Cálculo

Cómo calcular la reducción, las pasadas y las velocidades en el trefilado

Reducción de área frente a reducción de diámetro, deformación verdadera, número de pasadas y velocidades de los tambores, con una calculadora gratuita y un ejemplo resuelto de 5,5 a 2,0 mm.

Publicado el · trefilador.com

En resumen

La reducción de área de una pasada es r = 1 − (d₁/d₀)² y la deformación verdadera ε = 2·ln(d₀/d₁). El número de pasadas es la deformación total dividida entre la de cada pasada, redondeado hacia arriba. Por constancia de volumen, la velocidad crece como 1/(1 − r). El límite ideal por pasada es un 63 % de área; en la industria se trabaja habitualmente con un 20-25 %.

La reducción de área de una pasada de trefilado se calcula como r = 1 − (d₁/d₀)², donde d₀ es el diámetro de entrada y d₁ el de salida. Con ese dato, la deformación verdadera es ε = ln(A₀/A₁) = 2·ln(d₀/d₁), y el número de pasadas necesario para ir de un diámetro a otro con una reducción máxima por paso r es n = ln(A₀/Af) / ln(1/(1−r)), redondeado hacia arriba.

Las velocidades salen de la constancia de volumen: lo que entra por una hilera tiene que salir por ella, así que la velocidad del alambre aumenta en la misma proporción en que disminuye su sección. Con una reducción del 20 % de área, cada tambor tiene que tirar un 25 % más rápido que el anterior.

Abajo tienes las fórmulas explicadas, una calculadora de trefilado gratuita que hace las cuentas por ti, un ejemplo resuelto de 5,5 a 2,0 mm y el límite teórico que explica por qué no se puede reducir todo de una vez.

Reducción de área frente a reducción de diámetro

Es la confusión más habitual en planta y en los apuntes. Un «20 % de reducción» no significa lo mismo si se refiere al diámetro o al área, y la diferencia es grande:

Como el área depende del cuadrado del diámetro, una reducción de área del 20 % equivale solo a un 10,6 % de diámetro. Al revés, reducir un 20 % el diámetro supone quitar un 36 % del área.

Equivalencias entre reducción de área, de diámetro y deformación verdadera (cálculo propio con las fórmulas de este artículo)
Reducción de áreaReducción de diámetroDeformación verdadera εRelación de velocidades v₁/v₀
10 %5,1 %0,1051,111
15 %7,8 %0,1631,176
20 %10,6 %0,2231,250
25 %13,4 %0,2881,333
30 %16,3 %0,3571,429
36 %20,0 %0,4461,563

En los textos técnicos de conformado, cuando se habla de «reducción» sin más se refiere a la reducción de área. Si en tu planta se trabaja con porcentajes de diámetro, conviene dejarlo claro en las hojas de proceso para no mezclar números.

Deformación verdadera y elongación

La deformación verdadera (o logarítmica) mide cuánto se ha deformado el material de forma que las pasadas se pueden sumar. Se calcula así:

ε = ln(A₀/A₁) = 2·ln(d₀/d₁)

Su gran ventaja es práctica: la deformación total de una serie de hileras es la suma de las deformaciones de cada una. Los porcentajes de reducción, en cambio, no se suman: dos pasadas del 20 % no hacen un 40 %, sino un 36 %, porque la segunda reduce un área que ya es más pequeña.

La elongación viene de la misma idea. Como el volumen se conserva, la longitud crece en la proporción inversa a la sección: L₁/L₀ = A₀/A₁ = (d₀/d₁)². Un alambre que pasa de 5,5 a 2,0 mm sale 7,56 veces más largo: cada metro de alambrón da unos 7,56 metros de alambre.

Cuántas pasadas necesito

Si repartes la reducción total en pasadas iguales con una reducción de área r en cada una, el número de pasadas es:

n = ln(A₀/Af) / ln(1/(1 − r)) = εtotal / εpaso

El resultado casi nunca es entero, así que se redondea hacia arriba y después se recalcula la reducción real por paso, que queda algo por debajo del máximo que habías fijado:

rreal = 1 − (Af/A₀)1/n

Con esa reducción ya puedes sacar cada diámetro intermedio multiplicando el anterior por √(1 − rreal). Es el reparto más simple. En planta se ajusta: la última hilera suele llevar menos reducción para dar el acabado y la tolerancia, y se tiene en cuenta el desgaste de las hileras, como en el caso real que se comenta más abajo.

Velocidades de los tambores: la constancia de volumen

En régimen estable, por cada hilera pasa el mismo volumen de metal por segundo. Por tanto:

v₀ · A₀ = v₁ · A₁ → v₁/v₀ = A₀/A₁ = (d₀/d₁)² = 1/(1 − r)

Constancia de volumen en una hilera El alambre entra en la hilera con diámetro d0, área A0 y velocidad v0, y sale con diámetro d1 menor, área A1 y velocidad v1 mayor. El producto área por velocidad es igual a ambos lados. d₀ · A₀ · v₀ d₁ · A₁ · v₁ hilera más lento más rápido A₀ · v₀ = A₁ · v₁
Lo que pierde el alambre en sección lo gana en velocidad.

En una máquina multipaso eso significa que cada cabrestante gira más deprisa que el anterior, y que el último va más rápido que todos. Respecto a la entrada, la velocidad del alambre a la salida de la pasada i es (d₀/di)²: en el ejemplo de 5,5 a 2,0 mm, el alambre sale 7,56 veces más rápido de lo que entra.

Esa es la relación teórica. En las máquinas multipaso con deslizamiento, los cabrestantes se diseñan para girar algo más rápido que el alambre, y en las de acumulación o de control individual de motores se compensan las diferencias de otra manera. La calculadora te da la relación ideal, que es el punto de partida para entender los ajustes de la máquina.

Calculadora de trefilado

Introduce el diámetro de entrada, el de salida y la reducción de área máxima que quieres por pasada. Si conoces la velocidad de salida de la última hilera, añádela para ver las velocidades de cada paso. Todo se calcula en tu navegador; no se envía ningún dato.

La calculadora reparte la reducción en pasadas iguales y usa el modelo ideal de constancia de volumen. No sustituye a la hoja de proceso ni a las indicaciones del fabricante de la máquina.

Ejemplo resuelto: de 5,5 mm a 2,0 mm

Un caso típico: alambrón de 5,5 mm que se quiere llevar a alambre de 2,0 mm, sin superar un 20 % de reducción de área por pasada. Son cuentas propias y reproducibles con la calculadora.

  1. Relación de áreas: A₀/Af = (5,5/2,0)² = 7,5625. Reducción total de área: 1 − 1/7,5625 = 86,8 %.
  2. Deformación total: ε = ln 7,5625 = 2,023.
  3. Deformación por pasada con r = 20 %: ln(1/0,8) = 0,223.
  4. Número de pasadas: 2,023 / 0,223 = 9,07 → se redondea a 10 pasadas.
  5. Reducción real por pasada: 1 − 7,5625−1/10 = 18,3 % de área.
  6. Diámetros intermedios: cada uno es el anterior × √(1 − 0,183) = × 0,9038.
  7. Velocidades: cada tambor gira 1/(1 − 0,183) = 1,224 veces más rápido que el anterior.
Ejemplo de 5,5 a 2,0 mm con 10 pasadas iguales del 18,3 % de área (cálculo propio)
PasadaØ salida (mm)Velocidad relativa a la entradaSi la última sale a 10 m/s
14,9711,221,62 m/s
24,4931,501,98 m/s
34,0601,832,43 m/s
43,6702,252,97 m/s
53,3172,753,64 m/s
62,9983,374,45 m/s
72,7094,125,45 m/s
82,4485,056,67 m/s
92,2136,188,17 m/s
102,0007,5610,00 m/s

Los 10 m/s de la última columna son solo una cifra redonda para ilustrar la proporción, no una velocidad recomendada. Si en vez del 20 % aceptas hasta un 25 % por pasada, salen 2,023 / 0,288 = 7,03 → 8 pasadas de un 22,3 % cada una.

Comprobación con un caso publicado

Un estudio de la Universidad de Santiago de Chile sobre una planta de alambre para soldadura describe una etapa de trefilado en seco de 9 hileras, de 6,00 a 2,21 mm. Con las fórmulas anteriores, la relación de áreas es (6,00/2,21)² = 7,37 y el reparto en 9 pasadas iguales da 1 − 7,37−1/9 ≈ 19,9 % por pasada. En la etapa en húmedo de esa misma planta, el reparto nominal de diseño rondaba el 14 % de área por hilera. Son órdenes de magnitud coherentes con los de la bibliografía de conformado, que sitúa las reducciones comerciales habituales entre el 20 y el 25 % de área.

Fuerza de trefilado: el modelo ideal y sus límites

El modelo más sencillo, el del trabajo ideal, supone que no hay rozamiento ni deformación redundante. Igualando el trabajo de la fuerza de tiro con el trabajo de deformación se obtiene la tensión de trefilado:

σt = Ȳ · ln(A₀/A₁)  y  F = σt · A₁

donde Ȳ es la tensión de fluencia media del material durante la pasada (en un material que se endurece, la media entre la entrada y la salida). Fíjate en algo útil: para una pasada del 20 %, la tensión ideal es 0,223 veces Ȳ; para una del 25 %, 0,288 veces Ȳ.

La realidad pide más fuerza. El rozamiento en la hilera y la deformación redundante (el cizallamiento que no contribuye a adelgazar el alambre) se suman al trabajo ideal. El material de la Universidad de Cambridge (DoITPoMS) sitúa el rendimiento típico del trefilado entre el 50 y el 65 %, es decir, la fuerza real es entre 1,5 y 2 veces la ideal:

Tensión de trefilado expresada como fracción de la tensión de fluencia media (cálculo propio con un rendimiento del 50-65 %)
Reducción de áreaσt/Ȳ idealσt/Ȳ estimada real
15 %0,160,25 – 0,33
20 %0,220,34 – 0,45
25 %0,290,44 – 0,58
30 %0,360,55 – 0,71

Aquí no damos valores de Ȳ para materiales concretos a propósito: dependen de la calidad, del estado del alambre y de cuánto se haya deformado ya. Para un cálculo de fuerza real, usa la curva de fluencia del material de tu proveedor o de un ensayo. El ángulo de la hilera también influye, porque cambia el reparto entre rozamiento y deformación redundante; lo explicamos en hileras y utillaje de trefilado, y la lubricación es la otra gran palanca para bajar el rozamiento.

Por qué hay un límite teórico por pasada

El alambre que sale de la hilera es el que soporta la fuerza de tiro. Si la tensión de trefilado llega a la tensión de fluencia del alambre ya estirado, este empieza a estirarse fuera de la hilera, se estrecha y acaba rompiendo. Por eso la condición límite es σt = Y.

En el modelo ideal (sin rozamiento, sin trabajo redundante y sin endurecimiento), eso da ln(A₀/A₁) = 1, es decir, A₀/A₁ = e ≈ 2,718 y una reducción máxima teórica del 63,2 % por pasada. Lo recogen tanto los apuntes de conformado de NPTEL (India) como los de DoITPoMS (Cambridge).

En la práctica el límite es bastante menor. DoITPoMS indica que, con hileras reales y buena lubricación, lo mejor que se consigue ronda el 50 %; y las reducciones comerciales habituales se quedan en el 20-25 % de área para dejar margen frente a variaciones del material, desgaste de la hilera y fallos de lubricación. Cuando se fuerza ese margen aparecen las roturas: si te pasa, revisa la guía de defectos y roturas por reducción excesiva.

A esto se suma el endurecimiento por deformación: tras muchas pasadas el alambre está tan endurecido que hay que recocer antes de seguir. Cómo encaja todo eso en la línea completa está en el proceso de trefilado paso a paso, donde se habla de la reducción típica por hilera.

De la teoría a la planta

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Fuentes y referencias

Los ejemplos numéricos son cálculos propios con el modelo ideal. Sirven para entender y comprobar un reparto de pasadas, no para fijar los parámetros de una máquina concreta.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula el porcentaje de reducción en el trefilado?

Se calcula sobre el área: r = (A₀ − A₁)/A₀ = 1 − (d₁/d₀)². Por ejemplo, de 5,0 a 4,5 mm la reducción de área es 1 − 0,81 = 19 %, aunque el diámetro solo se ha reducido un 10 %. Si alguien te da un porcentaje, confirma si es de área o de diámetro.

¿Cuántas pasadas hacen falta para trefilar de un diámetro a otro?

Divide la deformación total, ln((d₀/d_f)²), entre la deformación por pasada, ln(1/(1 − r)), y redondea hacia arriba. De 5,5 a 2,0 mm con un máximo del 20 % por pasada salen 10 pasadas; con un 25 %, salen 8.

¿Cuál es la reducción máxima teórica por paso?

En el modelo ideal, sin rozamiento ni trabajo redundante ni endurecimiento, es del 63,2 % de área (A₀/A₁ = e). Con hileras reales y buena lubricación se habla de un máximo práctico de alrededor del 50 %, y en producción se suele trabajar con un 20-25 % para tener margen.

¿Qué es la relación de velocidades entre tambores?

Es lo que debe girar cada tambor de tiro respecto al anterior para que el alambre no se acumule ni se tense de más. Por constancia de volumen vale A₀/A₁ = 1/(1 − r): con un 20 % de reducción de área, 1,25; con un 25 %, 1,333.