UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFORME N°2 “LABORATORIO DE
LAMINADO Y TREFILADO”
Curso
: Procesos de Manufactura
Profesor
: Ing. Paredes Benites, Victor
Integrantes
: Machuca Huaranga, Juan 20154014F Quispe Castillo, Junior
20141205B
Sarria Torres, Máximo
20131465A
Grupo
: N°3
Sección
: “E”
Fecha de entrega : 23 de octubre de 2017
P.A. 2017-2 1
Índice
Pág. I.
Objetivos………………………………………………………………………………. 3
II.
Fundamento teórico ………………………………………………………………….. 4
III.
Equipos y Materiales…………………………………………..…………..……….. 14
IV.
Procedimiento…………………………………………………………….……….…..7
V.
Cuestionario…………………………………………………………………... .........10
VI.
Observaciones……………………………………………………………………….15
VII. Recomendaciones……………………………………………………………….…..15 VIII. Conclusiones…………………………………………………………………………16
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I. OBJETIVOS
Conocer el proceso de trefilación y el proceso de laminación y aprender a diferenciarlos.
Adquirir conocimientos generales acerca de los procesos de trefilación y laminación, además los requerimientos técnicos necesarios para su realización.
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II. FUNDAMENTO TEÓRICO PROCESO DE LAMINADO El laminado es un proceso de deformación en el cual el metal pasa entre dos rodillos y se comprime mediante fuerzas de compresión ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran para jalar el material y simultáneamente apretarlo entre ellos. Un proceso estrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en el cual una sección transversal cuadrada se transforma en un perfil tal como en una viga en I. La mayoría de los productos laminados se realizan en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, y se le llama laminado en caliente. Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas del laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica.
Fig. N°1. Proceso de laminación (plano).
Determinación de la fuerza de rozamiento El laminado plano involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho mayor que el espesor. En el laminado plano, se presiona el material de trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce: 4
Dónde: d = diferencia, (mm) to = espesor inicial, (mm) tf = espesor final, (mm)
Figura N°2. Vista lateral del laminado plano Además de reducir el espesor, el laminado incrementa usualmente el ancho del material de trabajo. Esto se llama esparcido y tiende a ser más pronunciado con bajas relaciones entre espesor y ancho, así como con bajos coeficientes de fricción. Existe la conservación del material, de tal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra a los rodillos
Dónde: wo, lo son ancho y largo iniciales de trabajo (mm) wf, lf son ancho y largo finales de trabajo (mm) 5
Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo, a lo largo de un arco de contacto definido por el ángulo θ. Cada rodillo tiene un radio R y su velocidad de rotación, tiene una velocidad superficial vr. Esta velocidad es mayor que la velocidad de trabajo vo y menor que la velocidad de salida vf. Como el flujo de metal es continuo, hay un cambio gradual en la velocidad del material de trabajo entre los rodillos, Sin embargo, existe un punto a lo largo del arco donde la velocidad de trabajo se iguala la velocidad del rodillo. Este punto se llama punto de no deslizamiento, también conocido como punto neutro. A cualquier lado de este punto, ocurren deslizamientos con fricción entre el rodillo y el material de trabajo. La cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del deslizamiento hacia adelante, este término se usa en laminado y se define como:
Donde s = deslizamiento hacia adelante vf = velocidad final del trabajo (salida), (m/seg) vr = velocidad del rodillo (m/seg)
La deformación real, experimentada por el material de trabajo, se basa en el espesor del material antes y después del laminado.
Se puede usar la deformación real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio Yf aplicado al material de trabajo en el laminado plano.
El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia en laminado.
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La fricción se presenta en el laminado con un cierto coeficiente de fricción, la fuerza de compresión de los rodillos, multiplicada por este coeficiente de fricción da por resultado una fuerza de fricción entre los rodillos y el material de trabajo. En el lado de la entrada, fuerza de fricción tiene una dirección; en el otro lado, tiene la dirección opuesta. Sin embargo, las dos fuerzas no son iguales. La fuerza de fricción es mayor en la entrada, de manera que la fuerza neta que jala el material de trabajo a través de los rodillos. El laminado no sería posible sin estas diferencias. Hay un límite para el máximo d posible que puede alcanzar el laminado plano con un coeficiente de fricción, dado por:
Donde dmax = diferencia máxima, (mm) m = coeficiente de fricción R = radio del rodillo, (mm)
La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento podría ser cero y esto haría imposible la operación de laminado
El coeficiente de fricción en el laminado depende de varios factores como lubricación, material de trabajo y temperatura de laminado.
Fuerza del rodillo sobre el material Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar el laminado, la fuerza F requerida para mantener la separación entre los dos rodillos se puede calcular
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integrando la presión unitaria de laminado sobre el área de contacto rodillomaterial de trabajo. Esto se puede expresar como sigue:
Donde F = fuerza de laminado (N) w = ancho del material de trabajo que se está laminando, (mm) p = presión de laminado, (MPa) L = longitud de contacto entre el rodillo y el material de trabajo, (mm)
Se puede calcular una aproximación de los resultados obtenidos por la ecuación de fuerza de laminado, con base en el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el material durante el proceso de laminado. Esto es
Donde Yf = esfuerzo de fluencia promedio de la ecuación del esfuerzo de fluencia promedio, (MPa) wL = es el área de contacto rodillo-material de trabajo, (m2)
La longitud de contacto se puede aproximar mediante:
El momento de torsión en laminado se puede estimar suponiendo que la fuerza ejercida por los rodillos se centra en el material de trabajo, conforme pasa entre ellos y actúa con un brazo de palanca de la mitad de la longitud de contacto L. Entonces, el momento de torsión para cada rodillo es:
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La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es πN / 30, donde N =
velocidad de rotación del rodillo en (rev/min). Así, la potencia para cada rodillo es:
Al sustituir la ecuación de torsión en la expresión anterior para la potencia de un rodillo, y al duplicar el valor, ya que un molino de laminado posee dos rodillos, obtenemos la siguiente expresión:
Donde P = potencia (W) N = velocidad de rotación (rev/min) F = fuerza de laminado, (N) L = longitud de contacto, (m)
PROCESO DE TREFILADO En el trefilado, la sección transversal de una barra o alambre redondos se reducen o cambian jalándolos a través de un dado o matriz. Las variables principales en el trefilado se parecen a las de la extrusión por la reducción de área transversal, ángulo del dado, fricción a lo largo de la interfase dado-pieza y velocidad de trefilado. El ángulo del dado influye sobre la fuerza de estirado y la calidad del producto. Se puede demostrar que, para cierta reducción de diámetro y cierta condición de fricción, hay un ángulo óptimo de dado con el cual es mínima la fuerza de estirado, sin embargo, esos cálculos no quieren decir que se deba hacer el proceso con este ángulo optimo, porque, como se verá más adelante, hay otras consideraciones que tienen que ver con la calidad del producto.
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Características de los materiales para trefilado Alambrón: El proceso de producción del alambre es en extremo delicado, se fabrica a partir de un producto siderúrgico llamado alambrón, esta es la principal materia prima para la fabricación del alambre. El alambrón es una barra de acero producida por laminación en caliente de forma circular y con diámetros que varían entre 5.50 y 14. 00mm.Llega a la planta para ser procesada en rollos de 1000 a 2000 Kg. y presenta diferentes calidades de resistencia y composición Los rollos de alambrón son almacenados, para posteriormente ser sometidos a un proceso de limpieza el cual permite eliminar los óxidos e impurezas de la superficie, favoreciendo con esto la adherencia de algunos revestimientos posteriores. 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.
Concepto de Alargamiento El trefilado es simplemente el alargamiento mecánico de la fibra en la dirección del eje. Durante este proceso las cadenas moleculares se orientan en la dirección del trefilado, de modo que se mejoran la resistencia a la tracción, el módulo de elasticidad y la tenacidad. Aunque la resistencia mecánica de una fibra trefilada aumenta en la dirección axial, también es verdad que esta 10
resistencia disminuye en la dirección transversal o radial. Sin embargo, esta diferencia de resistencia no es crítica, ya que las fibras normalmente están tensionadas a lo largo del eje. La sección transversal de las fibras trefiladas es casi circular y las propiedades son uniformes a través de la sección.
Operación de trefilado Desbobinado: El sistema de desbobinado a tensión constante para máquinas trefiladoras está caracterizado generalmente por la instalación de un motor eléctrico C en cada porta-carretes A, un sensor B de tensión del hilo, un circuito impreso con un microcontrolador y los componentes necesarios para controlar el motor siguiendo una consigna de tensión deseada en el hilo. También caracterizado por el sistema de transmisión de energía eléctrica hasta cada porta-carretes A, garantizando constantemente la alimentación de todos ellos a lo largo de su trayectoria, a pesar de ir pasando éstos por distintos platos giratorios conductores G. Dicha alimentación se realiza mediante los contactos giratorios L, el tubo giratorio K, los platos giratorios conductores G, las placas conductoras H e I de éstos, y los contactos E de los acoplamientos D de los porta-carretes, con los muelles F para asegurar su contacto adecuado con las placas conductoras de los platos giratorios conductores G.
Figura N°3. Operación de trefilado
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Lubricación: Para evitar el contacto directo de la Hilera (matriz cónica) con el acero en proceso de trefilación, se utiliza un lubricante en polvo de alta presión que, durante su acción, se convierte en una pasta que sale adherida en forma de película, a la superficie del material procesado. El lubricante seco más utilizado en el proceso de trefilación es el granito en polvo. El grafito es negro y opaco y tiene un lustre metálico y una densidad de entre 2,09 y 2,2 g/cm3. Al ser muy blando (dureza entre 1 y 2) mancha cualquier cosa que toque y tiene tacto graso o escurridizo. Es el único material no metálico que conduce bien la electricidad; sin embargo, a diferencia de los otros conductores eléctricos, transmite mal el calor.
Mecanizado en Frío: Método mecanizado por el cual el alambre se va reduciendo y moldeando hasta la forma deseada mediante rodillos y dados. 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. Alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar de que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.
Figura N°4
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Proceso de Reducción de Diámetro. Recocido: El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas. Se emplea para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtienen aceros más mecanizables y evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre 600 y 700 °C. El enfriamiento es lento.
Etapa de Recocido Calibración: Estrechas tolerancias (h9 en Normas DIN) tanto en la redondez de la sección como en el diámetro de la barra, son características del material trefilado. Las cualidades anteriores junto a muchas otras nombradas permiten fabricar a partir de éste, piezas y partes de maquinarias. Con poca modificación, unas barras trefiladas pueden pasar a constituir un eje, montársele un rodamiento, ser materia prima para fabricación de piezas en serie torneadas en un torno automático o constituir materia prima para tornos C.N.C., etc.
Encarretado: Instalación colocada al final de la máquina que encarreta el alambre trefilado perfectamente conformado.
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III. EQUIPOS Y MATERIALES -
Platinas de Aluminio, Pb+Sn
-
Equipo de tracción
-
Laminadora
-
Vernier
-
Varilla de cobre
-
Dados
-
Trefiladora
Figura N°5. Platina Pb+Sn
Figura N°6. Platina de Aluminio
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Figura N°7. Equipo de tra cción
Figura N°8 Laminadora
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Figura N°9. Dados
Figura N°11. Vernier
Figura N° 10. Varilla de cobre
Figura N°12. Trefiladora
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IV.PROCEDIMIENTO PRACTICA DE LAMINADO En esta práctica tomamos una pieza de aluminio de forma rectangular un poco alargada y una aleación de Pb+Sn de forma prismática y la haremos pasar por la máquina laminadora, es una máquina compuesta de rodillos rotatorios la cual disminuye el espesor de los metales, las piezas se pasaran varias veces.
PRACTICA DE TREFILADO En esta práctica tomaremos una varilla de cobre previamente recocida, la varilla de cobre se hará pasar varias veces por algunos de los diferentes diámetros del dado, con el fin de disminuir su diámetro.
V. DATOS Y RESULTADOS Se realizaron los procesos de laminado y trefilado, de donde se obtuvieron los siguientes datos, respectivamente:
Tabla 1. Proceso de laminado en la pieza de aluminio. N°Pasadas
Longitud (mm)
Ancho (mm)
Espesor (mm)
Inicio
121.5
51
6.2
2
138
51
5.2
5
142
51.1
4.97
8
152
51.27
4.53
12
162
51.37
4.00
16
201
51.85
3.17
20
218.5
51.93
2.97
24
258
52.25
2.45
1 rotura 27
311
52.20
2.00
30
375
52.63
1.72
35
495
52.83
1.30
38
585
52.93
1.00
16
% =
6.2 − 1.00 6.2
× 100% = 83.87
Tabla 2. Proceso de laminado en la aleación de Pb+Sn. N°Pasadas
Longitud (mm)
Ancho (mm)
Espesor (mm)
Inicio
120
19.0
5.30
3
135
11.4
3.90
8
132
11.6
3.07
13
252
12.6
1.97
18
328
14.1
1.10
23
893
17.2
1.00
25
2060
17.6
----
% =
5.3 − 1.00 5.3
× 100% = 81.13
Tabla 3. Proceso de trefilado en la varilla de cobre. Ø Varilla Cu
Ø Dados
Longitud inicial
Longitud final
Tracción
(mm)
(mm)
(cm)
(cm)
Inicio Ø4
----
15
15
-----
4
3.54
15
15.5
3120
3.54
3.35
15
15.8
2900
3.35
3.01
14.8
15
2460
1er Dado: % =
4 − 3.54 4
× 100% = 11.50 %
2do Dado: % =
3.54 − 3.35 3.54
× 100% = 5.37 %
3er Dado: % =
3.35 − 3.01 3.35
× 100% = 10.15 % 17
VI.
OBSERVACIONES En el laminado, a medida que la pieza de aluminio atravesaba por los diferentes orificios del laminador, se vió una disminución en el espesor y un alargamiento de la pieza. En la práctica olvidamos rotar el alambrón en cada pasada por los orificios, por lo que después de varias pasadas ocurrió la rotura de la pieza.
Para el trefilado se tomó una varilla de cobre y se midieron sus dimensiones, el cual se hizo pasar por algunos diámetros del dado de la maquina trefiladora, esto ocasiono que el alambre disminuyera su diámetro.
Durante el proceso se pudo observar que a medida que el alambre sufría los cambios también había desprendimiento de calor del material que indica buena deformación, también sufría endurecimiento por la deformación que se puede definir como exceso de tensión en el material.
VII.
Usar guantes para recibir o meter el material en la laminadora.
VIII.
RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
Se presentan diferencias grandes entre los valores de los porcentajes de deformación del laminado y el trefilado por las presiones que se generan en los mismos y el material de partida utilizado para cada uno de los procesos y las diferencias de los mismos.
El proceso de laminado se puede utilizar para reducir bloques de metal a láminas, cintas o piezas de espesor muy reducido de una manera fácil y económica.
El proceso de trefilado es utilizado para reducir el diámetro de hilos metálicos sin generación de virutas, con precisión dimensional y buena calidad superficial y aporta al material sometido ciertas propiedades mecánicas como dureza y resistencia.
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