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Capítulo 15
Extrusión y estirado (trefilado) de metales
Dado
Dado
Mandril estacionario
(a)
(c)
(b)
Dado
Dado
Mandril flotante
Mandril móvil
(d)
Ejemplos de operaciones de estirado de un tubo, con mandril interno y sin él. Obsérvese que se puede producir una variedad de diámetros y espesores de pared del mismo tubo inicial (que se ha fabricado mediante otros procesos). FIGURA 15.19
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 fuerza, 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 un solo pase 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 consideraciones de calidad en los productos. Estirado de otras formas. Se pueden producir varias secciones transversales sólidas
mediante el estirado a través de dados con diferentes perfiles. El diseño apropiado del dado y la selección adecuada de la secuencia de reducción por pase requieren bastante experiencia para garantizar el flujo apropiado del material en el dado, reducir los defectos internos o externos y mejorar la calidad de la superficie. El espesor de pared, el diámetro o la forma de los tubos que se han producido por extrusión u otros procesos descritos en este libro se pueden reducir más mediante procesos de estirado de tubos (fig. 15.19). Los tubos de diámetros grandes, hasta de 0.3 m (12 pulgadas), pueden estirarse por medio de 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 latas de aluminio para bebidas, como se muestra en la figura 16.31.
15.8
Práctica de estirado
Como en todos los procesos de trabajado de los metales, el éxito del estirado requiere la selección cuidadosa de los parámetros del proceso. En el estirado, la reducción de área transversal por pase llega hasta casi 45%. Por lo general, cuanto más pequeña es la sección transversal inicial, más pequeña será la reducción por pase. Es común estirar alambres finos a una reducción de 15% a 25% por pase, y los tamaños mayores, de 20% a
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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 temperaturas elevadas para reducir las fuerzas. También se puede hacer una leve reducción (pase de 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 15.18 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. Por lo general, esto se realiza estampando la punta de la barra o alambre de manera similar a la mostrada en las figuras 14.15a y b; a esta operación se le conoce como punteado. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reducción del área transversal. Éstas pueden variar de 1 a 2.5 m/s (200 a 500 pies/min) para secciones gruesas, hasta 50 m/s (165 pies/s) para alambre muy fino, como el usado en electromagnetos. Debido a que el producto no tiene tiempo suficiente para disipar el calor generado, las temperaturas pueden aumentar sustancialmente a altas velocidades de estirado y perjudicar la calidad del producto. Los alambres de cobre y latón estirados se designan conforme a su temple (como 1/4 de dureza, 1/2 de dureza, etc.), debido al endurecimiento por trabajo. Puede ser necesario un recocido intermedio entre pases para mantener una ductilidad suficiente del material durante el estirado en frío. Los alambres de acero al alto carbono para resortes e instrumentos musicales se fabrican mediante tratamiento térmico (patentado o temple isotérmico) del alambre estirado; la microestructura obtenida es perlita fina (ver fig. 4.11). Estos alambres tienen resistencias máximas a la tensión hasta de 5 GPa (700 ksi) y una reducción tensil del área de casi 20%. Estirado múltiple. A pesar de que mediante el estirado se puede producir alambre
muy fino, el costo resultaría muy alto. Un método empleado para aumentar la productividad consiste en estirar muchos alambres (100 o más) de modo simultáneo, esto es, en forma múltiple. Los alambres se separan uno del otro mediante un material metálico adecuado con propiedades similares, pero con menor resistencia química (de manera que pueda extraerse por lixiviación de las superficies del alambre estirado). El estirado múltiple produce alambres cuya sección transversal es poligonal más que redonda. Además de las longitudes continuas, se han desarrollado técnicas para fabricar alambre fino que se rompe o recorta a diversos tamaños y formas. Estos alambres se utilizan como plásticos eléctricamente conductivos, textiles resistentes al calor y eléctricamente conductivos, medios de filtrado, camuflaje contra radares e implantes médicos. Pueden ser tan pequeños como 4 mm (0.00016 pulgada) de diámetro y producirse a partir de materiales como el acero inoxidable, titanio y aleaciones de temperaturas elevadas. Diseño de los dados. En la figura 15.20 se muestran los rasgos característicos de un
dado común para estirado. Los ángulos del dado van de 6° a 15°. Sin embargo, obsérvese que en un dado típico existen dos ángulos (de entrada y de aproximación). El diseño básico para este tipo de dados se ha desarrollado durante muchos años de ensayo y error. El propósito de la superficie de soporte (descanso o cara interior) es establecer el diámetro final del producto (dimensionado). Además, cuando se rectifica de nuevo un dado desgastado, la cara interior mantiene la dimensión de salida de la abertura del dado. Para el estirado de perfiles se requiere una serie de dados que comprende diversas etapas de deformación, a fin de producir el perfil final. Los dados se pueden hacer de una sola pieza o (según la complejidad del perfil transversal) con varios segmentos, que se mantienen unidos dentro de un anillo de sujeción. Se están implantando técnicas de diseño asistidas por computadora a fin de diseñar dados para un flujo suave de material a través de ellos, así como para minimizar los defectos. También se puede utilizar una serie de rodillos
Prácticas de estirado
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Capítulo 15
Extrusión y estirado (trefilado) de metales
Dirección de estirado
Campana (ángulo o radio) Ángulo de entrada Ángulo de aproximación Superficie de soporte (descanso) Ángulo posterior de relevo
Terminología de un dado común utilizada para estirar una barra o un alambre redondo. FIGURA 15.20
libres (locos), o de forma, para estirar barras redondas o de diversas formas. Dicho arreglo (cabeza de turco) es más versátil que los dados ordinarios de estirado, debido a que los rodillos se pueden ajustar a diferentes posiciones y ángulos para perfiles específicos. Materiales para dados. Por lo general, los materiales de los dados para estirado (ta-
bla 5.7) son aceros grado herramientas y carburos. Para el estirado en caliente se utilizan dados de acero fundido, por su alta resistencia al desgaste a temperaturas elevadas. Los dados de diamante se emplean para el estirado de a lambre fino con diámetros que van de 2 mm a 1.5 mm (0.0001 a 0.06 pulgada); pueden ser de diamante monocristalino, o en forma policristalina con partículas de diamante en una matriz metálica (compactos). Debido a su falta de resistencia a la tensión y tenacidad, los dados de carburo y de diamante se utilizan comúnmente como insertos u pastillas, que se apoyan en un portainserto de acero (fig. 15.21). Lubricación. La lubricación adecuada es fundamental en el estirado para mejorar la
vida de los dados y el acabado superficial del producto, además de reducir las fuerzas y la temperatura del estirado. La lubricación es crítica, sobre todo en el estirado de tubos, debido a la dificultad para mantener una película de lubricante lo suficientemente gruesa en la interfaz mandril-tubo. En el estirado de barras, un método típico de lubricación utiliza recubrimientos de fosfato (ver sección 15.4). A continuación se describen los métodos básicos de lubricación utilizados en el estirado de alambre (ver también el capítulo 33): • Estirado en húmedo, en el que los dados y la barra se sumergen por completo en el
lubricante. • Estirado en seco, en el que la superficie de la barra a estirar se recubre con un lu-
bricante al pasarla a través de una caja llena con lubricante (caja de aditivos).
Dirección de estirado
Inserto de matriz de carburo de tungsteno en un portainserto de acero. Los dados de diamante utilizados en el estirado de alambre delgado se soportan de manera similar. FIGURA 15.21
Porta inserto de acero Inserto de carburo de tungsteno (orificio)
