193 3..4. ESTIRDO DE LMBRES Y BRRS En el cntext de ls prcess de dermación vlumétrica, el estirad es una peración dnde la sección transversal de una barra, varilla alambre se reduce al tirar del material a través de la abertura de un dad cm se muestra en la igura 3.46. Las características generales del prces sn similares a la extrusión, la dierencia es que en el estirad el material de trabaj se jala a través del dad, mientras que en la extrusión se empuja a través del dad. unque la presencia de esuerzs de tensión es bvia en el estirad, la cmpresión también juega un papel imprtante ya que el metal se cmprime al pasar a través de la abertura del dad. Pr esta razón, la dermación que curre en estirad se llama algunas veces cmpresión indirecta. FIGUR 3.46 Estirad de barras, varillas alambre. La dierencia básica entre el estirad de barras y el estirad de alambre es el diámetr del material que se prcesa. El estirad de barras se reiere al material de diámetr grande, mientras que el estirad de alambre se aplica al material de diámetr pequeñ. En el prces de estirad de alambres se pueden alcanzar diámetrs hasta de 0.03 mm. unque la mecánica del prces es la misma para ls ds cass, el equip y la terminlgía sn de alguna manera dierentes. El estirad de barras se realiza generalmente cm una peración de estirad simple, en la cual el material se jala a través de la abertura del dad. Debid a que el material inicial tiene un diámetr grande, su rma es más bien una pieza recta que enrllada. Est limita la lngitud del trabaj que puede prcesarse y es necesaria una peración tip lte, Pr el cntrari, el alambre se estira a partir de rlls de alambre que miden varis cients ( miles) de metrs de lngitud y pasa a través de una serie de dads de estirad. El númer de dads varía entre cuatr y dce. El términ estirad cntinu (en inglés, cntinuus drawing) se usa para describir este tip de peración, debid a las grandes crridas de prducción que pueden realizarse cn ls rlls de alambre, ya que pueden sldarse a tpe cn el siguiente rll para hacer la peración verdaderamente cntinua. En una peración de estirad, la mdiicación en el diámetr del material de trabaj se da generalmente pr la reducción de área deinida cm sigue: r = (3.33)
194 r = reducción de área en el estirad = área riginal del trabaj, (mm ) = área inal, (mm ). La reducción de área se expresa recuentemente cm un prcentaje. En el estirad de barras, estirad de varillas y en el estirad de alambre de diámetr grande para peracines de recalcad y rjad de cabezas se usa el términ drat para dentar la dierencia de tamañs antes y después de prcesar el material de trabaj, El drat es simplemente la dierencia entre el diámetr riginal y inal del material: d = D D (3.34) d = drat, (mm) D = diámetr riginal del trabaj. (mm) D = diámetr inal del trabaj, (mm). 3..4.1. nálisis del estirad En esta sección revisarems la mecánica del estirad de alambres y barras, y el cálcul de esuerzs y uerzas en el prces. Cnsiderarems también la psibilidad de grandes reduccines en las peracines de estirad. Mecánica del estirad Si n curre ricción trabaj redundante en el estirad la dermación real puede determinarse cm sigue: 1 ε = ln = ln (3.35) 1 r y sn las áreas riginal y inal de la sección transversal del material de trabaj, cm se deiniern previamente; y r = reducción del estirad, deinida en la ecuación 3.33. El esuerz que resulta de esta dermación ideal está dad pr: σ = Y ε = Y ln (3.36) Y = esuerz de luencia prmedi, basad en el valr de la dermación de la ecuación 3.35
195 Debid a que la ricción está presente en el estirad y aunque el metal de trabaj experimenta dermación n hmgénea el verdader esuerz es más grande que el prprcinad pr la ecuación 3.36. demás de la relación /, tras variables que tienen inluencia en el esuerz del estirad sn el ángul del dad y el ceiciente de ricción en la interase trabaj-dad. Se han prpuest numerss métds para predecir el esuerz de estirad cn base en ls valres de ests parámetrs [1,, 3 y 6]. Presentarns a cntinuación la ecuación sugerida pr Schey [3]: σ d µ = Y 1 + φ ln (3.37) tanα σ d = esuerz de estirad (MPa); µ = ceiciente de ricción dad-trabaj; α = ángul del dad (medi ángul) cm se deine en la igura 3.46, φ = es un actr que se usa para dermación n hmgénea el cual se determina para una sección transversal rednda cm: D φ = 0.88 + 0.1 (3.38) L c D = diámetr prmedi del material de trabaj durante el estirad, (mm) L = lngitud de cntact del material de trabaj cn el dad de estirad en la igura 3.46 (mm). Ls valres de D y L, se pueden determinar de las siguientes ecuacines: D + D D = (3.39a) L c D D = (3.39b) senα La uerza crrespndiente al estirad es entnces, el área de la sección transversal del material estirad multiplicada pr el esuerz de estirad: µ F = σ d = Y 1 + φ ln (3.40) tanα F = uerza de estirad, (N); ls trs términs se deiniern previamente. La ptencia requerida en una peración de estirad es la uerza multiplicada pr la velcidad de salida del trabaj.
196 EJEMPLO 3.4 Esuerz y uerzas en el estirad de alambre Un alambre se estira a través de un dad cn un ángul de entrada = 15º. El diámetr inicial es.5 mm y el diámetr inal es mm. El ceiciente de ricción en la interase trabaj-dad es 0.07. El metal tiene un ceiciente de resistencia K = 07 MPa y un expnente de endurecimient pr dermación n = 0.0. Determine el esuerz de estirad y la uerza de estirad en esta peración. Slución: Ls valres de D y L c para la ecuación 3.38 se pueden determinar usand las ecuacines 3.39 D D = + D.5 = = 0.5mm D D.5 Lc = = = 0. 9659mm senα sen15 Entnces: D 0.5 φ = 0.88 + 0.1 = 0.88 + 0.1 = 0.9111 0.9659 Se calculan las áreas respectivas antes y después del estirad y se btienen: La dermación real resultante ecuación 3.35 L c πd π (.5) = = = 4 4 πd π (.0) = = = 4 4 4.91mm 3.14mm 4.91 ε = ln = ln = 0.4470 3.14 El esuerz de luencia prmedi en la peración se calcula ecuación 3.1: Y = k ε 07 10 0.4470 = 1 + n 1 + 0. n 6 0. = 14684105. 8 El esuerz de estirad está dad pr la ecuación 3.37: µ 0.07 σ d = Y 1 + φ ln = 14684105.8 1 + 0.9111 0.4470 = 7546357. 3Pa tan α tan15 Finalmente, la uerza de estirad es el esuerz multiplicad pr el área de la sección transversal del alambre de salida: 6 = F = σ d = 7546357 3.14 10 36. 83N Pa Reducción máxima pr pase Una pregunta que se le puede currir al lectr es pr qué se necesita más de un pas para alcanzar la reducción deseada en el estirad de alambre?, pr qué n se hace la reducción entera en un sl pas cm se hace en la extrusión? La respuesta es clara, de las ecuacines precedentes, si la reducción se incrementa, también ls esuerzs de estirad aumentan. Si la reducción es l suicientemente grande, ls esuerzs de estirad excederían la resistencia a la luencia del material que sale. Cuand est pasa, el alambre estirad simplemente se alarga, en lugar de
197 que el nuev material se cmprima a través de la abertura del dad. Para que el estirad de alambre sea exits, el esuerz máxim de estirad debe ser menr que el esuerz de luencia del material que sale. Es ácil determinar este esuerz de estirad máxim y la psible reducción máxima que puede hacerse en un pas baj ciertas supsicines. Supngams un metal perectamente plástic (n = 0), sin ricción y sin trabaj redundante. En este cas ideal, el esuerz de estirad máxim psible es igual a la resistencia a la luencia del material de trabaj. Si expresarns est usand la ecuación para el esuerz de estirad baj cndicines de dermación ideal, ecuación 3.36, e igualams Y = Y (prque n = 0): 1 σ d = Y ln = Y ln = Y ln = Y 1 r Est signiica que In ( / ) = In (1/1-r) = 1. Entnces / = 1/1-r deben ser igual a ls lgaritms naturales base e. Es decir, la dermación máxima psible es 1: ε max =1 (3.41a) La relación máxima psible (le área está dada pr: = e =.7183 (3.41b) y la reducción máxima psible es: e 1 r max = = 0.63 (3.41c) e El valr dad pr la ecuación 3.41(c) se usa recuentemente cm la reducción teórica máxima psible en un sl pas, aun cuand éste ignra: 1) ls eects de ricción y del trabaj redundante que pdrían reducir el valr máxim, ) el endurecimient pr dermación que pdría incrementar la reducción máxima psible, debid a que el alambre a la salida pdría ser más resistente que el metal inicial. En la práctica, las reduccines pr pas están muy pr debaj de ls límites teórics. Ls límites superires en la práctica industrial parecen ser reduccines de 0.50 para estirad simple de barras y 0.30 para estirad múltiple de alambre 3..4.. Práctica del estirad El estirad se realiza generalmente cm una peración de trabaj en rí. Se usa más recuentemente para prducir seccines redndas, per también se pueden estirar seccines cuadradas y de tras rmas. El estirad de alambre es un prces industrial imprtante que prvee prducts cmerciales cm cables y alambres eléctrics; alambre para cercas, etc.; varillas para prducir clavs,
198 trnills, remaches resrtes y trs artículs de erretería. El estirad de barras se usa para prducir barras de metal para maquinad y para trs prcess. Las ventajas del estirad en estas aplicacines incluyen: 1) estrech cntrl dimensinal, ) buen acabad de la supericie, 3) prpiedades mecánicas mejradas, cm resistencia y dureza, 4) adaptabilidad para prducción ecnómica en masa en ltes. Las velcidades de estirad sn tan altas cm 50 m/s para alambre muy in. En el cas del estirad de barras se prduce material para maquinad, la peración mejra la maquinabilidad de las barras. FIGUR 3.47 Banc de estirad perad hidráulicamente para estirad de barras metálicas. Equip de estirad El estirad de barras se realiza en una máquina llamada banc de estirad que cnsiste en una mesa de entrada, un bastidr para dad (que cntiene el dad de estirad), la crredera y el armazón de salida, El arregl se muestra en la igura 3.47. La crredera se usa para jalar el material a través del dad de estirad. Está accinad pr cilindrs hidráulics cadenas mvidas pr un mtr. El bastidr del dad se diseña recuentemente para cntener más de un dad, de manera que se puedan estirar varias barras simultáneamente a través de ls respectivs dads. FIGUR 3.48 Estirad cntinu de alambre,
199 El estirad del alambre se hace cn máquinas estiradras cntinuas que cntienen múltiples dads de estirad separads pr tambres de acumulación, cm se ilustra en la igura 3.48. Cada tambr, llamad cabestrante mlinete, es mvid pr un mtr que prvee la uerza aprpiada para estirar el alambre a través del dad crrespndiente. También mantiene una tensión regular en el alambre que pasa al siguiente dad de estirad. Cada dad realiza una cierta reducción en el alambre, y así se alcanza la reducción ttal deseada. lgunas veces se requiere reccid del alambre entre ls grups de dads, dependiend del metal que se prcesa y de la reducción ttal que se realiza. Dads de estirad La igura 3.49 identiica las características de un dad típic de estirad. Las cuatr regines del dad que se pueden distinguir sn las siguientes: 1) entrada, ) ángul de aprximación, 3) supericie del cjinete (camp), 4) relev de salida. La región de entrada es generalmente una abertura en rma de campana que n entra en cntact cn el material de trabaj. Su prpósit es hacer un embud lubricante en el dad y prevenir el rayad en la supericie del material de trabaj. La aprximación es dnde curre el prces de estirad. Es una abertura en rma de cn cn un ángul (medi ángul) que luctúa nrmalmente de 6º a 0º. El ángul crrect varía de acuerd al material de trabaj, La supericie del cjinete camp determina el tamañ inal del material estirad. Finalmente el relev de salida es la última zna. Se prvee cn un relev hacia atrás cn un ángul de 30º. Ls dads de estirad se hacen de acer de herramienta carbur cementad Ls dads para alta velcidad en las peracines de estirad de alambre usan recuentemente inserts hechs de diamante (sintétic natural) para las supericies de desgaste. FIGUR 3.49 Dad de estirad para barras redndas alambre. Preparación del material de trabaj ntes del estirad, el material inicial debe prepararse adecuadamente. Est invlucra tres pass: 1) reccid, ) limpieza y 3) ailad. El prpósit del reccid es incrementar la ductilidad del material para aceptar la dermación durante el estirad. lgunas veces se necesitan pass de reccid en el estirad cntinu, La limpieza del material se requiere para prevenir dañs en la supericie del material de trabaj y en el dad de estirad. Est invlucra la remción de ls cntaminantes de la supericie (pr ejempl, capas de óxid y crrsión) pr medi de bañs químics limpieza cn chrr de municines. En alguns cass se prelubrica la supericie de trabaj después de la limpieza. El ailad implica la reducción del diámetr del extrem inicial del material de manera que pueda
00 insertarse a través del dad de estirad para iniciar el prces, est se lgra generalmente mediante estampad, laminad trnead. El extrem ailad del material se sujeta a las mrdazas de la crredera a trs dispsitivs para iniciar el prces de estirad. 3..4.3. Estirad de tubs El prces de estirad se puede usar para reducir el diámetr el espesr de la pared de tubs sin cstura y cañs, después que se ha prducid el tub inicial pr medi de alguna tra peración cm extrusión. El estirad del tub se puede llevar a cab cn sin un mandril. El métd más simple n usa mandril y se aplica para la reducción del diámetr cm se muestra en la igura 3.50. lgunas veces se usa el términ entallad de tub para esta peración. FIGUR 3.50 Estirad de tubs sin mandril (entallad de tubs). El prblema que surge cuand el tub se estira sin utilizar un mandril, cm se muestra en la igura 3.50, es que carece de cntrl sbre el diámetr intern y sbre el espesr de la pared del tub. Pr est se usan mandriles de varis tips, ds de ls cuales se ilustran en la igura 3.51. En la parte (a) de la igura se usa un mandril ij ajustad a un barra de sprte larg para ijar el diámetr interir y el espesr de la pared del tub durante la peración. Las limitacines prácticas sbre la lngitud de la barra de sprte en este métd restringen la lngitud de ls tubs que pueden estirarse. El segund tip que se muestra en la parte (b) usa un tapón ltante cuya rma se diseña de manera que encuentre su psición natural en la zna de reducción del dad. Este métd evita las limitacines sbre la lngitud de trabaj que presenta el métd del mandril ij. FIGUR 3.51 Estirad de tubs cn mandriles (a) mandril ij y (b) tapón ltante.