El proceso de estirado (trefilado)En el estirado se reduce o cambia la seccin transversal de una barra o alambre largo, en general jalndola (de ah el trmino estirado) a travs de un dado conocido como dado de estirado(fig. 15.18). Por lo tanto, la diferencia entre el estirado (trefilado) y la extrusin es que en sta el material se empuja a travs de un dado, mientras que en el estirado se jala a travs de l. Los productos de barra y alambre abarcan una muy amplia gama de aplicaciones, incluyendo redondos para flechas de transmisin de potencia y movimiento, componentes de mquinas y estructurales, piezas brutas para pernos y remaches, alambre elctrico, cables, miembros estructurales con carga de tensin, electrodos de soldadura, resortes, sujetadores para papel, rayos para ruedas de bicicleta e instrumentos musicales de cuerda. Las variables principales de procesamiento en el estirado son similares a las de la extrusin; es decir, la reduccin del rea transversal, el ngulo del dado, la friccin a lo largo de las interfaces del dado y la pieza de trabajo, as como la velocidad de estirado. El ngulo del dado influye en la fuerza de estirado y la calidad del producto estirado.Fuerza de estirado.La expresin para la fuerza de estirado (F) bajo condiciones ideales y sin friccin es similar a la de la extrusin. Se determina mediante la expresin

en la que es el esfuerzo real promedio del material en elhueco del dado. Puesto que debe realizarse ms trabajo para vencer la friccin, la fuerza aumenta conel incremento de friccin. Adems, debido a la deformacin no uniforme que ocurredentro de la zonadel dado, tambin se requiere energa adicional (conocida como trabajo redundante de deformacin). No obstante que se han desarrollado varias ecuaciones para estimar la fuerza (como se describe de manera ms detallada entextos avanzados), una frmula til que incluye la friccin y el trabajo redundante es:

en donde es el ngulo del dado en radianes.

FIGURA Variables de proceso en el estirado de alambre. Todo, el ngulo de la matriz, la reduccin en el rea transversal por pase, la velocidad del estirado, la temperatura y la lubricacin, afecta la fuerza de estirado (F).

FIGURA Ejemplos de operaciones de estirado de un tubo, con mandril interno y sin l. Obsrvese que se puede producir una variedad de dimetros y espesores de pared del mismo tubo inicial (que se ha fabricado mediante otros procesos)

Como se puede ver en estas ecuaciones, la fuerza de estirado aumenta al incrementarse la reduccin. Sin embargo, tiene que limitarse la magnitud de la fuerza, porque cuando el esfuerzo de tensin alcanza el esfuerzo de fluencia del metal que se est estirando, la pieza de trabajo cede y finalmente se rompe. Se puede demostrar que, en teora y sin friccin, la reduccin mxima en el rea transversal por pase es de 63%. As que, por ejemplo, una barra de 10 mm de dimetro puede reducirse (como mximo) a un dimetro de 6.1 mm en un solo pase sin que se rompa. Se puede demostrar que, para cierta reduccin de dimetro y cierta condicin de friccin, existe un ngulo ptimo del dado en el que la fuerza de estirado es mnima. Es-to no significa que el proceso deba efectuarse en este ngulo ptimo, porque existen otras consideraciones de calidad en los productos.Estirado de otras formas.Se pueden producir varias secciones transversales slidas mediante el estirado a travs de dados con diferentes perfiles. El diseo apropiado del dado y la seleccin adecuada de la secuencia de reduccin 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 dimetro o la forma de los tubos que se han producido por extrusin u otros procesos descritos en este libro se pueden reducir ms mediante procesos de estirado de tubos (fig. 15.19). Los tubos de dimetros grandes, hasta de 0.3 m (12pulgadas), pueden estirarse por medio de estas tcnicas. Para estas operaciones existen mandriles con diversos perfiles. Los dados en forma de cua se utilizan para el estirado de cintas planas y slo se usan en aplicaciones especficas. Sin embargo, el principio de este proceso es el mecanismo bsico de deformacin del planchado, que se emplea ampliamente en la fabricacin de latas de aluminio para bebidas, como se muestra en la figura 16.31.Prctica de estiradoComo en todos los procesos de trabajado de los metales, el xito del estirado requiere la seleccin cuidadosa de los parmetros del proceso. En el estirado, la reduccin de rea transversal por pase llega hasta casi 45%. Por lo general, cuanta ms pequea es la seccin transversal inicial, ms pequea ser la reduccin por pase. Es comn estirar alambres finos a una reduccin de 15% a 25% por pase, y los tamaos mayores, de 20% a 45%. Las reducciones de ms de 45% pueden provocar la separacin 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 slidas o huecas puede efectuar-se a temperaturas elevadas para reducir las fuerzas. Tambin se puede hacer una leve reduccin (pase de dimensionado) en barras para mejorar el acabado superficial y la precisin dimensional. Sin embargo, debido a que slo deforman las capas de la superficie, por lo general estas reducciones leves producen deformacin muy poco uniforme del material y su microestructura. Por lo tanto, las propiedades del material varan segn su localizacin en la seccin transversal. Obsrvese en la figura 15.18 que la punta de una barra o alambre debe tener una seccin transversal reducida para que se alimente a travs de la abertura del dado y se ja-le. 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 operacin se le conoce como punteado. Las velocidades de estirado dependen del material y de la reduccin del rea transversal. stas 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 latn estirados se designan conforme a su temple (como1/4 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 fro. Los alambres de acero al alto carbono para resortes e instrumentos musicales se fabrican mediante tratamiento trmico (patentado o temple isotrmico) del alambre estirado; la microestructura obtenida es perlita fina (ver fig.4.11). Estos alambres tienen resistencias mximas a la tensin hasta de 5 GPa (700 ksi) y una reduccin tensil del rea de casi 20%.Estirado mltiple.A pesar de que mediante el estirado se puede producir alambre muy fino, el costo resultara muy alto. Un mtodo empleado para aumentar la productividad consiste en estirar muchos alambres (100 o ms) de modo simultneo, esto es, en forma mltiple. Los alambres se separan uno del otro mediante un material metlico adecuado con propiedades similares, pero con menor resistencia qumica (de manera que pueda extraerse por lixiviacin de las superficies del alambre estirado).El estirado mltiple produce alambres cuya seccintransversal espoligonal ms que redonda. Adems de las longitudes continuas, se han desarrollado tcnicas para fabricar alambre fino que se rompe o recorta a diversos tamaos y formas. Estos alambres se utilizan como plsticos elctricamente conductivos, textiles resistentes al calor y elctricamente conductivos, medios de filtrado, camuflaje contra radares e implantes mdicos. Pueden ser tan pequeos como 4 mm (0.00016 pulgada) de dimetro y producirse a partir de materiales como el acero inoxidable, titanio yaleaciones de temperaturas elevadas.Diseo de los dados.En la figura 15.20 se muestran los rasgos caractersticos de un dado comn para estirado. Los ngulos del dado van de 6a 15. Sin embargo, obsrvese que en un dado tpico existen dos ngulos (de entrada y de aproximacin). El diseo bsico para este tipode dados se hadesarrollado durante muchos aos deensayo y error. El propsito de la superficie de soporte (descanso o cara interior) es establecer el dimetro final del producto (dimensionado). Adems, cuando se rectifica de nuevo un dadodes-gastado, la cara interior mantiene la dimensin de salida de la abertura del dado. Para el estirado de perfiles se requiere una serie de dados que comprende diversas etapas de deformacin, a fin de producir el perfil final. Los dados se pueden hacer deuna sola pieza o (segn la complejidad del perfil transversal) con varios segmentos, que se mantienen unidos dentro de un anillo desujecin. Se estn implantando tcnicas de diseo asistidas por computadora a fin de disear dados para un flujo suave de material a travs de ellos, as como para minimizar los defectos. Tambin se puede utilizar una serie de rodillos

FIGURA Terminologa de un dado comn utilizada para estirar una barra o un alambre redondo.libres (locos), o de forma, para estirar barras redondas o de diversas formas. Dicho arreglo(cabeza de turco) es ms verstil que los dados ordinarios de estirado, debido a que los ro-dillos se pueden ajustar a diferentes posiciones y ngulos para perfiles especficos.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 dimetros que van de2mm a 1.5 mm (0.0001 a 0.06 pulgada); pueden ser de diamante monocristalino, o enforma policristalina con partculas de diamante en una matriz metlica (compactos). De-bido a su falta de resistencia a la tensin y tenacidad, los dados de carburo y de diaman-te se utilizan comnmente comoinsertosupastillas, que se apoyan en un portainserto deacero (fig. 15.21).Lubricacin.La lubricacin adecuada es fundamental en el estirado para mejorar lavida de los dados y el acabado superficial del producto, adems de reducir las fuerzas yla temperatura del estirado. La lubricacin es crtica, sobre todo en el estirado de tubos,debido a la dificultad para mantener una pelcula de lubricante lo suficientemente grue-sa en la interfaz mandril-tubo. En el estirado de barras, un mtodo tpico de lubricacinutiliza recubrimientos de fosfato (ver seccin 15.4).A continuacin se describen los mtodos bsicos de lubricacin utilizados en el es-tirado de alambre (ver tambin el captulo 33):Estiradoenhmedo,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 travs de una caja llena con lubricante (caja de aditivos).

FIGURA 15.21Inserto 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.

Revestimientometlico,en el que la barra o el alambre se recubre con un metalblando, como cobre o estao, que acta como lubricante slido.Vibracin ultrasnicade los dados y los mandriles, en el que las vibraciones redu-cen las fuerzas, mejoran el acabado superficial y la vida del dado, y permiten re-ducciones ms grandes por pase sin rompimientos.15.9Defectos del estirado y esfuerzos residualesLos defectos tpicos en una barra o un alambre estirado son similares a los observados enla extrusin, en particular el agrietamiento central (ver fig. 15.15). Otro tipo principal dedefecto en el estirado son lostraslapes, raspaduras o dobleces longitudinales en el mate-rial que se pueden abrir durante operaciones posteriores de formado (como recalcado,cabeceado, laminacin de roscas o doblado de barra o alambre) y pueden provocar se-rios problemas en el control de calidad. Muchos otros defectos de la superficie (comoraspaduras y marcas de dado) tambin pueden originarse de la seleccin inadecuada delos parmetros del proceso, lubricacin deficiente o una condicin deficiente del dado.Dado que se someten a deformacin irregular durante el estirado, por logeneral losproductos estirados en fro tienenesfuerzos residuales. Para reducciones leves, de slo unpequeo porcentaje, los esfuerzos residuales de la superficie longitudinal son de compre-sin (en tanto que el centro se encuentra a tensin) y porlo tanto se mejora la resistenciaa la fatiga. Por el contrario, las reducciones mayores inducen esfuerzos de tensin de lasuperficie (en tanto que el centro se encuentra a compresin). Los esfuerzos residualespueden ser significativos y causar agrietamientopor esfuerzo-corrosin de la parte duran-te cierto periodo. Adems, hacen que el componente secombesi posteriormente se retirauna capa de material (ver fig. 2.30), ya sea por rasurado, maquinado o rectificado.Las barras y los tubos que no son suficientemente rectos (o se suministran en rollo)pueden enderezarse pasndolos a travs de un arreglo de rodillos colocados en diferentesejes, proceso similar al nivelado por rodillos (ver fig. 13.7).15.10Equipo para estiradoA pesar de que existen diversos diseos, el equipo para estirado es bsicamente de dos ti-pos: banco de estirado y de tambor.Elbanco de estiradocontiene un dado simple y su diseo es similar al de una largamquina horizontal de ensayos de tensin (fig. 15.22). La fuerza de estirado la propor-

FIGURA 15.22Estirado en fro de un canal extruido en un banco de estirado parareducir su seccin transversal. Por este mtodo se estiran tramos individuales de barrasrectas o de secciones transversales.

FIGURA 15.23Ilustracin de estirado de alambre de etapas mltiples, utilizadascomnmente para producir alambre de cobre para cableado elctrico.Fuente:H.Auerswald.

RESUMENLa extrusin es el proceso en el que se fuerza una palanquilla a travs de un dado pa-ra reducir su seccin transversal o producir diversas secciones transversales slidas ohuecas. Por lo general, este proceso se efecta a temperaturas elevadas para reducirlas fuerzas y mejorar la ductilidad del material.Factores importantes en la extrusin son el diseo del dado, la relacin de extrusin,la temperatura de la palanquilla, la lubricacin y la velocidad de extrusin. Aunque eltrmino extrusin en fro se aplica a la extrusin a temperatura ambiente, tambines el nombre dado a una combinacin de operaciones de extrusin y forjado. La ex-trusin en fro es capaz de producir econmicamente partes discretas de diversas for-mas, con buenas propiedades mecnicas y tolerancias dimensionales.El estirado de barras, alambres y tubos comprende bsicamente el proceso de jalar elmaterial a travs de undado, o una serie dedados o matrices compuestas. Lasseccio-nes transversales de la mayora de los productos estirados son redondas, aunque tam-bin se pueden estirar otras formas. El estirado de productos tubulares para reducir sudimetro o su espesor requiere por lo general mandriles internos.El diseo delos dados, la reduccin delrea transversal por pase y la seleccinde mate-riales para matrices y lubricantes son parmetros importantes para fabricar productosestirados de alta calidad, con un buen acabado superficial. Tanto en la extrusin comoen elestirado pueden desarrollarse defectos externos e internos (agrietamiento en formade Chevron o V invertida). Su minimizacin oprevencin depende sobre todo del n-gulo del dado, la reduccin por pase y lacalidad del material de la pieza de trabajo.

TRMINOS CLAVEAgrietamiento centralAgrietamiento de alta velocidadAgrietamiento de tipo abetoAgrietamiento de tipo Chevron enforma de V invertidaAlambreBanco de estiradoBarraCabeza de turcoCabrestanteConstante de extrusinCosturaDado corteDado de araaDado tipo ojo de bueyDado tipo puenteDefecto de tuboDefecto tipo bambDefectos de extrusinEncamisadoEnlatadoEstiradoEstirado mltipleExtrusinExtrusin en froExtrusin hidrostticaExtrusin por impactoPase de dimensionadoPatentado (temple isotrmico)PlanchadoPolea grandeProceso SjournetRelacin de extrusinZona de metal muertoBIBLIOGRAFAAltan, T., Ngaile, G. y Shen, G. (eds.),Cold and Hot Forging:Fundamentals and Applications, ASM International,2004.ASM Handbook, Vol. 14:Forming and Forging, ASM Inter-national, 1988.Blazynski, T. Z.,Plasticity and Modern Metal-forming Tech-nology, Elsevier, 1989.Hosford, W. F. y Caddell, R. M.,Metal Forming: Mechanicsand Metallurgy, 2a. ed., Prentice Hall, 1993.Inoue, N. y Nishihara, M. (eds.),Hydrostatic Extrusion: The-ory and Applications, Elsevier, 1985.Lange, K. (ed.),Handbook of Metal Forming, McGraw-Hill,1985.Laue, K. y Stenger, H.,ExtrusionProcesses, Machinery,Tooling, ASM International, 1981.Michaeli, W.,Extrusion Dies, 2a. ed., Hanser, 1992.Nonferrous Wire Handbook, 2 vols. The Wire AssociationInternational, Inc., 1977 y 1981.Sheppard, T.,Extrusion of Aluminum Alloys, Chapman &Hall, 1997

PROBLEMAS CUANTITATIVOS15.35Estime la fuerza requerida para la extrusin de la-tn 70-30 a 700 C, si el dimetro de la palanquilla es de125 mm y la relacin de extrusin es 20.15.36Suponiendo un proceso ideal de estirado, cul esel dimetro final ms pequeo al que se puede estirar unabarra de 100 mm de dimetro?15.37Si incluye la friccin en el problema 15.36, seradiferente el dimetro final? Explique su respuesta.15.38Calcule la fuerza deextrusin para una palanquillaredonda de 200 mm de dimetro, hecha de acero inoxida-ble y extruida a 1000 C paraun dimetro de 50 mm.15.39Demuestre que para un material plstico perfectocon un esfuerzo de fluencia (Y) y en condiciones sin fric-cin, la presin (p) en extrusin directa esp=YlnaAoAfb15.40Demuestre que para las mismas condiciones indi-cadas en el problema 15.39, el esfuerzo de estirado (sd)en el estirado de alambre es15.41Grafique las ecuaciones dadas en los problemas15.39 y 15.40 en funcin del porcentaje de reduccin delrea de la pieza de trabajo. Describa sus observaciones.15.42Una operacin de extrusin planeada comprendeacero a 1000 C con un dimetro inicial de 120 mm y undimetro final de 20 mm. Existen dos prensas para la ope-racin, una con capacidad de 20 MN y la otra con capaci-dad de 10 MN. Es suficiente la prensa ms pequea paraesta operacin? Si no es as, qu recomendaciones harapara permitir el uso de la prensa ms pequea?

EJEMPLO 2

Un alambre es trefilado a travs de un dado que posee un ngulo de reduccin de 15o El dimetro inicial es de 2,5 mm y el final de 2,0 mm. El coeficiente de friccin en la interfase dado-material es de 0,07. El metal tiene un coeficiente de resistencia K de 205 MPa y un exponente de endurecimiento por deformacin n de 0,20. Determine el esfuerzo y la fuerza de trefilacin en esta operacin.

Video

www.youtube.com/watch?v=-lqprjZ1Vc8