2Capitolo ICENNI STORICIIl filo Ł un prodotto molto diffuso ed Ł sicuramente componente fondamentaledi numerosi manufatti, dai veicoli spaziali alle molle delle penne biro.In siti archeologici, risalenti a piø di 3000 anni prima dell avvento di Cristo,sono stati ritrovati oggetti di forma circolare, ottenuti, molto probabilmente, battendoi metalli piø malleabili e poi trafilando attraverso primordiali trafile.Fili d oro facevano parte degli ornamenti personali dei Faraoni, infatti uncollare d oro fu rinvenuto a Denderah, Alto Egitto, fra i monili che adornavano latomba di un Faraone regnante intorno al 2750 a.C.; fili metallici, invece, erano usatidiffusamente nel diciassettesimo secolo a.C. dagli Assiri e dai Babilonesi. Trafile diorigine fenicia risalenti a duemila anni fa, furono ritrovate in sud Africa nel 1923. Inalcuni manoscritti di Teofilo Monaco sono riportate testimonianze di metalli trafilatinell ottavo e nel nono secolo; in essi, infatti, viene descritto il processo difabbricazione di un filo di una lega Sn-Pb: la lega, fusa in piccoli lingotti, venivaforgiata in barre lunghe, poi tirata attraverso una piastra forata.A Parigi nel XIII secolo fu istituita la Corporazione dei Trafilatori , infatti unestratto di un documento parigino del 1270 d.C. riporta:1. Il trafilatore deve conoscereapprofonditamente il proprio mestiere edavere sufficienti capitali a disposizione2. Il trafilatore pu avere tanti apprendisti eservi quanti ne desidera, e pu lavorare dinotte a suo piacimento3. Il trafilatore non deve pagare tasse su tutto ci che riguarda i suoi affari che compra o vendein Parigi
34. Gli apprendisti serviranno il trafilatore perdieci anni senza essere pagati e solo doporiceveranno un premio di 20 sous.Queste regole erano evidentemente parte di un accordo firmato dallamunicipalit della citt di Parigi e dalla Corporazione dei Trafilatori per reciprociinteressi e benefici.Rodolfo di Norimberga, nel 1300 circa, mise a punto in Germania, un sistemadi piastre forate con fori di diametro sempre piø piccolo, che consentivano di trarre,da barrette lunghe 10 cm, fili metallici del diametro di 1 cm.Nello stesso periodo in Inghilterra, nelle citt di York, Londra, Coventry eBristol, un gruppo di artigiani stava sviluppando quella che sarebbe poi diventata unimportante industria nazionale. Lo sviluppo dell industria della lana nello Yorkshireincoraggi la produzione di filo per la realizzazione degli scardassi, strumenti usatiper la raffinazione e pettinatura della lana, al punto che gli operai si stabilirono inquella stessa area e diedero vita a quella che Ł ancora oggi la zona a maggioreconcentrazione di industrie di trafilatura in Inghilterra.Il 1564 fu un anno particolarmente importante per la storia del filo metallicogiacchØ in quell anno un gruppo di esperti trafilatori provenienti dalla Sassonia fuinvitato dalla regina Elisabetta I a stabilirsi in Inghilterra per praticare il loromestiere. Questi operai germanici costruirono un macchinario azionato ad acquanella citt di Tintern nel Monmouthshire, e in poco tempo diedero vita ad unaprosperosa attivit industriale.Fino ad allora la maggiore difficolt era legata all impossibilit di realizzare unfilo continuo, in quanto non erano disponibili vergelle lunghe; questo problema fusuperato con l introduzione dei primi laminatoi azionati ad acqua, introdotti inEuropa nel 1683.La prima macchina per la trafilatura continua sembra esser stata realizzata inGermania ed in Inghilterra nel 1871 circa, mentre negli Stati Uniti l ufficio brevettiregistrava un brevetto di una macchina per trafilatura continua ad opera dellaWaterbury Machine Company, J.H. O Donnel e Morgan Construction Company.Wafios in Germania, Sleeper & Hartley in America e piø tardi Waughn produssero
4macchine che non potevano essere utilizzate a pieno, in quanto la vita delle trafile eramolto breve. Fu inevitabile, quindi, che venissero realizzate trafile capaci disostenere elevate velocit ed avere una lunga vita operativa.La Osram Co., un affiliata della Krupp, che era il piø grande produttore difilamenti per lampade, svilupp un processo di miscelazione di particelle di carburodi tungsteno e di cobalto e successiva sinterizzazione dell intera massa. Il materialerisultante fu chiamato Widia , termine che Ł una contrazione delle due paroletedesche wie diamant , liberamente tradotte in come un diamante .Le trafile costruite con questo materiale furono usate per la prima volta negliStati Uniti nel 1925, e dal 1929 la Union Wire Die Co. Di New York, la FirthSterling e la General Electric gi producevano trafile in carburo di tungsteno.Fig. 1.3 Banco di trafilatura su cui si trafilavafilo nel sec. XVIII a Laigle (Normandia)Fig. 1.1 Lavorante in trafilaturadel 1300Fig. 1.2 Trafilatura a mano. (Daun incisione del 1800 circa)
5Capitolo IIDESCRIZIONE DEL PROCESSO DITRAFILATURA2.1 Generalit La trafilatura fa parte delle lavorazioni meccaniche per deformazione,lavorazioni che possono essere eseguite sia a freddo che a caldo. Queste operazionisfruttano la plasticit del materiale, la sua capacit cioŁ di mantenere la formaacquistata sotto l azione di una forza deformante quando questa Ł maggiore del suolimite di elasticit . Il processo mediante il quale viene ridotta la sezione di un solidoprismatico senza modificarne la forma, avviene facendo passare il pezzo attraversoun foro a sezione decrescente di una matrice detta trafila mediante l azione di unaforza di tiro.Il materiale che alimenta la trafila proviene dalla laminazione ed Ł dettovergella; i prodotti della trafilatura possono essere barre, fili o tubi con sezioni eforma diverse.L impianto Ł costituito da un banco, che comprende una dozzina di trafile, e, adifferenza della laminazione, dove il pezzo passa piø volte attraverso la stessagabbia, il pezzo passa una sola volta in ogni trafila (figura 2.1).
6Fig. 2.1 Diagramma schematico del processo di trafilatura2.2 Impianti di trafilaturaA seconda del prodotto si distinguono:• impianti per barre• impianti per tubi• impianti per fili.Gli impianti per barre sono, generalmente, costituiti da un unico banco che vadai 6 ai 12 metri. C Ł un unica trafila attraverso la quale si fa passare una barra allavolta, tirata da una catena in direzione rettilinea, per evitare l insorgere di altre forzeche potrebbero addirittura rompere il banco. La trafila pu essere fissa o a sezioneregolabile.Negli impianti per tubi i banchi sono ancora a tiro rettilineo e alla trafila Łaccoppiato un mandrino fisso o mobile. La trafila definisce il diametro esterno del
7tubo, il mandrino quello interno. Per togliere il mandrino dal tubo, si effettua unarullatura che fa aumentare leggermente il diametro del tubo. Questo tipo di trafilaturasi usa per i pali rastremati o a sezione variabile.Gli impianti per fili si dividono in:• impianti a slittamento• impianti senza slittamento.Gli impianti con banco a slittamento sono dotati di bobine di avvolgimento tratrafila e trafila, di forma troncoconica (figura 2.2). Tali bobine sono di acciaioricoperto di materiali ceramici o di tungsteno, per limitare l usura dovuta al notevoleattrito che si genera per lo scorrimento dei fili attorno ad esse.Fig. 2.2 Schema di trafila semplice, dove A e B sono i cabestani,S Ł la scatola lubrificante e T Ł la trafilaLa bobina Ł detta anche cabestano, e si distingue da quella orizzontale doveviene avvolto il filo alla fine del banco. La funzione dei cabestani Ł quella diassicurare un serraggio sufficiente alla trasmissione della forza di tiro.In base alla costanza della portata, per ciascuna delle trafile, indicando adesempio con i pedici n-1 e n l ingresso e l uscita della trafila, si ha:1100 SvSv = 2211 SvSv =dove v Ł la velocit e S la sezione.Da queste relazioni si ottiene: 2 002112 SSvSSvv ==
8Detta vI la velocit periferica del cabestano, affinchØ si abbia il funzionamentosotto tiro dell impianto deve essere: 1vvI >Si supponga che la resistenza del materiale risulti maggiore di quella diprogetto. In tal caso la velocit effettiva di uscita dalla trafila v1 risulta minore dellavelocit di progetto v1. Di conseguenza, a parit di vI, la bobina chiede piø materialedi quanto la trafila ne fornisce e quindi aumenta la forza di tiro. Allo stesso modo, aduna riduzione della resistenza il sistema reagisce con una diminuzione della forza ditiro. Dunque si pu ritenere che un tale impianto Ł autocontrollato.Un altro tipo di bobina, usato quando si lavorano fili molto sottili, Ł quello adiametro variabile, impiegato per i banchi ad accumulo o senza slittamento (figura2.3). Fig. 2.3 Bobina a diametro variabileIn questi impianti l andamento della velocit Ł stabilito dai diversi diametri,inoltre Ł possibile effettuare un raffreddamento delle bobine con pioggia d olio.L inconveniente di tali impianti Ł che non sono autoregolanti, pertanto Ł necessariomunirli di un sistema di autocontrollo costituito dal cosiddetto ballerino (danceur). Sitratta di un dispositivo incernierato ad una estremit e collegato al filo dall altra(figura 2.4).
9Scatola portatrafila Ballerino CabestanoFig. 2.4 Sistema di autocontrollo dell impianto di trafilaturaQuando la resistenza del filo aumenta, cioŁ esso esplica una maggiore tensione,il ballerino si sposta a sinistra, ed il suo asse di rotazione va ad agire su un variac,quest ultimo fa aumentare la tensione elettrica fornita dal motore, generalmente acorrente continua, che tiene in rotazione la bobina di avvolgimento, e quindi aumentala velocit di rotazione della bobina che tirer di piø.Quando la resistenza del filo diminuisce, il ballerino si sposta a destra agendosul variac in modo tale che venga ridotta la velocit di rotazione della bobina, equindi la forza di tiro. In realt il ballerino non Ł mai fermo, ma oscilla, a causadell inerzia, attorno ad una posizione di equilibrio.Le bobine, infine, sono dotate di feritoie attraverso le quali passa aria cheraffredda le spire prima del loro ingresso nella trafila.2.3 Forze e deformazioni nella trafilaturaIl materiale durante il processo si deforma per gli effetti dovuti a:• forza di tiro• forza di attrito, dovuta al contatto del pezzocon le superfici interne della trafila• compressione esercitata dalla trafila sulpezzo.
10La forza di attrito, in verit , contribuisce poco alla deformazione, in quanto ilsuo effetto principale Ł la generazione di calore. Il metallo in trafilatura subiscesostanzialmente due effetti:• allungamento con riduzione di sezione• incrudimento, che aumenta la resistenza delmateriale.La trafilatura di corpi pieni si distingue per un flusso del materiale quasistazionario, cioŁ il campo di velocit (spostamento delle particelle del materiale)durante il processo di deformazione resta pressochØ costante. Solo all inizio siverifica un flusso di materiale instabile durante il quale la trafila viene riempita daparte del materiale. Contemporaneamente avviene un allungamento dei cristalli dellastruttura che la rende aghiforme e di aspetto fibroso, modificando le propriet meccaniche del materiale. Con l aumentare del grado di deformazione, infatti,aumentano la resistenza e la durezza, mentre si riducono l allungamento a rottura e lamalleabilit .La figura 2.5 indica schematicamente le deformazioni che il filo metallicosubisce durante il passaggio attraverso la trafila e le sollecitazioni alle quali vienesottoposto. Fig. 2.5 Distorsione delle sezioni trasversali del trafilatoGli strati esterni del filo, a causa dell attrito esercitato dai bordi della filiera(che Ł superiore a quello interno del metallo), scorrono piø lentamente; la
11stratificazione delle fibre dopo la trafilatura assume la forma rappresentata nellamedesima figura.Dette 0S ed 0 la sezione e la lunghezza del pezzo all ingresso della trafila, 1Sed 1 quelle all uscita e T1 la forza agente sulla barra, se si indicano con σ0 e σ1 lesollecitazioni nella sezione di ingresso e di uscita, rispettivamente, si ha010 / ST=σ e 111 / ST=σe, essendo 01 SS < (figura 2.6), si ha 01 σσ > , il che comporterebbe una ulterioredeformazione del materiale all uscita della trafila; ci non avviene perchØ ilmateriale, incrudendosi, aumenta la propria resistenza alla deformazione.Fig. 2.6 Schema del processo di trafilaturaLa forza T1 a livello macroscopico compie un lavoro dato da:11TL =essendo 1 la lunghezza raggiunta dalla barra nel passaggio attraverso la trafila equindi lo spostamento del punto di applicazione di T1.Anche le forze interne compiono un lavoro, per cui, a livello microscopico, siha: ∫ ⋅= 10 dSL σdove S = sezione intermedia del materiale
12σ = sollecitazione uniformemente distribuita sulla sezionetrasversale S agente nel metallo nel senso della deformazione(sigma assiale).I due lavori debbono uguagliarsi: ∫ ⋅= 1011 dST σ (1)A questo punto, per la costanza della portata massica deve essere:SSSV === 1100da cui: 00SS =e quindi la (1) diventa: ∫= 100011 dST σ .Nell ipotesi di piccola deformazione Ł possibile, senza commettere un grossoerrore, sostituire a σ un opportuno valore intermedio σm compreso tra la resistenzainiziale alla deformazione e quella finale. Dalla relazione precedente si ricava alloral espressione di T1: 011011 001 loglog mm SST σσ ==Integrando tra 0 ed una generica 1< si ha: 01 logmVT σ=da cui si pu ottenere la legge di variazione con la della σ:0logmσσ =dalla quale si evince che la σ Ł nulla all ingresso )( 0= ed Ł massima all uscitadella trafila; questo valore massimo Ł stato indicato con σ1 (figura 2.7).
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