rotura y la estricción, como se muestra en la Figura.

Ilustración 2. Proceso de trefilado Parámetros de Trefilado El éxito del trefilado se encuentra en la selección adecuada de parámetros que intervienen en el proceso, como son: Porcentaje de deformación de material Porcentaje de trabajo en frío Porcentaje de reducción de área del alambre Fuerza necesaria para trefilar. Velocidad de trefilado. Ángulo de ataque o semiángulo del dado Coeficiente de fricción entre superficies de contacto. (Porrello, 2014) Porcentaje de deformación del material: Para trefilar alambre se considera el porcentaje máximo de deformación del material, que se calcula con la ecuación 2.1: 𝐷𝑓 2 𝑟 = 1− 𝐷𝑜2 Donde: 𝑟 = Porcentaje de deformación en el material 𝐷𝑜 = Diámetro al ingreso del dado 𝐷𝑓 = Diámetro a la salida del diámetro Según Schey, en materiales como cobre o aluminio el valor oscila entre 20% a 25%. Porcentaje de trabajo en frío Para el trabajar en frío se debe considerar que debe existir un incremento del esfuerzo de fluencia, pero sin llegar al punto de rotura. Para ello se calcula mediante lo siguiente:

%𝑇𝐹 =

𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 ∗ 100 𝐴𝑜

En la figura 5, se indica la relación existente entre el limite elástico, el porcentaje de alargamiento y la resistencia a la tensión, esto sirve para definir hasta que porcentaje puede trabajar en frío un material, sin llegar a la rotura.

Ilustración 3. Propiedades de los materiales vs. Trabajo en frío Porcentaje de reducción del área transversal Al trefilar alambre se tiene hasta un 45% de reducción, pero cuan menor sea el diámetro a reducir este porcentaje disminuirá de la misma manera, es por ello que para el caso de alambres finos (diámetro < 6 nm) se establece una reducción de 15% a 25% y para alambres gruesos (diámetro > 6 mm) entre 20% a 45%. Si se llegase a sobrepasar el 45% se tendría un mal acabado superficial. Para trefilar secciones transversales grandes se puede trabajar a temperaturas elevadas para disminuir los esfuerzos. Fuerza necesaria para trefilar Para definir la carga con la cual va a ser sometido el alambre se indica en la figura 7, las fuerzas que intervienen en el proceso de trefilado.

Ilustración 4. Diagrama de cuerpo libre de proceso de trefilado

Se estima que la energía consumida durante el proceso se debe al porcentaje de reducción y al material a trefilar, pero se debe considerar que los ángulos del dado hacen que ésta se incremente debido a que generan ineficiencias en la deformación. (S/A, Semantic Scholar, 2007) Si tenemos en cuenta lo anterior, en el proceso de trefilado existirá la acción del trabajo uniforme (𝑊𝑢 ), no uniforme o también denominado redundante (𝑊𝑟 ) y el trabajo por fricción (𝑊𝑓 ) sobre un determinado alambre, como se muestra en la figura 8. Por lo que, el esfuerzo total ejercido al trefilar alambre, se calcula con la ecuación 𝝈𝑻 = 𝑾𝒖 + 𝑾𝒓 + 𝑾𝒇 Trabajo uniforme El trabajo uniforme es aquel trabajo realizado para disminuir el diámetro, sin considerar los efectos de fricción del dado sobre la superficie del alambre. Se expresa matemáticamente como el producto del esfuerzo de fluencia promedio en el alambre 𝜎𝑝 y la deformación real ∈ durante el proceso de trefilado, las ecuaciones que permiten determinar su valor : 𝑾𝒖 = 𝒀𝒇 ∗ 𝐥𝐧 (

𝟏 ) 𝟏−𝒓

𝑲 ∗ (𝜺)𝒏 𝒀𝒇 = 𝟏+𝒏

𝛆 = 𝐥𝐧 (

𝑨𝒐 ) 𝑨𝒇

Donde: 𝑌𝑓 = Esfuerzo de fluencia promedio, MPa 𝐾 = Esfuerzo de fluencia, MPa 𝑛 = Coeficiente de rozamiento 𝐴𝑂 = Área inicial, mm2 𝐴𝑓 = Área final, mm2 𝑟 = Relación de deformación plástica Trabajo redundante Es aquel que se genera cuando el alambre pasa por el dado produciendo cizallamiento entre superficies y se calcula con la ecuación 2.7: 𝑊𝑟 = (𝜑 − 1) ∗ 𝑌𝑓 ∗ ln (

1 ) 1−𝑟

El trabajo redundante existe cuando el valor del factor de redundancia (𝜑) es mayor a 1, la ecuación 2.8 permite determinar su valor. 𝐷𝑝 𝜑 = 0.8 + 0.12 ∗ ( ) 𝐿𝐶 Para el caso de trabajar con una sección transversal redonda, los valores de 𝐷𝑝 y 𝐿𝑐 se obtienen aplicando las ecuaciones 2.9 y 2.10 respectivamente. 𝐷𝑜 + 𝐷𝑓 2 𝐷𝑜 − 𝐷𝑓 𝐿𝑐 = 2 ∗ sin(∝) 𝐷𝑝 =

Donde: 𝐷 = Diámetro promedio del alambre durante el trefilado, mm 𝐿𝑐 = Longitud de contacto entre el dado y el alambre, mm ∝ = Semiángulo de ataque del dado

Esfuerzo de fricción Según la teoría de Schey, el esfuerzo de fricción se calcula con la ecuación 2.11 𝜇 𝜎𝑓𝑟 = (1 + ) tan(𝛼) Donde: 𝜇 = Coeficiente de fricción entre el alambre y el dado ∝ = Semiángulo de ataque del dado Fuerza final de trefilado La carga para trefilar alambre en una pasada, es aquella en la cual intervienen los efectos de fricción, uniformidad y redundancia, obteniendo la siguiente expresión (ecuación 2.12). (Schey, 2001) 𝐹𝑡 = 𝐴𝑓 ∗ 𝑌𝑓 ∗ (1 +

𝜇 𝐴𝑜 ) ∗ 𝜑 ∗ ln ( ) tan(𝛼) 𝐴𝑓

Por lo tanto, la fuerza total para trefilar un alambre a través de un conjunto de dados es la suma de todas las cargas que permiten disminuir en una pasada el diámetro del alambre (ecuación 2.13), de acuerdo a la configuración de la máquina. 𝐹𝑇 = 𝐹𝑡1 + 𝐹𝑡2 + 𝐹𝑡3 + ⋯ + 𝐹𝑡𝑛 Velocidad de trefilado

Depende del material y de la reducción del área transversal. Para alambres con diámetros grandes, que van desde 7 mm o más, pueden variar de 1 a 2.5 m/s, y para alambres muy finos, menores a 7 mm, hasta 50 m/s. Al trabajar con velocidades elevados hace que el material no tenga suficiente tiempo para disipar el calor generado, perjudicando la calidad del producto. Dados para trefilado El dado se fabrica de un material más resistente que el material a trefilar, generalmente se utiliza acero de herramientas, aleaciones de cobalto, compuestos a base de tungsteno y diamante. Los dados de diamante se utilizan para diámetros súper finos que van desde 2um a 1.5mm. Los dados de carburo y de diamante tienen baja resistencia a la tensión y baja tenacidad por lo cual necesitan de un porta inserto de acero. Los ángulos que forman parte de un dado se muestran en la figura 9.

Ilustración 5. Terminología de un dado para trefilado El ángulo principal conocido como semiángulo de ataque, de acuerdo al diámetro del alambre varía de 16° a 20°, como se muestra en la tabla Tabla 1. Ángulo de reducción de dado de trefilado Calibre

Ángulo de reducción (𝟐 𝜶)

4/0 – 5 AWG

20°

6–8

18°

9 – 42

16°

Sistema de Lubricación Una máquina trefiladora cuenta con un sistema de lubricación, debido a que la fricción entre el dado y el alambre provoca elevadas temperaturas; un calentamiento excesivo puede provocar un desgaste elevado del material llevándolo a la zona de fractura. Los componentes básicos de un sistema de lubricación son: lubricante, bomba y depósito, como se muestran en la figura.

Ilustración 6. Sistema de lubricación Materiales y equipos Material 

50 metros de alambre de aluminio 1100 (99%).

Equipo 

De seguridad personal.



Entenalla.



Máquina trefiladora de alambre continuo.



Dispositivo de enganche de alambre.



Varilla medidor de aceite.



1 lt de aceite de pipa para motor SAE 40. (En caso de ser necesario)



Tacómetro.

Herramientas e Instrumentos de control 

Lima plana de grano grueso y fino.



Llave de boca No 11.



Pie de rey.



Flexómetro.



Marcador permanente

Procedimientos Las diferentes operaciones que se realizan durante este proceso son: 

Patentado: tratamiento térmico que consiste en calentar el alambre hasta 950 °C, y una vez alcanzada dicha temperatura; enfriarlo bruscamente en un baño de plomo a 500 °C. Este tratamiento tiene por objeto dar al alambre una estructura dúctil que permite el trefilado.



Decapado: consiste en preparar y limpiar el material, eliminando el óxido que puede haberse formado en las superficies del material, en laminaciones anteriores. Normalmente se hace mediante ataques químicos y posteriormente se realiza una limpieza con agua a presión.



Trefilado: los lubricantes y diferentes máquinas son los factores principales. Se suele utilizar de lubricantes la parafina y el grafito en solución coloidal o finamente dividido.



Acabado: una vez que ya ha salido el material de la hilera, se le somete a operaciones de enderezamiento, eliminación de tensiones y, a veces, algunos tratamientos isotérmicos para conseguir mejoras en las características mecánicas del producto.

Empresa que realiza el proceso. 

Trefilec “El soporte del mañana”

Esta ubicada en Panamericana Sur Km 14 s/n frente al ingreso al Parque Industrial de Guamaní. Varillas Trefiladas

Ilustración 7. Varilla Trefilada Es una varilla de alta resistencia que cumple con los siguientes requerimientos. 

Andec

Está ubicada en la Av. Raúl Clemente Huerta, Guayaquil 090105

Alambre Trefilado Es un alambre de acero obtenido por trefilación en frio, cuya sección es circular y de superficie lisa.

Ilustración 8. Alambre Trefilado

Características Mecánicas: Puede utilizarse como complementos a los diferentes productos Armex y como elementos para refuerzos en estructuras de hormigón armado. Beneficios 

Ahorro porque optimiza el uso del acero de refuerzo: Al ser fabricados con aceros de alta resistencia le permite reducir la cantidad de acero usado en su construcción.



Soporte técnico especializado.

Aplicaciones 

Todo tipo de estructuras de hormigón armado.



Tanto en elementos dúctiles y rígidos.

Características técnicas

Ilustración 9. Características técnicas de la varilla trefilada. Trefilados El alambre trefilado se caracteriza por ser un producto de acero estirado en frío, de sección perfectamente circular y de dimensiones exactas. Ventajas 

Se adecua fácilmente a cualquier proceso de producción industrial evitando desperdicio y optimizando tiempo.

Usos frecuentes 

Trabajos industriales como la conformación de parrillas de cocina y refrigeradoras con recubrimientos duros o plásticos.



Trabajos manuales, artesanías y otros

Ilustración 10. Características del alambre trefilado.

Resultados Los datos de simulación se realizan con los datos de la práctica para verificar el proceso es decir se hacen dos pasadas en el proceso de trefilado teniendo las siguientes medidas:

TRANSICIÓN INICIAL PRIMERA PASADA SEGUNDA PASADA POLEA 1 POLEA 2

DIÁMETRO DIÁMETRO ESPERADO MEDIDO 4,8 4,7

4,815 4,6482

4,2

4,191

4 4

4,089 3,9878

Se usan dados de trefilación previamente establecidos por el software, regulando los parámetros como fuera y velocidad, material entre otros parámetros que nos pide el deform.

Se usa los parámetros de los datos calculados a continuación Fuerza 𝐴𝑜 16.96 ε = ln ( ) = ln ( ) = 0.2 𝐴𝑓 13.78 K=241 Mpa, en aluminio n= 0.47 entre aluminio y acero 𝑌𝑓 =

𝐾 ∗ (𝜀)𝑛 241 ∗ (0.2)0.47 = = 76.94 𝑀𝑝𝑎 1+𝑛 1 + 0.47

𝜑 = 0.8 + 0.12 ∗ (

𝐷𝑝 𝐷𝑝 ) = 0.8 + 0.12 ∗ ( ) 𝐷𝑜 − 𝐷𝑓 𝐿𝐶 2 ∗ sin(∝)

𝜑 = 0.8 + 0.12 ∗

4.415 = 1.77 4.6482 − 4.1910 18 ( 2 ∗ sin ( 2 ) )

𝐹𝑡 = 𝐴𝑓 ∗ 𝑌𝑓 ∗ (1 +

𝐹𝑡 = 13.78 ∗ 76.94 ∗ (1 +

𝜇 𝐴𝑜 ) ∗ 𝜑 ∗ ln ( ) tan(𝛼) 𝐴𝑓 0.61 16.96 ) ∗ 1.77 ∗ ln ( ) 18 13.78 tan ( 2 )

𝐹𝑡 = 36.45 N y se obtiene los siguientes valores de salida del deform

TRANSICIÓN DIÁMETRO DIÁMETRO PORCENTAJE ÁREA ÁREA INICIAL FINAL DE INICIAL FINAL REDUCCIÓN PRIMERA 4,8150 4,6482 6,8083 18,1996 16,9605 PASADA SEGUNDA 4,6482 4,1910 18,7046 16,9605 13,7881 PASADA Calculo dé % de Reducción: 𝐷𝑓 2 𝑟 =1− 𝐷𝑜2 Para el momento en el que pasa por el primer dado 𝑟 = 1−

4.72 4.8152

𝑟 = 4.7 % Al momento que pasa por el segundo dado 𝑟 =1−

𝐷𝑓 2 𝐷𝑜2

𝑟 =1−

4.22 4.72

𝑟 = 20% Al momento que sale del segundo dado, pasa por las poleas y llega al carrete 𝐷𝑓 2 𝑟 =1− 𝐷𝑜2 3.982 𝑟 = 1− 4.22 𝑟 = 15%

Conclusiones 

En este trabajo se presentó un análisis numérico del comportamiento mecánico de un alambre de acero al carbono durante un proceso industrial de trefilado húmedo y una simulación para corroborar los datos obtenidos en dicho análisis.



Se ha observado que el material no sólo experimenta un gran endurecimiento a medida que se va deformando al pasar por las sucesivas hileras del tren de trefilado, sino que, además, va perdiendo ductilidad durante este proceso.



La simulación y el análisis numérico del proceso de trefilado llevado a cabo para el alambre ha permitido caracterizar de manera adecuada el comportamiento mecánico del material para cada una de las etapas del proceso de trefilado.



Las cargas de trefilado obtenidas a través de la simulación de la secuencia completa de reducción han presentado valores muy cercanos a los obtenido en el análisis numérico.

Recomendaciones •

Se recomienda controlar el ángulo de entrada del material para dirigir el flujo del lubricante dentro del dado, haciendo que se compacte con la superficie del alambre durante el trefilado.

•

La longitud de la chumacera debe ser entre el 25% al 50% de su diámetro para evitar el desgaste prematuro del dado

•

Una vez realizado el proceso de trefilado se recomienda realizar operaciones de enderezamiento, eliminación de tensiones y tratamientos térmicos para conseguir mejoras en las características mecánicas del producto.

Bibliografía Aguilar, L., Hernández, M., & Vicente, L. (2016). Diseño y construcción de un equipo didáctico para trefilado de cobre puro. Askeland, D. R. (s.f.). Ciencia E Ingeniería De Los Materiales. En D. R. Askeland, Ciencia E Ingeniería De Los Materiales. Dávila, F. A. (1988). Diseño de una trefiladora Múltiple para producir alambre a partir de alambrón de cobre de 5/16 de diámetro. Lima-Perú. Morales, L., Ortiz, A., & H. Jacobo, V. (septiembre de 2008). Obtenido de http://somim.org.mx/memorias/memorias2008/articulos/A3/A3_197.pdf

Anexos