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TREFILADO

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Se entiende por trefilar a la operación de conformación en frío consistente en la reducción de sección de un alambre o varilla haciéndolo pasar a través de un orificio cónico practicado en una herramienta llamada hilera o dado.

Los materiales más empleados para su conformación mediante trefilado son el acero, el cobre, el aluminio y los latones, aunque puede aplicarse a cualquier metal o aleación dúctil.

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El trefilado propiamente dicho consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefilas de carburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor. Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características mecánicas.

Dependiendo de la longitud y el diámetro de las barras a trabajar, varían las reducciones que se pueden llegar a obtener mediante este proceso. A las barras de hasta 15 mm de diámetro o mayores, se les suele dar una ligera pasada para mejorar el acabado superficial y las tolerancias dimensionales reduciendo su diámetro hasta 1,5 mm. En otros tamaños más pequeños, se puede llegar a conseguir reducciones del 50%, y en otros alambres de hasta el 90% en pasadas sucesivas, partiendo en un estado del material de recocido y antes de que necesite un nuevo recocido con el fin de eliminar su acritud. Se fabrican alambres de hasta 0,025 mm y menores, variando el número de hileras por los que pasa el alambre y con varios recocidos de por medio.

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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 kg/mm2. Pero 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. Las ventajas que aporta el trefilado propias del conformado en frío son las siguientes: buena calidad superficial, precisión dimensional, aumento de resistencia y dureza, y por supuesto la posibilidad de producir secciones muy finas.

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Mandriles para el trefilado Muchas de las varillas, alambres, tubos de pared estrecha y perfiles especiales, se producen mediante un trefilado en frío. Dependiendo del producto que queramos obtener, realizaremos un trefilado simple, con mandril fijo o con mandril flotante:

TREFILADO DE TUBOS: SIMPLE, CON MANDRIL FIJO, CON MANDRIL FLOTANTE

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PROCESO 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 MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA del producto.

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EQUIPO Las máquinas utilizadas para realizar este proceso se denominan trefiladoras. En ellas se hace pasar el alambre a través de las hileras, como se ha descrito anteriormente. Para lograrlo el alambre se enrolla en unos tambores o bobinas de tracción que fuerzan el paso del alambre por las hileras. Estas hileras se refrigeran mediante agua y las bobinas o tambores de tracción se refrigeran normalmente con agua y aire. Las trefiladoras pueden ser de acumulación en las que no hay un control de velocidad estricto entre pasos o con palpadores en las que sí se controla la velocidad al mantener el palpador una tensión constante.

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FABRICACIÓN DE ALAMBRE Tras el proceso de fundición del acero, se obtiene la palanquilla, de sección cuadrada, después por laminación en caliente se obtienen los rollos de alambrón con cascarilla. Este sufre un tratamiento térmico de austempering o patentado durante el cual, la austenita se transforma en bainita. La estructura bainítica da al material una ductilidad suficiente para facilitar su deformación en frío durante el proceso de trefilado. Si se trata de alambres de acero con un bajo contenido en carbono, es suficiente un recocido, que recristaliza la ferrita dejando el material apto para trefilar. El alambre así tratado pasa a continuación por un proceso de desoxidación en medio ácido, en el cual se eliminan los óxidos y la cascarilla que lo recubren al salir del horno de patentado. Antes del trefilado conviene proteger la superficie del alambre con una capa de fosfatos, (bonderización) o bien cobre, cal u otro depósito que servirá de soporte del lubricante de trefilería.

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ESTIRADO

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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. DIFERENCIAS ENTRE ESTIRADO Y TREFILADO Los dos procesos son mecánicamente iguales, aunque la maquinaria y la forma de trabajo son distintas.

Las diferencias son: En el estirado se consiguen pequeñas reducciones de sección, buscando un calibre determinado. En el trefilado se busca reducir bruscamente la sección, por lo que debemos dar múltiples pasadas para conseguir el efecto. Aunque todo lo plástico no se puede estirar, pues según el tipo de plástico el proceso puede presentar más o menos dificultad.

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Práctica del estirado El proceso de estirado, como norma general, se realiza como una operación de deformación plástica en frio y para secciones redondas. Las principales ventajas del proceso de estirado son: Un mayor control de las tolerancias: podemos obtener un IT muy bajo. Acabado superficial: podemos obtener un muy buen acabado superficial. Propiedades mecánicas: mejora en la resistencia a flexión y mayor dureza. Mayor capacidad de mecanización. Las operaciones que se realizan en el proceso de estirado son: 1º Decapado Se limpia, generalmente con ataques químicos y agua a presión, el material para eliminar el oxido que puede formarse en la superficie. Esto es necesario para prevenir daños en la matriz y en la superficie de trabajo. 2º Estirado Se procede a colocar el material en la máquina para empezar el proceso de estirado. En este proceso es decisivo el uso de lubrificantes para no dañar la superficie del material al pasarlo por la matriz y aplicarle la reducción de sección. MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA

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En el estirado de alambres podemos conseguir una reducción del 50% del espesor en barras menores de 150mm, utilizando el proceso descrito anteriormente. El estirado de tubos se utiliza para reducir el espesor de la pared de los tubos sin costura, los cuales se han producido por medio de otros procesos, como por ejemplo extrusión. Este proceso podemos realizarlo con ayuda de un mandril o no: 3º Acabado

Una vez el material estirado pasa por un proceso de enderezamiento y un ligero recocido de eliminación de tensiones, y si el caso lo requiere, algún tratamiento isotérmico para mejorar sus características mecánicas. Equipo necesario En general el estirado de barras se realiza en un banco de estirado, consistente en una mesa de entrada, un bloque de acero que contiene la matriz, la corredera que coge el tubo para aplicarle la fuerza de estirado y una mesa de salida.

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En el estirado se reduce o cambia la sección transversal de una barra o alambre largo, en general jalándola (de ahí el término de estirado) a través de un dado conocido como dado de estirado. Hay una diferencia entre la EXTRUSIÓN y el estirado, ya que en la extrusión el material se empuja a través de un dado, mientras que en el estirado se jala a través de él. Los productos de barra y alambre abarcan una muy amplia gama de aplicaciones, incluyendo redondos para flechas de transmisión de potencia y movimiento, componentes de máquinas y estructurales, piezas brutas para pernos y remaches, alambre eléctrico, cables, miembros estructurales con carga de tensión electrodos de soldadura, resortes, clips, rayos para ruedas de bicicletas e instrumentos musicales de cuerda.

Las variables principales de procesamiento en el estirado son similares a las de la extrusión; es decir, la reducción del área transversal, el ángulo del dado, la fricción a lo largo de las interfaces del dado y la pieza de trabajo, así como la velocidad de estirado. El ángulo del dado influye en la fuerza de estirado y la calidad del producto estirado.

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FUERZA DE ESTIRADO

La expresión para la fuerza de estirado (F) bajo condiciones ideales y sin fricción es similar a la de la extrusión y se determina mediante: F = YPROM Af ln (A0 / Af )

En donde YPROM es el esfuerzo real promedio del material en el hueco del dado. Puesto que debe realizarse más trabajo para vencer la fricción, la fuerza aumenta con el incremento de fricción. Además, debido a la deformación no uniforme que ocurre dentro de la zona del dado, también se requiere energía adicional (conocida como trabajo redundante de deformación). No obstante que se han desarrollado varias ecuaciones para estimar la fuerza, una fórmula útil que incluye la fricción y el trabajo redundante, es: F = YPROM Af [ (1 + m / a) ln (A0 / Af ) + 2 a / 3)] En donde a es el ángulo del dado en radianes. m es el coeficiente de fricción. MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA

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Variables del proceso en el estirado de alambre. Todo, el ángulo de la matriz, la reducción en el área transversal por pase, la velocidad del estirado, la temperatura y la lubricación afecta la fuerza de estirado F. MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA

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Como se puede ver en estas ecuaciones, la fuerza de estirado aumenta al incrementarse la reducción, sin embargo, tiene que limitarse la magnitud de la fuerzas, porque cuando el esfuerzo de tensión alcanza el esfuerzo de fluencia del metal que se está estirando, la pieza de trabajo cede y finalmente se rompe. Se puede demostrar que, en teoría y sin fricción, la reducción máxima en el área transversal por pase es de 63%. Así que por ejemplo una barra de 10 mm de diámetro puede reducirse como máximo a un diámetro de 6.1 mm en una sola pasada sin que se rompa. Se puede demostrar que para cierta reducción de diámetro y cierta condición de fricción, existe un ángulo óptimo del dado en el que la fuerza de estirado es mínima. Esto no significa que el proceso deba efectuarse en este ángulo óptimo, porque existen otras conisderaciones de calidad en los productos. OTRAS FORMAS El espesor de pared, el diámetro o la forma de los tubos que se han producido por extrusión u otros procesos (extrusión), se pueden reducir más mediante procesos de estirado de tubos.

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Los tubos de diámetros grandes, hasta de 0.3 m (12”) pueden estirarse mediante estas técnicas. Para estas operaciones existen mandriles con diversos perfiles.

Los dados en forma de cuña se utilizan para el estirado de cintas planas y sólo se usan en aplicaciones específicas. Sin embargo el principio de este proceso, es el mecanismo básico de deformación del planchado, que se emplea ampliamente en la fabricación de las latas de aluminio para bebidas MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA

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TAREA PARA VACACIONES El diseño mostrado en la figura es una propuesta para una charola metálica, cuyo cuerpo principal está fabricado con lámina metálica rolada en frío. Observando sus características y que la lámina se dobla en dos diferentes direcciones, comente las diversas consideraciones de manufactura. Incluya factores como la anisotropía de la hoja laminada, su textura, las direcciones del doblado, la naturaleza de las orillas cizalladas, la forma en que se sujeta el mango para el ensamble.

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PRÁCTICA DE ESTIRADO EJERCICIO: Un alambrón hecho de material perfectamente plástico con un esfuerzo de fluencia de 30,000 psi se está estirando de un diámetro de 0.1” a 0.07” en un dado de estirado de 15º. Considérese que el coeficiente de fricción es 0.1 Utilizando las ecuaciones de la página 15 estimar la fuerza de estirado requerida y comentar las diferencias en su respuesta.

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El éxito del estirado requiere la selección cuidadosa de los parámetros del proceso. En el estirado la reducción de área transversal por pasada llega hasta 45%. Por lo general cuanto más pequeña es la sección transversal inicial, más pequeña será la reducción por pasada. Es común estirar alambres finos a una reducción de 15% a 25% por pasada y los tamaños más grandes de 20% a 45%.

Las reducciones de más de 45% pueden provocar la separación del lubricante deteriorando el acabado superficial. A pesar de que la mayor parte del estirado se realiza a temperatura ambiente, el estirado de secciones grandes sólidas o huecas puede efectuarse a temperatura elevada para reducir las fuerzas. También se puede hacer una leve reducción (pase dimensionado) en barras para mejorar el acabado superficial y la precisión dimensional. Sin embargo, debido a que sólo deforman las capas de la superficie, por lo general estas reducciones leves producen deformación muy poco uniforme del material y su microestructura. Por lo tanto las propiedades del material varían según su localización en la sección transversal. Obsérvese en la figura de la página 16 que la punta de una barra o alambre debe tener una sección transversal reducida para que se alimente a través de la abertura del dado y se jale. A esta operación se le llama punteado. MES J. ISAÍAS URBIOLA VALENCIA

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Las velocidades de estira dependen del material y de la reducción del área transversal. Estas pueden variar de 1 a 2.5 m/s (200 a 500 fpm) para secciones gruesas, hasta 50 m/s (165 fps) para alambre muy fino, como el de los electromagnetos.

Los alambres de cobre y latón estirados se designan conforme a su temple (como ¼ de dureza, ½ de dureza, etc), debido al endurecimiento por trabajo. Puede ser necesario un recocido intermedio entre las pasadas para mantener una ductilidad suficiente del material durante el estirado en frío.

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