La trafilatura è un processo di formatura che induce un cambiamento nella forma del materiale grezzo di partenza attraverso la deformazione plastica dovuta all'azione di forze impresse da attrezzature e matrici.
La trafilatura dei metalli realizza in continuo lunghi fili, barre con una sezione circolare oppure a profilo complesso con 3 o più lati e tubi (le barre entrano già con la loro forma finale, la trafilatura serve solo ad incrementare le proprietà meccaniche tramite incrudimento superficiale e a migliorare le tolleranze dimensionali). Le sue origini risalgono all'XI secolo e la sua continua evoluzione ha portato ad oltrepassare i limiti dimensionali progressivamente raggiunti.
Sebbene l'applicazione industriale più importante sia nella lavorazione del metallo, trattata in questa voce, il termine viene usato per un fattore di comodità anche per altri materiali tra cui la ceramica e la pasta. Quest'ultima viene prodotta mediante la tecnica di estrusione. La trafilatura viene molto usata anche per la creazione di mattoni Giampietro Paci, Riccardo Paci, Progettare e fare multimediale, Tecnologia, Zanichelli 2011.
Microtrafilatura La crescita esponenziale del mercato mondiale di micro-componenti richiede fili con un diametro sempre inferiore e con ottime finiture e proprietà da impiegare nella realizzazione di componenti elettronici e meccanici miniaturizzati. La trafilatura mirata alla produzione di microfili con un diametro di pochi micrometri viene nominata microtrafilatura. Come il diametro dei fili anche i lati delle barre possono essere di pochi micrometri, le quali prendono il nome di microfili a profilo complesso. Le caratteristiche generali sopra dette rendono la trafilatura una tecnologia in grado di realizzare una produzione di massa di microfili e quindi di soddisfare le nuove esigenze della miniaturizzazione.
Ma il passaggio dal macro- al micro-mondo crea problemi anche alla trafilatura: le nuove dimensioni hanno conseguenze nel comportamento del materiale, nel processo, nelle matrici, nella manipolazione, nelle attrezzature e nei macchinari. I costi da sostenere per la produzione di microfili aumentano e sono legati all'acquisto di nuovi impianti dedicati, alla ricerca e sviluppo (necessaria per raggiungere l'ulteriore miniaturizzazione e la produzione industriale di massa dei nuovi prodotti), all'esigenza di un filo di partenza di qualità superiore (più puro e con un'accuratezza superficiale e dimensionale migliore) e di personale più qualificato.
Descrizione generale Il processo di trafilatura possiede le seguenti peculiarità generali: efficiente (realizza un tasso di produttività elevato); accurato (i prodotti finali hanno tolleranze ristrette, ottime finiture superficiali e la sezione desiderata); eccellente nelle proprietà meccaniche-elettriche del prodotto finale; economico ed ecologico grazie alle matrici e agli utensili multiuso, alla manodopera non necessariamente qualificata ed allo scarto minimo di materiale. La trafilatura, in base alle classificazioni dei processi di deformazione, appartiene ai: processi di formatura massiva, distinti dai processi di formatura di fogli sottili; processi a freddo perché usualmente non viene effettuato un pre-riscaldamento del filo o della barra iniziale; processi di lavorazione secondaria (come la piegatura) perché trasforma i prodotti di lavorazione primaria (forgiati, laminati, estrusi, trafilati) in prodotti finiti o semi-finiti. Al più i suoi lavorati subiscono dei minimi cambiamenti di forma solitamente attraverso la piegatura (per formare molle, ganci, graffette, ecc.) o altre operazioni di rifinitura (ad esempio per ottenere delle viti o le punte degli ami da pesca)
Paragonata alle altre tecniche di formatura massiva, la trafilatura è simile all'estrusione a differenza che nell'estrusione il pezzo in lavorazione è sottoposto a forze di compressione mentre nella trafilatura a forze di trazione, e che nell'estrusione l'attrito si manifesta nella matrice e nel contenitore della preforma di partenza invece nella trafilatura solo nella matrice; però entrambe sono tecniche di deformazione senza superfici libere.
Prodotti di trafilatura I fili metallici sono ampiamente impiegati nella realizzazione di tessiture e funi strutturali, cavi elettrici e componenti elettronici, attrezzature mediche, strumenti musicali, prodotti orafi, materiale edile, componenti metallici per i più svariati settori (automobili, giocattoli, giardinaggio, ecc.).
Nel macromondo le funi ottenute da più fili intrecciati o attorcigliati sono utilizzate nelle tensostrutture, negli ascensori, nelle reti da pesca, nel sollevamento speciale nei porti e nei cantieri, ecc.
Con i macro fili singoli si realizzano molle e ganci, viti, recinzioni, cesti, armature per cemento, fibre per il calcestruzzo, fili per il taglio del marmo, per gli impianti elettrici, ecc.
Nel micromondo i microfili sono impiegati nel campo dell'elettronica, dei componenti IT (Information Technology), dei micro sistemi elettro-meccanici (MEMS), ma anche in campo medico, automobilistico, delle telecomunicazioni e della radiofonia; vengono utilizzati sotto forma di molle di contatto, spirali, viti, mandrini, punzoni, fili elettrici, schermature, cavi di segnale per allarmi.
I microfili a profilo complesso divengono micro aste, mandrini, viti, punzoni.
I fili metallici sono prevalentemente in rame, in leghe di rame, in acciaio, in leghe di nichel, in alluminio e spesso sono rivestiti.
Il processo di trafilatura
In questo paragrafo vengono descritti i processi di trafilatura e di ricottura con i loro componenti, i difetti e le rotture che possono verificarsi e gli adeguamenti osservati nella produzione di fili capillari dal confronto tra la letteratura esistente sulla trafilatura tradizionale e le realtà visitate di alcune trafilerie di fili sottili e capillari. Nella lavorazione di trafilatura il filo subisce dei passaggi forzati attraverso delle matrici (filiere) con dei fori di diametro progressivamente decrescente che ne riducono la sezione. Il volume del filo rimane costante dal momento che la trafilatura è un processo senza asportazione di materiale; con la riduzione diametrale ottengo l'incremento della sua lunghezza. Il filo da lavorare viene fatto passare attraverso la prima filiera dopo aver subito una riduzione all'estremità da infilare. Tale estremità è resa conica da un'operazione di swagging (formatura a martellamento rotante) oppure, nel caso di microfili, da una rottura a trazione in corrispondenza della zona di strizione. Dopo il passaggio nella prima filiera, segue l'analogo inserimento in tutte le filiere successive.
I fili sono divisi in quattro categorie in base al loro diametro d: Vergelle, aventi diametro 5 mm <= d < 8 mm; Intermedi, con 1 mm <= d < 5 mm; Sottili, con 0.15 mm <= d < 1 mm; Capillari, con d < 0.15 mm.
Più in generale i microfili hanno un diametro d di pochi micrometri. I fili più fini realizzati in Europa presentano un diametro di 6 µm, sono in lega d'oro e vengono impiegati in componenti elettronici; nella produzione industriale di massa i fili più sottili sono in rame ed hanno un diametro di 10 µm.
Per una trafilatura ottimale con una buona finitura ed accuratezza dimensionale nei fili, bisogna selezionare accuratamente i parametri di processo, progettare adeguatamente il profilo delle filiere ed il loro angolo, scegliere la riduzione per passo, il lubrificante e i materiali delle matrici e delle attrezzature.
Il rapporto di riduzione ottimale per passo è inferiore a quello ideale ed è compreso tra il 10% e il 45%. L'angolo e la riduzione per passo ideali si riducono, oltre che per la lavorazione di materiali duri, anche per la produzione di microfili al fine di evitare una cattiva finitura superficiale, maggiori difficoltà di lubrificazione e la possibile rottura. Quindi per ottenere il diametro desiderato si deve incrementare il numero di passaggi progressivi. Per ridurre una vergella di 8 mm ad un filo di 2 mm di diametro si operano una decina di passaggi attraverso filiere decrescenti. Invece per passare da un filo di 2 mm ad uno sottile di 0,2 mm di diametro sono necessari una ventina di passaggi, da un filo di 1 mm ad uno capillare di 0.1 mm una trentina.
Il filo è trainato da un cabestano finale e da più anelli di tiro posti tra una filiera e l'altra e compie due o tre giri attorno ad ogni anello di tiro in rotazione per diminuire la tensione di trafilatura. Nel tratto che va da una filiera all'altra, il filo è in trazione prima dell'anello e a riposo tra l'anello e la filiera successiva. Grazie al moto degli anelli di tiro è possibile applicare la tensione back spiegata precedentemente. Il cabestano finale è collocato dopo l'ultima filiera all'esterno della macchina trafilatrice. Solitamente la velocità del cabestano di tiro è regolata in modo tale da avere uno slittamento sugli anelli di tiro i quali trasmettono la tensione di trafilatura. La velocità del cabestano è al massimo di 30 m/s per i fili sottili e capillari mentre arriva a 50 m/s per i fili con un diametro maggiore. La temperatura del filo aumenta durante la lavorazione a causa dell'attrito, dello slittamento sugli anelli e dell'elevata velocità a cui viene trafilato. L'uso di un lubrificante adeguato è indispensabile per ridurre l'attrito, per attenuare il riscaldamento del filo, per diminuire l'usura delle filiere e per evitare l'asportazione di materiale o del rivestimento dal filo.
In seguito ai molteplici passi di trafilatura, il filo incrudito subisce una ricottura per ripristinare le proprietà meccaniche ed elettriche di partenza. I fili in acciaio per le corde degli strumenti musicali e le molle sono gli unici ad essere sottoposti a trattamenti a caldo prima e dopo la lavorazione. Dopo la ricottura avviene un raffreddamento in emulsione, seguito da un'asciugatura ad aria che predispone il filo alla bobinatura.
Il bobinatore avvolge un filo o più fili insieme formando le bobine. Un ballerino/sensitivo pneumatico o a peso si muove regolando la velocità di avvolgimento della bobina per mantenere la tensione del filo costante. L'unico parametro monitorato in questa fase è la tensione del filo controllata con un tensimetro. Per calcolare la tensione (N/mm²) di bobinatura da applicare si usa la formula
T = d² · p/4 · n°fili · k
dove d è il diametro del filo e k è una costante.
Successivamente i fili vengono sbobinati per andare a formare i cavi elettrici, le piattine per il computer, le schermature oppure per ottenere, con un'ulteriore lavorazione, molle e spirali. Nella creazione dei cavi elettrici i fili vengono attorcigliati mentre, per realizzare delle schermature contro i disturbi elettrici, vengono disposti parallelamente (ad esempio 6-12 fili concentrici attorno a quello da schermare) o anche intrecciati (ad esempio più gruppi di 4 fili paralleli intrecciati attorno ad un cavo). I fili per tali applicazioni vengono avvolti con una bobinatura statica in bobine disposte verticalmente.
Invece le bobine dei fili che in seguito non devono subire delle torsioni sono in posizione orizzontalmente per evitare di torcere i fili una volta arrivati ad una estremità; qui il braccio guidafilo inverte la sua direzione di movimento ed i fili continuano ad avvolgersi senza torsione. Le bobine di microfilo singolo possono servire a realizzare fili elettrici con schermature, molle ecc. Se il filo non è sub-millimetrico può diventare un monofilo per gli impianti elettrici in Germania e nel Nord Europa, dove i fili elettrici sono rigidi al contrario di quelli flessibili del Sud Europa (ad esempio cavi con 1-7 fili contro i 126 nostri).
Le macchine trafilatrici sono classificate secondo diversi criteri.