Se denominan Procesos de Conformación por Deformación Plástica (en adelante

PCDP) a aquellos procedimientos de obtención de componentes mecánicos que aprovechan el

comportamiento plástico de los materiales, es decir, la posibilidad de cambiar la forma o

dimensiones del material mediante la aplicación de unos esfuerzos exteriores suficientemente

grandes. Dentro de una clasificación global de los procesos de producción, los procedimientos

de fabricación por deformación plástica se enmarcarían en el conjunto denominado “procesos

de conformado sin eliminación de material”, ya que durante su ejecución las pérdidas de

material del componente obtenido con respecto al elemento de partida son, en general,

prácticamente despreciables. Los procesos de conformado por deformación plástica tienen

unos orígenes remotos, y han mantenido a lo largo de la historia un importante papel en el

conjunto de la fabricación. De hecho, un gran porcentaje de los componentes que se fabrican

han sufrido en un momento dado del proceso alguna operación de conformado por

deformación. Seria innecesario el conformado de metales si estos se pudiesen fundir

conservando buenas propiedades mecánicas y obteniendo la amplia variedad de formas y

tamaños exigidos por la industria moderna.

Los átomos de los metales en estado sólido ocupan posiciones de equilibrio en la red

cristalina, que dependen de las fuerzas interiores de cohesión. Por lo tanto, si se somete a la

pieza metálica a fuerzas exteriores, se altera el equilibrio y se producen desplazamientos

atómicos que originan deformaciones. Estas deformaciones pueden ser de dos clases:

- Elásticas, si los átomos recuperan la posición inicial de equilibrio cuando cesan las

fuerzas exteriores.

- Plásticas o permanentes, en caso contrario.

Cuando el esfuerzo aplicado a un material es lo suficientemente grande, el metal fluye,

empieza a deformarse plásticamente, manteniendo su deformación después que la carga se ha

retirado. Esto es considerado como criterio de falla en las estructuras de ingeniería. En el

conformado de metales se tiene un punto de vista muy diferente, aquí no se utiliza la

deformación elástica, que desaparece tan pronto se retira la carga, puesto que lo que se desea

es producir un cambio permanente en la sección transversal.

Criterios de fluencia

- Tracción uniaxial simple

- Criterio de Rankine

- Criterio de la tensión cortante máxima de Tresca

- Criterio de energía máxima de deformación cortante de Von Mises

- Criterio bajo condiciones de deformación plana

Estirado y trefilado

Fundamento y características de las piezas: El estirado y el trefilado son dos

procedimientos de conformado por deformación plástica en los que la deformación permanente

se realiza por la acción de fuerzas de tracción, con el consiguiente alargamiento del material, al

hacer pasar el material a través de orificios calibrados denominados hileras. Se opera, como

fase intermedia o como acabado, con perfiles laminados o extruidos y, generalmente, en frío, lo

cual confiere al material las propiedades inherentes a estos procesos: mayor dureza, aumento

de la resistencia y mejor acabado superficial, teniéndose así la posibilidad de disminuir las

tolerancias. Ambos procesos (estirado y trefilado) en realidad son idénticos, la diferencia estriba

en el fin perseguido.

En el estirado se pretende efectuar reducciones de sección, para conseguir formas o

calibres determinados, así como mejorar su calidad superficial. Se realiza en una pasada y el

material de trabajo al que se aplica suelen ser barras de 4 a 6 metros de longitud y diámetro

superior a 10 mm, y también a tubos.

En el trefilado el interés se centra en conseguir grandes reducciones de sección, lo que

exige realizar el trabajo en más pasadas. El material de trabajo que utiliza el trefilado son

redondos obtenidos por laminación de 5 a 8 mm de diámetro. El trefilado tiene como finalidad

normalmente la fabricación de alambre a partir de la reducción de diámetro de un perfil redondo

de metal, sometido a un esfuerzo de tracción, haciéndole pasar a través de una matriz circular.

Además de las aplicaciones directas, como en la conducción de electricidad, el alambre

es el material de partida para muchos productos, incluyendo las estructuras de marcos de

alambre (desde ganchos para ropa hasta carros de supermercado), clavos, tomillos y pernos,

remaches, cercas de alambres, etc.

Los procesos de trefilado son muy productivos porque tienen velocidades de hasta 50

m/s en el alambre delgado. Las velocidades mucho más lentas, de cerca de 1 m/s, son

comunes al estirar barras más pesadas en longitudes rectas en mesas de estirado.

Grandes cantidades de varillas, tubos, alambres y perfiles especiales, se terminan

mediante un estirado en frío, haciéndoles pasar a través de una hilera (figura 2.22). Cuando se

pretende producir piezas cilíndricas de paredes relativamente gruesas (tanques de oxígeno,

proyectiles de artillería, torretas de tanques y tubos cortos) se puede utilizar el estirado en

caliente (figura 2.23). El criterio empleado para determinar si el proceso es en frio o en caliente

es la temperatura homologa, que se calcula como TH=(Temperatura de trabajo)/(Temperatura

de fusión). Si TH<0,3 es un trabajo en frio, si TH esta entre 0,3 y 0,6 es un trabajo en tibio y si

TH>0,6 es un trabajo en caliente.

El proceso de estirado se puede usar para reducir el diámetro o el espesor de la pared

de tubos y tuberías sin costura, después que se ha producido el tubo inicial por medio de

alguna otra operación. El estirado del tubo se puede llevar a cabo con o sin mandril. El método

más simple no usa mandril y se aplica para la reducción del diámetro externo. Algunas veces

se usa el término entallado de tubo para esta operación.

El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizar un mandril, es que carece de

control sobre el diámetro interno y sobre el espesor de la pared del tubo. Por esto se usan

mandriles de varios tipos:

- Mandril fijo: ajustado a una barra de soporte largo para fijar el diámetro interior y el

espesor de la pared del tubo durante la operación. Las limitaciones prácticas sobre la longitud

de la barra de soporte en este método restringen la longitud de los tubos que pueden estirarse.

- Tapón flotante: su forma se diseña de manera que encuentre su posición “natural” en

la zona de reducción del troquel. Este método evita las limitaciones sobre la longitud de trabajo

que presenta el método del mandril fijo.

Materiales empleados: Los materiales y aleaciones que se someten a conformación

por estirado deben ser:

1. Suficientemente dúctiles.

2. De suficiente resistencia a la tracción, para que no se rompan al estirar.

3. De excelente calidad en cuanto a la uniformidad de composición y estructura, ya que

cualquier defecto puede provocar la rotura de la barra.

Los materiales más indicados son: aceros, latones, cobre, aluminio y sus aleaciones y

magnesio y sus aleaciones.

Operaciones: Las operaciones realizadas durante estos procesos son:

- Decapado: consiste en limpiar y preparar el material, eliminando de él las escamas y

óxidos que pueden haberse formado en las superficies, en las laminaciones previas. En general

suele hacerse por ataques químicos y una posterior limpieza con agua a presión.

- Estirado y trefilado propiamente dicho: los factores decisivos son los lubricantes y

tipos de máquinas. Como lubricantes se utilizan normalmente, parafina, grafito finamente

dividido y grafito en solución coloidal.

- Acabado: una vez que el material sale de la hilera, generalmente se le somete a las

operaciones de enderezamiento, recocido de afino de grano o de eliminación de tensiones y

algunas veces tratamientos isotérmicos a fin de conseguir mejorar las características

mecánicas del producto.

Equipos: el estirado se realiza en los bancos de estirar formados por una bancada

con una cabeza portahilera, un carro de tracción provisto de una mordaza para sujetar la barra

y aplicar el esfuerzo de tracción, y un dispositivo para desplazar el carro (cremallera, cadena

sin fin, cilindro y pistón…)

El órgano fundamental del estirado es la hilera cuyo perfil longitudinal se pude dividir en

cuatro partes:

o Embocadura de ángulos redondeados.

o Sección de reducción.

o Sección de calibrado, que es cilíndrica, donde se ajusta bien el diámetro de la

barra y se pule su superficie; la longitud de esta parte es de ½ del diámetro.

o Cono de salida, que es otro tronco de cono, de ángulo de 30º.

Las cuatro secciones tienen los ángulos de unión entre sí redondeados para facilitar el

flujo del material.

Según el material de auge se realizan las hileras se denominan regenerables, que se

pueden estrechar cuando se desgastan, martillándolas, o no regenerables.

Las hileras regenerables son de acero al cromo de composición similar a 2%de C y 2%

a 13% de Cr.

Las hileras no regenerables son de carburo de wolframio (widia), montadas en

portahileras de acero ordinario.

Proceso de estirado en frío

1.  Nuestro proceso comienza con rollos de acero laminado en caliente o barras rectas

laminadas en caliente de la acerería. Cuando se usan barras rodadas en caliente se estiran en

forma individual. Cuando se usan rollos, las grúas tienen ganchos en C para levantarlos en

forma segura y colocarlos en la "desenrolladora".

2.

El

acero pasa por la "desenrolladora" e ingresa en los rodillos preenderezadores horizontales y

verticales para "borrar la memoria" del rollo.

3.  El acero continúa su camino por la chorreadora para poder quitar todo rastro de óxido de la

superficie de la barra.

4.  Después el acero se introduce por una matriz. Posteriormente, la unidad de trefilado pasa el

acero por la misma matriz, en un movimiento constante.

5.  El enderezamiento continuo se mantiene al pasar el acero por más rodillos.

6.  En todas las líneas existen pruebas no destructivas para garantizar la detección y corrección

de los defectos de la superficie de la materia prima.

7.  Existen más procesos de enderezamiento en toda la línea de estirado.

8.  Las cizallas de cilindros o de cuchillas cortan la barra según el largo deseado por el cliente.

9.  El proceso de enderezamiento final se lleva a cabo en la máquina de 2 rodillos, cuando la

barra pasa por los grandes rodillos cóncavo y convexo. Las hojas guías, los ángulos y la

presión contribuyen a la rectitud final de la barra.

10.  Las barras rectas acabadas en frío se acumulan en la superficie de salida, donde se

       pesan.

11.  El haz terminado se amarra con tirantes y ganchos de acero. El extremo del haz

  se pinta según las especificaciones del cliente y se identifica con una etiqueta.

12. Los clientes nos notifican sobre cuándo necesitan el acero y los haces se seleccionan

del inventario y se colocan en camiones plataforma para su embarque.

Análisis numérico del proceso de estirado

En este apartado se procede a realizar el cálculo de los parámetros más importantes del

proceso de estirado. A continuación se detalla el nombre de estos parámetros y su símbolo de

representación:

Deformación

longitudinal

Esfuerzo

de

estirado

Esfuerzo de

fluencia

promedio

Factor de

deformación no

homogenea

Fuerza de

estirado

Potencia

de

estirado

Reducción

de sección

ε σ Fest Pest R

A continuación se expone la formulación matemática necesaria para el cálculo final de la fuerza

y la potencia de estirado:

Cálculo de la deformación longitudinal:

donde Ai es la área inicial del material y Af es el área final del material estirado.

Cálculo de la reducción de la sección:

Cálculo del esfuerzo de fluencia promedio:

donde K es el coeficiente de resistencia del material en Kp/cm2 y n es el exponente de

endurecimiento por acritud.

Por medio de la expresión de Schey podemos cálcular:

Factor de deformación no homogenea:

donde D es la media entre el diámetro inicial y el final del material y Lc es la longitud de

contacto entre el material de entrada y la matriz.

Esfuerzo de estirado:

donde μ es el coeficiente de rozamiento en la interfase material-matriz, y α es el ángulo forma

la matriz en la entrada del material.

Fuerza de estirado:

Potencia de estirado:

donde Vest es la velocidad de estirado del material.

A altas velocidades, la energía de entrada es grande y el calentamiento es significativo;

de aquí que, el lubricante debe enfriar con eficacia. Los alambres finos con frecuencia se

trefilan sumergidos por completo en un baño.

Capacidades del proceso y aspectos del diseño

1. El estirado es muy limitado en la variedad de formas producidas, pero se compensa

en el costo bajo de las matrices y en la alta productividad. El límite superior del tamaño se

determina por la capacidad del equipo. Las tolerancias son muy altas si se controla el desgaste

de la matriz.

2. Un límite para la reducción obtenible está impuesto por el rompimiento del producto

estirado. La fuerza de trefilado no debe exceder la resistencia del alambre trefilado, la cual se

puede calcular a partir del límite elástico (si no se conoce, se puede tomar como 80% del

esfuerzo de fluencia en la salida de la matriz):

La reducción máxima es por lo general menor al 50% (calculada como la reducción del

área, no del diámetro). El rompimiento frecuente del alambre limitaría demasiado la

productividad, ya que el extremo del alambre se debe reducir (afilar) de nuevo de manera que

se pueda volver a enhebrar. Es más rentable limitar las reducciones a menos del 30% por

matriz (a menudo hasta 20% por matriz en el trefilado por matrices múltiples). La fricción eleva

el esfuerzo de trefilado y limita la reducción; por lo tanto, son esenciales las buenas prácticas

de lubricación

3. Una segunda limitación se origina de la posible no uniformidad de deformación. La

profundidad de la zona de compresión quizá no sea suficiente para asegurar la deformación

homogénea. De nuevo esto está gobernado por la razón D/Lc: cuando D/Lc> 2, los esfuerzos

secundarios de tensión tal vez causen el defecto de punta de flecha (estallido central) típico en

los materiales menos dúctiles, sobre todo ahora que el esfuerzo axial es de tensión.

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