Mașinile de trefilat explicate: cum funcționează, ce tipuri există și cum să-l alegeți pe cel potrivit

Ce face o mașină de sârmă - și de ce contează

O mașină de trefilare reduce diametrul tijei sau sârmei de metal trăgând-o printr-o serie de matrițe progresiv mai mici sub tensiune. Ieșirea este sârmă cu un diametru precis, proprietăți mecanice îmbunătățite și un finisaj mai neted al suprafeței - calități care nu pot fi atinse în mod fiabil numai prin laminare sau extrudare.

Trefilarea este procesul de bază din spatele practic fiecărui produs de sârmă din producția modernă — de la conductori electrici și cabluri auto până la oțel pentru arcuri, suturi chirurgicale și sârmă de pian. O mașină care începe cu tijă de oțel de 5,5 mm o poate reduce la 0,1 mm sau mai fin prin treceri succesive de tragere, fiecare eliminând un procent controlat din aria secțiunii transversale.

Selectând dreapta mașină de trefilat — indiferent dacă este vorba despre cupru, aluminiu, oțel sau aliaje speciale — depinde de înțelegerea mecanicii procesului, a configurațiilor mașinii, a designului matrițelor, a cerințelor de lubrifiere și a specificațiilor finale ale firelor pe care le solicită aplicația dvs. Acest ghid acoperă fiecare dintre acele domenii cu specificul necesar pentru a lua o decizie informată privind echipamentul.

Procesul de trefilare: pas cu pas

Procesul de desen urmează o logică mecanică consecventă, indiferent de materialul desenat. Înțelegerea fiecărei etape ajută la diagnosticarea problemelor și la optimizarea calității rezultatelor.

1. Arătând: Capătul principal al tijei este conic - fie prin presărare, rulare sau șlefuire - astfel încât să poată fi filetat prin deschiderea matriței și prins de capstan sau bloc de tragere.
2. Intrarea morii: Sârma ascuțită intră în clopotul matriței (con de intrare), care îl ghidează în unghiul de apropiere unde începe deformarea.
3. Zona de reducere: Sârma este comprimată radial pe măsură ce trece prin zona de reazem a matriței. Aria secțiunii transversale scade în timp ce lungimea crește proporțional. Reducerile pe trecere variază de obicei de la 15% până la 25% pentru oțel si pana la 30% până la 35% pentru metale mai moi, cum ar fi cuprul și aluminiul .
4. Zona de rulment: O secțiune cilindrică scurtă care controlează diametrul final și finisajul suprafeței.
5. Relieful spatelui: O ușoară conicitate la ieșirea matriței care împiedică legarea firului în timp ce pleacă.
6. Înfășurare: Sârma trasă se înfășoară pe un cabestan sau bobină pentru următoarea trecere sau ambalarea finală.

Fiecare trecere printr-o matriță întărește firul datorită deformării plastice. Pentru materiale precum oțelul cu conținut ridicat de carbon și inoxidabil, poate fi necesară recoacere intermediară (înmuiere prin tratament termic) după mai multe treceri pentru a restabili ductilitatea înainte de a continua trefilarea. Cuprul și aluminiul permit de obicei mai multe reduceri înainte de a fi necesară recoacere.

Principalele tipuri de mașini de trefilare

Mașinile de trefilare sunt clasificate în primul rând în funcție de numărul de blocuri de trefilare (cu o singură trecere vs. cu mai multe treceri), aranjarea acelor blocuri și tipul de material și ecartamentul de sârmă care sunt prelucrate. Fiecare configurație se potrivește unui scenariu de producție diferit.

Mașini de desenat cu un singur bloc (cu matriță unică).

Cea mai simplă configurație: o matriță, un cabestan. Tija trece printr-o singură matriță și se înfășoară pe un tambur rotativ. Se folosesc mașini cu un singur bloc pentru sârmă grea și tijă — de obicei reducerea tijei de la 5–12 mm până la 2–4 mm într-o singură tragere. Ele sunt obișnuite ca primă etapă într-o linie de desenare cu mai multe mașini și sunt, de asemenea, utilizate pentru aplicații de specialitate în care sunt necesare schimbări frecvente a matriței.

Vitezele de tragere pentru mașinile cu un singur bloc care lucrează cu tije grele sunt de obicei 1 până la 5 metri pe secundă . Avantajul este simplitatea mecanică și ușurința de configurare; limitarea este că se realizează o singură reducere per trecere de mașină.

Mașini de desenat cu mai multe treceri (continue).

Mașinile cu treceri multiple trec sârma printr-o serie de matrițe și cabestane într-o singură trecere continuă. Fiecare cabestan se rotește mai repede decât precedentul pentru a compensa viteza și lungimea crescută a firului după fiecare reducere. Aceste mașini sunt calitățile de lucru ale trefilării sârmei - o singură mașină cu 12 matrițe poate lua tijă de 5,5 mm și o poate trage până la sub 1 mm fără oprire.

Mașinile moderne cu mai multe treceri pentru sârmă fină de cupru pot atinge viteze de ieșire care depășesc 30 de metri pe secundă , cu unele mașini de sârmă fină de mare viteză ajungând 40–50 m/s . Numărul de matrițe din mașină variază de obicei între 6 și 25, în funcție de ecartamentul final și materialul.

Mașini de desenat umed

La mașinile de trefilare umedă, matrițele și capstanele sunt complet scufundate într-o soluție lichidă de lubrifiant și lichid de răcire. Aceasta este configurația stşiard pentru trefilare fină și ultrafină — diametre sub aproximativ 0,5 mm — unde căldura generată la viteze mari de tragere ar deteriora firul sau matrițele. Mașinile umede sunt dominante în producția de sârmă magnetică, sârmă de telecomunicații și sârmă fină din oțel inoxidabil.

Mașini de desenat uscat

Mașinile de desenat uscat folosesc lubrifianți sub formă de pulbere sau pastă, mai degrabă decât băi lichide. Sunt folosite pentru fir mediu spre grosier , în special sârmă de oțel în intervalul 0,5–5 mm, unde lubrifianții uscati, cum ar fi stearat de sodiu sau calciu, asigură o lubrifiere adecvată, fără complicațiile unui sistem lichid. Cordonul din oțel pentru anvelope și sârma cu arc sunt produse în mod obișnuit pe echipamente de tragere uscată.

Mașini de desenat în linie dreaptă

Într-o mașină în linie dreaptă, firul se deplasează orizontal prin matrițe fără a se înfășura în jurul cabestanelor intermediare. Acest lucru elimină solicitarea de încovoiere introdusă de înfășurarea în jurul unui tambur, ceea ce face ca mașinile în linie dreaptă să fie preferate materiale dure, casante sau de mare valoare — cum ar fi wolfram, molibden, sârmă de titan și sârmă de electrod de sudură — unde oboseala la îndoire în timpul tragerii ar provoca ruperi.

Specificațiile mașinii de trefilare în comparație în funcție de aplicație

Matrice: Componenta care definește calitatea firului

Matrița de desen este inima procesului. Geometria matriței, materialul și finisajul suprafeței determină în mod direct toleranța la diametrul firului, calitatea suprafeței și durata de viață a matriței. O matriță prost specificată sau uzată produce sârmă care este în afara toleranței, aspră sau predispusă la rupere.

Materiale matrițe

• Carbură de tungsten: Materialul matriței standard pentru majoritatea aplicațiilor din oțel și sârmă medie. Rezistență excelentă la uzură, rentabilă, disponibilă într-o gamă largă de grade. Durata de viață tipică a desenului de sârmă de oțel carbon: 200–500 kg de sârmă pe matriță în funcţie de duritatea firului şi de reducere.
• Diamantul policristalin (PCD): Folosit pentru trefilarea fină și ultra-fină a cuprului și a metalelor prețioase. Durată de viață mult mai lungă decât carbura - adesea 10–50x mai lung — justificarea costului semnificativ mai mare pentru producția de sârmă fine de mare volum.
• Diamantul natural: Folosit încă pentru cele mai fine calibre de sârmă sub aproximativ 0,05 mm, unde perfecțiunea cristalografică a diamantului natural oferă finisaje ale suprafeței și toleranțe dimensionale pe care alternativele sintetice nu le pot egala.
• ceramica: Folosit în aplicații specifice, cum ar fi trefilarea oțelului inoxidabil sau a titanului, unde reactivitatea chimică dintre sârmă și carbură ar provoca o uzură accelerată.

Unghiul matriței și programul de reducere

Semiunghiul de apropiere a matriței - unghiul dintre axa matriței și zona de reducere conică - variază de obicei de la 6° până la 12° pentru majoritatea aplicațiilor. Un unghi mai mic reduce forța de tragere și uzura matriței, dar crește lungimea contactului și frecarea. Un unghi mai mare scurtează contactul, dar crește deformarea redundantă, ceea ce crește temperatura firului și rata de întărire. Unghiul optim pentru un anumit material și reducerea este determinat empiric și este un parametru strâns menținut în operațiunile comerciale de trefilare.

Programul de reducere - cât de multă reducere de suprafață este atribuită fiecărei matrițe într-o mașină cu treceri multiple - trebuie echilibrat astfel încât nicio matriță să nu fie supraîncărcată în timp ce mașina funcționează la debit maxim. Reducerile tipice de suprafață pe trecere sunt 17–22% pentru oțel and 20–30% pentru cupru . Împingerea peste aceste praguri crește exponențial frecvența ruperii firului și uzura matrițelor.

Lubrificare: critică pentru performanța mașinii și calitatea firului

Lubrefierea în trefilarea sârmei îndeplinește trei funcții: reducerea frecării dintre sârmă și matriță, îndepărtarea căldurii generate de deformare și frecare și prevenirea sudării sau uzării între suprafața sârmei și materialul matriței. Lubrefierea greșită este cea mai comună cauză a defecțiunii premature a matriței, rupturi excesive de sârmă și calitate slabă a suprafeței.

• Lubrifianți uscați (pulbere de săpun): Stearatul de sodiu și stearatul de calciu sunt cei mai obișnuiți lubrifianți uscati pentru trefilarea sârmei de oțel. Sârma este pre-acoperită cu un strat purtător de var sau borax care reacționează cu săpunul pentru a forma o peliculă de săpun de zinc la interfața matriței. Eficient pentru defectarea tijei și sârmă medie, dar nu este potrivit pentru sârmă fine.
• Lubrifianți umezi (emulsii și uleiuri curate): Emulsiile pe bază de apă care conțin aditivi lubrifianți sintetici sunt standard pentru mașinile de trefilare umedă. Concentrarea este de obicei menținută între 3% și 10% în volum , cu pH controlat între 8,5 și 9,5 pentru a preveni creșterea bacteriilor și coroziunea. Uleiurile curate (neemulsionate) sunt folosite pentru aplicații specifice din inox și aliaje speciale.
• Acoperiri metalice: Pentru oțel cu conținut ridicat de carbon (snur pentru anvelope, sârmă din PC), tija este acoperită cu alamă sau zinc prin galvanizare sau brevetare prin scufundare la cald înainte de tragere. Aceste acoperiri metalice acționează ca purtători de lubrifiant solid și sunt consumate în timpul trefilării, depunând o peliculă subțire de lubrifiere la interfața matriței.

Factori cheie atunci când alegeți o mașină de trefilare

Achiziționarea sau specificarea unei mașini de trefilare necesită potrivirea mai multor parametri tehnici cu cerințele dumneavoastră de producție. Aceștia sunt factorii care au cel mai mare impact asupra calității producției, costurilor de operare și rentabilității investiției:

Gama de material și gabarit de sârmă

Definiți intervalul de diametre de intrare și de ieșire înainte de a evalua orice mașină. O mașină optimizată pentru trefilarea sârmei fine de cupru nu este potrivită pentru defalcarea tijei de oțel și invers. Dacă gama dvs. de produse se întinde pe o fereastră largă - de exemplu, de la 5 mm până la 0,3 mm - veți avea probabil nevoie de două mașini în serie, mai degrabă decât de o singură unitate.

Puterea motorului și forța de tragere

Forța de tragere este proporțională cu aria secțiunii transversale a firului, rezistența de curgere a materialului și reducerea suprafeței totale pe trecere. Puterea subdimensionată a motorului are ca rezultat blocarea consumului și ruperea excesivă a firelor; supradimensionarea deșeurilor de capital și energie. Pentru mașinile medii cu sârmă de oțel care procesează sârmă de 1–3 mm, puterea motorului instalată variază de obicei de la 15 kW până la 75 kW pe bloc de tragere în funcție de numărul de treceri și viteza de tragere.

Controlul vitezei și sincronizarea

La mașinile cu mai multe treceri, viteza fiecărui cabestan trebuie să fie sincronizată cu precizie pentru a menține tensiunea înapoi corectă între treceri. Utilizarea mașinilor moderne unități de frecvență variabilă (VFD) cu control al tensiunii în buclă închisă pe fiecare bloc, permițând ajustarea automată a variațiilor de alungire a firului. Mașinile mai vechi folosesc rapoarte mecanice de viteză care necesită reglare manuală atunci când se schimbă gradul de sârmă sau programul matrițelor.

Capacitate de recoacere în linie

Pentru trefilarea sârmei de cupru și aluminiu, recoacerea continuă în linie - trecerea firului finit printr-o zonă de încălzire rezistivă scurtă înainte de bobina de preluare - restabilește ductilitatea fără un ciclu separat de recoacere a cuptorului. Recoacere in linie poate elimina o intreaga etapa de procesare separata , reducând semnificativ timpul de producție și costul energiei per kilogram de sârmă produs. Verificați dacă viteza de ieșire a mașinii este compatibilă cu timpul de rezidență termică necesar pentru o recoacere adecvată a aliajului țintă.

Detectare pauze și repornire automată

Ruperea sârmei este o parte inevitabilă a operațiunilor de tragere, în special la mașinile cu sârmă fine care funcționează la viteză mare. Impactul asupra costului unei pauze depinde în mare măsură de cât de repede se oprește mașina și de cât de repede poate operatorul să reînfileze și să repornească. Mașinile moderne includ detectoare de rupere optice sau pe bază de contact care opresc mașina în câteva milisecunde de la o pauză și, la unele modele, pot reînfila și reporni automat fără intervenția operatorului. Pe o mașină cu sârmă fină de mare viteză care funcționează la 40 m/s, reducerea timpului de reînfilare de la 15 minute la 2 minute poate reveni sute de ore de producție anual pe o singură mașină.

Probleme obișnuite de sârmă și cauzele lor fundamentale

Cunoașterea de diagnosticare a problemelor comune de desen reduce timpul de nefuncționare și deșeurile. Majoritatea defectelor provin din una dintre cele trei surse: starea matriței, defectarea lubrifierii sau inconsecvența materialului.

• Rupere frecvente a firelor: Cel mai adesea cauzate de reducerea excesivă pe trecere, matrițe uzate sau crăpate, lubrifiere inadecvată sau puncte dure în tija de intrare din cauza segregării sau a practicii necorespunzătoare laminoare. Verificați mai întâi starea matriței, apoi revizuiți programul de reducere.
• Linii de marcare a suprafeței sau de matriță: Indică uzura matriței, contaminarea suprafeței matriței sau defectarea lubrifiantului. Înlocuiți matrița și spălați sistemul de lubrifiere. Punctajul lăsat neadresat se va propaga la matrițele din aval și va degrada întreaga lungime a produsului.
• Variația diametrului de-a lungul firului: Poate rezulta din fluctuațiile de tensiune (verificați calibrarea VFD și starea suprafeței cabestanului), zonelor de rulment uzate în matrițe sau diametrul inconsecvent al tijei de intrare.
• Generare excesivă de căldură: Indică insuficiența lubrifierii, viteza de tragere excesivă a capacității de răcire a sistemului de lubrifiere sau reducerea per trecere care depășește toleranța termică a materialului. Temperatura firului de cupru la ieșirea matriței ar trebui, în general, să rămână sub 150°C pentru a preveni oxidarea suprafeței.
• Probleme de bobinare sau turnare pe firul bobinat: Tensiunea reziduală din procesul de tragere poate face ca firul să scape de pe bobină sau să formeze bobine inconsistente. Reglarea tensiunii din spate pe capstanul final sau adăugarea unei role de îndreptare înainte de bobina de preluare rezolvă de obicei acest lucru.