Le basi: utensili di trafilatura. Cosa sono le filiere e le matrici?

Le filiere e le matrici sono gli strumenti fondamentali utilizzati nelle operazioni di trafilatura o lavorazioni simili con lo scopo di ridurre la sezione del materiale di partenza e, se necessario, conferirgli una forma specifica, come profilati o sezioni dalle geometrie complesse.

Le filiere vengono generalmente montate su strutture realizzate in acciaio elettrosaldato o in ghisa, chiamate cassette porta filiera, che hanno la duplice funzione di contenere il lubrificante (in forma liquida o solida), e di gestire un sistema di raffreddamento ad acqua. Quest'ultimo è cruciale per mantenere le filiere a una temperatura operativa ottimale durante il processo di lavorazione. Nell'attuale panorama industriale, predominano due tipi principali di filiere: quelle realizzate in carburi metallici, conosciuti anche come leghe dure, e quelle in diamante. Entrambe offrono vantaggi distinti in termini di durabilità e precisione, ma la scelta tra di esse dipende dall'applicazione specifica e dalle esigenze del processo di produzione. Le filiere in carburi metallici, con la loro resistenza all'usura, sono spesso impiegate in applicazioni industriali impegnative, mentre le filiere in diamante sono note per la loro capacità di garantire finiture di superficie eccezionali su materiali più delicati. Una selezione accurata può influenzare significativamente la qualità e l'efficienza della produzione.

Filiere in carburi metallici

Le filiere in carburi metallici rappresentano un vertice di eccellenza nella tecnologia della lavorazione dei metalli. Questi strumenti sono prodotti mediante un processo di sinterizzazione, nel quale leghe di straordinaria resistenza sono ottenute da carburi formati attraverso la reazione di polveri di carbonio con polveri di metalli ad altissimo punto di fusione. La dimensione dei granuli di carburi e dell'agglomerante è fondamentale in questo processo, oscillando solitamente tra i 3 e 1 micron. Questa meticolosa preparazione dà vita a leghe estremamente dure, che spesso possono sfidare persino la durezza del diamante. Di conseguenza, queste filiere offrono una resistenza all'usura senza eguali.

Le filiere in carburi metallici trovano un'ampia gamma di applicazioni nella lavorazione di vergelle in vari tipi di acciai, tra cui l'acciaio dolce, l'acciaio duro e l'acciaio legato. Grazie alla loro eccezionale durezza e resistenza, queste filiere consentono di lavorare fili con diametri straordinariamente sottili, addirittura fino a 0.20-0.25 mm. Sul mercato, è possibile trovare una diversità di leghe sinterizzate, ciascuna con caratteristiche specifiche adatte a diverse esigenze industriali: 

WIDIA: Composizione con carbonio al 5.5-6%, cromo al 0.2-5%, ferro al 0.5-1%, tungsteno al 89-98%, e cobalto al 5-6%.
TITANIT: Questa lega presenta carbonio al 9-11%, cromo al 0.4-2%, ferro al 0.5-1%, molibdeno al 35-40%, nichel, ecc. 
Altre leghe, come ELMARID, CARBOLOY, CARBORAM, WALLRAMIT, e molte altre, soddisfano esigenze specifiche di produzione. 

In definitiva, le filiere in carburi metallici rappresentano una pietra miliare nell'industria della lavorazione dei metalli, consentendo la produzione di fili straordinariamente sottili e la lavorazione di materiali duri con una precisione senza rivali. Questi strumenti incarnano l'innovazione e la versatilità nel cuore della produzione industriale moderna.

Filiere in diamante

Le filiere in diamante rappresentano il vertice assoluto nella lavorazione di fili metallici sottili, finissimi e capillari, con diametri inferiori a 0.7 mm. Questi strumenti sfruttano le proprietà uniche del diamante per consentire riduzioni di sezione maggiori, senza superare i limiti di resistenza del materiale. Nel nucleo delle filiere in diamante, il diametro può raggiungere la sorprendente dimensione di 6-7 micron. Il diamante porta con sé una serie di caratteristiche che si traducono in vantaggi significativi per la trafilatura.

Lunghissima durata della calibratura: grazie alla sua straordinaria durezza, il diamante mantiene la sua integrità strutturale nel tempo, garantendo una calibratura precisa e costante.

Attrito minimo: il diamante offre un livello di attrito prossimo allo zero, il che significa che il filo scorre agevolmente attraverso la filiera senza un'eccessiva generazione di calore o usura.

Basso coefficiente di dilatazione: il diamante ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente basso, il che significa che rimane stabile anche a temperature elevate, mantenendo la precisione della lavorazione.

Buona conducibilità termica: la capacità del diamante di dissipare il calore contribuisce a evitare il surriscaldamento durante la trafilatura, garantendo la qualità del prodotto finale. 

Le filiere in diamante trovano applicazione nella trafilatura di una vasta gamma di materiali, tra cui acciaio, rame, bronzo, ottone, alluminio e leghe speciali. Questi utensili si distinguono per la loro incredibile versatilità e precisione. Nella costruzione delle filiere in diamante, esistono due principali metodologie. 

Foratura meccanica tramite punte diamantate: un processo di fabbricazione noto per la sua precisione, ma che richiede tempi prolungati a causa della lavorazione altamente specializzata coinvolta.
Sistema Elettroerosivo: questa tecnica combina elettroerosione chimica ed elettrica per creare filiere in diamante con maggiore efficienza e precisione.

Temperature durante il processo di trafilatura

Durante il processo di trafilatura, è fondamentale tenere sotto controllo le temperature, in particolare nel diametro di nocciolo della filiera, dove avviene la reale riduzione del filo. Nonostante la generosa lubrificazione applicata al filo, durante il processo si verifica infatti un notevole incremento termico. Questo fenomeno è il risultato della combinazione di due fattori principali: l'attrito di deformazione del materiale e l'attrito di scorrimento tra il filo e la filiera. Nel caso della trafilatura dell'acciaio dolce, in particolare quando si lavora a velocità elevate con significative riduzioni percentuali di sezione, la temperatura sulla filiera può superare i 200°C. Questa situazione richiede un efficace sistema di raffreddamento per mantenere le filiere in condizioni ottimali. Un ulteriore aumento della temperatura si verifica a causa dell’irradiazione termica quando il filo viene trafilato attraverso trafile rettilinee multipasso, dove si susseguono più riduzioni di sezione. Per garantire una lavorazione perfetta, è quindi necessario intensificare il raffreddamento, spesso attraverso l'apporto di acqua. Il controllo attento delle temperature durante la trafilatura non solo garantisce la qualità del prodotto finale, ma contribuisce anche a estendere la durata della vita utile delle filiere, riducendo l'usura e mantenendo alte prestazioni di produzione.

Usura delle filiere nella trafilatura: un'analisi dettagliata

Nel complesso mondo della trafilatura, una delle sfide più rilevanti è l'usura delle filiere. Questo processo industriale, fondamentale per la creazione di fili metallici e componenti di precisione, è soggetto a tre tipi principali di usura, ognuno con le sue caratteristiche peculiari.

1. Usura dovuta all'abrasione: deriva dall'attrito di scorrimento tra il materiale del filo, che di solito è più tenero, e quello della filiera, che è più duro. Nel corso del tempo, questo attrito provoca un'erosione graduale della filiera, dando luogo a irregolarità superficiali. Osservate al microscopio, le irregolarità si presentano sotto forma di graffi e scanalature nella direzione di avanzamento del filo.

2. Usura causata dall'aderenza: qui l'usura è il risultato della formazione di microsaldature tra il materiale del filo e la superficie della filiera. Queste microsaldature si formano a causa della pressione e delle alte temperature raggiunte durante il processo di trafilatura. Al microscopio, le particelle strappate dalla superficie della filiera mostrano la struttura dei grani del materiale.

3. Usura dovuta all'erosione: si verifica principalmente a causa dell'interazione tra il materiale del filo e la filiera stessa. Una corretta lubrificazione può limitare, ma non eliminare del tutto questo fenomeno.

È importante notare che l'usura delle filiere non è uniforme su tutta la loro superficie, ma si concentra in particolare in alcune parti del profilo delle filiere. Queste aree includono la zona del cono di trafila, soprattutto all'ingresso (zona 1) e all'uscita (zona 2), e la zona di calibrazione (zona 3), che comprende la guida cilindrica. L'usura massima nella posizione del cono in ingresso è comunemente chiamata "anello d'usura". Ricerche avanzate, condotte mediante simulazioni numeriche con il metodo degli elementi finiti (FEM), hanno confermato queste osservazioni. In particolare, hanno evidenziato che l'usura più intensa si registra laddove si verificano anche i massimi valori di sforzo. Impiegare un approccio analitico è fondamentale per comprendere e gestire l'usura delle filiere, contribuendo così a migliorare l'efficienza e la durata di questo processo critico nella produzione industriale. In conclusione, un'analisi accurata dell'usura delle filiere nella trafilatura è essenziale per mantenere l'alta qualità e l'affidabilità dei prodotti finali, contribuendo a ottimizzare questo processo chiave in numerose industrie.

Bibliografia

Angelo Frascio, “Il filo metallico: la trafilatura dei metalli, volume primo”, Milano, Hoepli, 1970, terza edizione

Roger N. Wright, “Wire Technology: Process Engineering and Metallurgy“, Oxford, Butterworth-Heinemann, 2010, 1st Edition

Le informazioni sono state raccolte e revisionate da Davide Dell’Oro, fondatore di expometals.net ed ex progettista di macchine per trafilatura con oltre 30 anni di esperienza nel settore.