Estirado

Se denomina estirado al proceso de conformado por deformación plástica en el que se estira una barra o varilla de metal con el objetivo de reducir su sección. Para reducir la sección de la pieza, se utiliza una matriz de un material metálico muy duro insertado en un bloque de acero. La reducción de la sección del material dependerá del ángulo de abertura de la matriz.

Diferencias entre estirado y trefilado

Los dos procesos son mecánicamente iguales, aunque la maquinaria y la forma de trabajo son distintas. Las diferencias son:

En el estirado se consiguen pequeñas reducciones de sección, buscando un calibre determinado.
En el trefilado se busca reducir bruscamente la sección, por lo que se deben dar múltiples pasadas para conseguir el efecto.

No todo material plástico se puede estirar, pues si es poco dúctil el proceso puede presentar gran dificultad.

Proceso de conformado

Práctica del estirado

El proceso de estirado, como norma general, se realiza como una operación de deformación plástica en frío y para secciones redondas. Las principales ventajas del proceso de estirado son:

Un mayor control de las tolerancias: podemos obtener un IT muy bajo.
Acabado superficial: podemos obtener un muy buen acabado superficial.
Propiedades mecánicas: mejora en la resistencia mecánica y la dureza del material resultante. Mayor capacidad de mecanización.

Las operaciones que se realizan en el proceso de estirado son:

Decapado. Se limpia, generalmente con ataques químicos y agua a presión, el material para eliminar el óxido que puede formarse en la superficie. Esto es necesario para prevenir daños en la matriz y en la superficie de trabajo.
Estirado. Se procede a colocar el material en la máquina para empezar el proceso de estirado. En este proceso es decisivo el uso de lubrificantes para no dañar la superficie del material al pasarlo por la matriz y aplicarle la reducción de sección. En el estirado podemos distinguir, principalmente, dos procesos: estirado de alambres y de tubos. En el estirado de alambres podemos conseguir una reducción del 50 % del espesor en barras menores de 150 mm, utilizando el proceso descrito anteriormente. El estirado de tubos se utiliza para reducir el espesor de la pared de los tubos sin costura, los cuales se han producido por medio de otros procesos, como por ejemplo extrusión. Este proceso podemos realizarlo con ayuda de un mandril.
Acabado. Una vez el material estirado pasa por un proceso de enderezamiento y un ligero recocido de eliminación de tensiones, y si el caso lo requiere, algún tratamiento isotérmico para mejorar sus características mecánicas.

Equipo necesario

En general el estirado de barras/tubos se realiza en un banco de estirado, consistente en una mesa de entrada, un bloque de acero que contiene la matriz, la corredera que coge la barra o el tubo para aplicarle la fuerza de estirado y una mesa de salida.

Cálculo ingenieril del proceso

Análisis numérico del proceso de estirado

Deformación longitudinal	Esfuerzo de estirado	Esfuerzo de fluencia promedio	Factor de deformación no homogénea	Fuerza de estirado	Potencia de estirado	Reducción de sección
$ε$	$σ$	${\overline{Y}}_{f}$	$ϕ$	$F_{e s t}$	$P_{e s t}$	$r$

A continuación se expone la formulación matemática necesaria para el cálculo en un proceso de estirado de barras (véase figura) de la fuerza y potencia requerida^[1]:

Archivo:Proceso de estirado.png

Deformación plástica volumétrica. Proceso estirado de barras

Cálculo de la deformación longitudinal: $ε = l n \cdot \frac{A_{i}}{A_{f}}$

donde $A_{i}$ es el área inicial del material y $A_{f}$ es el área final del material estirado.

Cálculo de la reducción de la sección: $r = \frac{A_{i} - A_{f}}{A_{i}}$

Cálculo del esfuerzo de fluencia promedio: ${\overline{Y}}_{f} = \frac{K \cdot ε^{n}}{1 + n}$

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 homogénea:

$ϕ = 0.88 + 0.12 \cdot \frac{D}{L_{c}}$

donde $D$ es la media entre el diámetro inicial y el final del material y $L_{c}$ es la longitud de contacto entre el material de entrada y la matriz.

Esfuerzo de estirado: $σ_{e s t} = {\overline{Y}}_{f} \cdot ε \cdot (1 + \frac{μ}{t g α}) \cdot ϕ$

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: $F_{e s t} = σ_{e s t} \cdot A_{f}$

Potencia de estirado: $P_{e s t} = F_{e s t} \cdot V_{e s t}$

donde $V_{e s t}$ es la velocidad de estirado del material.

Ejemplo

Calcular la fuerza de estirado requerida para reducir el diámetro de una barra de acero de diámetro 8.5 mm a 6.5 mm. Considere el empleo de una hilera de estirado con un ángulo de entrada de 15º y un coeficiente de fricción en la interfase material-hilera de 0.08. Se asume para el acero empleado un coeficiente de resistencia de 5500 kp/cm² y un exponente de endurecimiento por acritud de 0.25.

La fuerza de estirado se calcula como:

$F_{e s t} = σ_{e s t} \cdot A_{f}$

donde $σ_{e s t} = {\overline{Y}}_{f} \cdot ε \cdot (1 + \frac{μ}{t g α}) \cdot ϕ$ y $A_{f} = π \cdot D^{2} / 4 = π \cdot 6. 5^{2} / 4 = 33.183 m m^{2}$

Para el cálculo de $σ_{e s t}$ se tiene:

$ε = l n \cdot \frac{A_{i}}{A_{f}} = l n \cdot \frac{(8.5)^{2} / 4}{(6.5)^{2} / 4} = 0.536$

${\overline{Y}}_{f} = \frac{K \cdot ε^{n}}{1 + n} = \frac{5500 \cdot 0.53 6^{0.25}}{1.25} = 3765.74 k p / c m^{2} = 369.42 N / m m^{2}$

$ϕ = 0.88 + 0.12 \cdot \frac{D}{L_{c}} = 0.88 + 0.12 \cdot \frac{7.5}{3.864} = 1.113$

ya que los valores de $D$ y $L_{c}$ son:

$D = (8.5 + 6.5) / 2 = 7.5 m m$

$L_{c} = (8.5 - 6.5) / (2 \cdot s e n (15)) = 3.864 m m$

Por tanto,

$σ_{e s t} = {\overline{Y}}_{f} \cdot ε \cdot (1 + \frac{μ}{t g α}) \cdot ϕ = 369.42 \cdot 0.536 \cdot (1 + \frac{0.08}{t g 15}) \cdot 1.113 = 286.183 N / m m^{2}$

Finalmente, la fuerza de estirado necesaria para la reducción de la sección de la barra es de: $F_{e s t} = σ_{e s t} \cdot A_{f} = 286.183 \cdot 33.183 = 9470.8 N$

Véase también

Trefilado

Bibliografía

Carlos Vila Pastor, Fernando Romero Subirón, Gracia M. Bruscas Bellido y Julio Serrano Mira, “Tecnología Mecánica: Metrología y procesos de conformado de metales sin arranque de viruta.”, Colección “Materials” de la UJI, nº 233.
Groover, M. P. (2010). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems (4th ed.). John Wiley & Sons. Capítulo 19 "Deformación volumétrica".

Referencias

↑ Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformación plástica volumétrica: Fundamentos teóricos y ejercicios resueltos.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

Enlaces externos

Material Docente Universitat Jaume I, con algunos ejercicios de deformación plástica volumétrica (estirado, laminado y forja) de acceso libre [1].

[abellan-nebot-1] Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformación plástica volumétrica: Fundamentos teóricos y ejercicios resueltos.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

[1]