416 Capítulo 15 Extrusión y estirado (trefilado) de metales

Como se puede ver en estas ecuaciones, la fuerza de estirado aumenta al incremen-tarse la reducción. Sin embargo, tiene que limitarse la magnitud de la fuerza, porquecuando el esfuerzo de tensión alcanza el esfuerzo de fluencia del metal que se está esti-rando, la pieza de trabajo cede y finalmente se rompe. Se puede demostrar que, en teoríay 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 diá-metro de 6.1 mm en un solo pase sin que se rompa.

Se puede demostrar que, para cierta reducción de diámetro y cierta condición defricción, existe un ángulo óptimo del dado en el que la fuerza de estirado es mínima. Es-to no significa que el proceso deba efectuarse en este ángulo óptimo, porque existenotras consideraciones de calidad en los productos.

Estirado de otras formas. Se pueden producir varias secciones transversales sólidasmediante el estirado a través de dados con diferentes perfiles. El diseño apropiado deldado y la selección adecuada de la secuencia de reducción por pase requieren bastanteexperiencia para garantizar el flujo apropiado del material en el dado, reducir los defec-tos 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 porextrusión u otros procesos descritos en este libro se pueden reducir más mediante proce-sos de estirado de tubos (fig. 15.19). Los tubos de diámetros grandes, hasta de 0.3 m (12pulgadas), pueden estirarse por medio de estas técnicas. Para estas operaciones existenmandriles con diversos perfiles.

Los dados en forma de cuña se utilizan para el estirado de cintas planas y sólo seusan en aplicaciones específicas. Sin embargo, el principio de este proceso es el mecanis-mo básico de deformación del planchado, que se emplea ampliamente en la fabricaciónde 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 laselección cuidadosa de los parámetros del proceso. En el estirado, la reducción de áreatransversal por pase llega hasta casi 45%. Por lo general, cuanto más pequeña es la sec-ción transversal inicial, más pequeña será la reducción por pase. Es común estirar alam-bres finos a una reducción de 15% a 25% por pase, y los tamaños mayores, de 20% a

(a)

(d) (c)

(b)

Mandrilflotante

Mandrilestacionario

Dado

Mandrilmóvil

Dado

Dado

Dado

FIGURA 15.19 Ejemplos de operaciones de estirado de un tu-bo, con mandril interno y sin él. Obsérvese que se puede produciruna variedad de diámetros y espesores de pared del mismo tuboinicial (que se ha fabricado mediante otros procesos).

15.8 Prácticas de estirado 417

45%. Las reducciones de más de 45% pueden provocar la separación del lubricante, de-teriorando el acabado superficial. A pesar de que la mayor parte del estirado se realiza atemperatura ambiente, el estirado de secciones grandes sólidas o huecas puede efectuar-se a temperaturas elevadas para reducir las fuerzas.

También se puede hacer una leve reducción (pase de dimensionado) en barras paramejorar el acabado superficial y la precisión dimensional. Sin embargo, debido a que só-lo deforman las capas de la superficie, por lo general estas reducciones leves producendeformación muy poco uniforme del material y su microestructura. Por lo tanto, las pro-piedades 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 unasección transversal reducida para que se alimente a través de la abertura del dado y se ja-le. Por lo general, esto se realiza estampando la punta de la barra o alambre de manerasimilar a la mostrada en las figuras 14.15a y b; a esta operación se le conoce como pun-teado. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reducción del áreatransversal. Éstas pueden variar de 1 a 2.5 m/s (200 a 500 pies/min) para secciones grue-sas, 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, lastemperaturas pueden aumentar sustancialmente a altas velocidades de estirado y perjudi-car la calidad del producto.

Los alambres de cobre y latón estirados se designan conforme a su temple (como1/4 de dureza, 1/2 de dureza, etc.), debido al endurecimiento por trabajo. Puede ser ne-cesario un recocido intermedio entre pases para mantener una ductilidad suficiente delmaterial durante el estirado en frío. Los alambres de acero al alto carbono para resortese instrumentos musicales se fabrican mediante tratamiento térmico (patentado o templeisotérmico) 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 alambremuy fino, el costo resultaría muy alto. Un método empleado para aumentar la producti-vidad consiste en estirar muchos alambres (100 o más) de modo simultáneo, esto es, enforma múltiple. Los alambres se separan uno del otro mediante un material metálicoadecuado con propiedades similares, pero con menor resistencia química (de manera quepueda extraerse por lixiviación de las superficies del alambre estirado).

El estirado múltiple produce alambres cuya sección transversal es poligonal más queredonda. Además de las longitudes continuas, se han desarrollado técnicas para fabricaralambre fino que se rompe o recorta a diversos tamaños y formas. Estos alambres se utili-zan como plásticos eléctricamente conductivos, textiles resistentes al calor y eléctricamen-te conductivos, medios de filtrado, camuflaje contra radares e implantes médicos. Puedenser tan pequeños como 4 mm (0.00016 pulgada) de diámetro y producirse a partir de ma-teriales 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 undado común para estirado. Los ángulos del dado van de 6° a 15°. Sin embargo, obsérve-se que en un dado típico existen dos ángulos (de entrada y de aproximación). El diseñobásico 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 diáme-tro final del producto (dimensionado). Además, cuando se rectifica de nuevo un dado des-gastado, 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 diversasetapas de deformación, a fin de producir el perfil final. Los dados se pueden hacer de unasola pieza o (según la complejidad del perfil transversal) con varios segmentos, que se man-tienen unidos dentro de un anillo de sujeción. Se están implantando técnicas de diseño asis-tidas por computadora a fin de diseñar dados para un flujo suave de material a través deellos, así como para minimizar los defectos. También se puede utilizar una serie de rodillos

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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 ro-dillos 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 utilizandados de acero fundido, por su alta resistencia al desgaste a temperaturas elevadas. Losdados de diamante se emplean para el estirado de alambre fino con diámetros que van de2 mm a 1.5 mm (0.0001 a 0.06 pulgada); pueden ser de diamante monocristalino, o enforma policristalina con partículas de diamante en una matriz metálica (compactos). De-bido a su falta de resistencia a la tensión y tenacidad, los dados de carburo y de diaman-te se utilizan comúnmente como insertos u pastillas, que se apoyan en un portainserto deacero (fig. 15.21).

Lubricación. La lubricación adecuada es fundamental en el estirado para mejorar lavida de los dados y el acabado superficial del producto, además de reducir las fuerzas yla 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 grue-sa en la interfaz mandril-tubo. En el estirado de barras, un método típico de lubricaciónutiliza recubrimientos de fosfato (ver sección 15.4).

A continuación se describen los métodos básicos de lubricación utilizados en el es-tirado de alambre (ver también el capítulo 33):

• Estirado en húmedo, en el que los dados y la barra se sumergen por completo en ellubricante.

• 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).

Campana (ángulo o radio)

Direcciónde estirado

Ángulo de entrada

Ángulo de aproximación

Superficie de soporte (descanso)

Ángulo posterior de relevo

FIGURA 15.20 Terminología de un dado común uti-lizada para estirar una barra o un alambre redondo.

Inserto de carburode tungsteno (orificio)

Porta inserto de acero

Direcciónde estirado

FIGURA 15.21 Inserto de matriz de carbu-ro de tungsteno en un portainserto de acero.Los dados de diamante utilizados en el estira-do de alambre delgado se soportan de manerasimilar.