TEMA 5 (1)

Vista previa del material en texto

TEMA 5
Extrusión y trefilado (estirado) de metales
Introducción
La extrusión es un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de una abertura, (dado extrusor) en la matriz o troquel para darle forma a su sección transversal.
La extrusión y el estirado (trefilado) tienen numerosas aplicaciones en la manufactura de productos continuos y discretos a partir de una gran variedad de metales y aleaciones.
Introducción
Este proceso es similar a la acción de apretar una pasta dental.
Por medio de la extrusión se pueden producir una gran variedad de secciones transversales sólidas o huecas, que fundamentalmente son partes semiterminadas. 
Una característica de la extrusión es que pueden ocurrir grandes deformaciones sin fracturas porque el material se somete a compresión triaxial elevada.
Introducción
Debido a que la geometría del dado permanece sin cambios durante la operación, por lo general los productos extruidos tienen una sección transversal constante. (Diferencia entre metales y plásticos).
Entre los productos comunes fabricados mediante extrusión se encuentran: rieles para puertas corredizas, marcos de ventanas, tubería de diversas secciones transversales, escaleras de aluminio y numerosas formas estructurales y arquitectónicas.
Introducción
Los extrudidos se pueden cortar a las longitudes deseadas, que después se convierten en partes discretas, como soportes, engranes y ganchos para ropa.
Los materiales usualmente extruidos son: aluminio, cobre, acero, magnesio y plomo; también se pueden extruir otros metales y aleaciones, con diferentes niveles de dificultad.
Introducción
La extrusión puede ser económica tanto para corridas de producción grandes como para las cortas. 
Por lo general, los costos del herramental son bajos, en particular para producir secciones transversales simples y sólidas.
Para piezas huecas los costos son mayores.
Dependiendo de la ductilidad del material, la extrusión se puede efectuar a temperatura ambiente o elevada.
Tipos de Extrusión
Extrusión Directa. El producto emerge en la misma dirección que el movimiento del punzón. Un problema en la extrusión directa es la gran fricción que existe entre la superficie del trabajo y las paredes del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del troquel. Esta fricción ocasiona un incremento sustancial de la fuerza requerida en el pistón para la extrusión directa.
Extrusión Directa
El material siempre busca un patrón de flujo que tenga un gasto mínimo de energía. Cuando la extrusión se lleva a cabo sin un lubricante y con una matriz de cara plana (abertura de la matriz de 180°), el material no puede seguir los cambios direccionales muy abruptos a que se somete. 
La esquina entre la cara de la matriz y el recipiente se llena por una zona estacionaria de metal muerto, y el flujo ocurre debido a la fuerza cortante.
Extrusión Directa
Se puede aplicar un lubricante muy efectivo para asegurar el deslizamiento completo sobre la cara de la matriz y a lo largo de la pared del recipiente (extrusión lubricada). 
En consecuencia, ahora la matriz está provista de una zona cónica de entrada que, idealmente, corresponde en forma al patrón del flujo de energía mínima 
Extrusión Directa
En la extrusión directa se pueden hacer secciones huecas (por ejemplo, tubos). El tocho inicial se prepara con una perforación paralela a su eje. Esto permite el paso de un mandril que se fija en el bloque simulado. Al comprimir el tocho, se fuerza al material a fluir a través del claro entre el mandril y la abertura del troquel. La sección transversal resultante es tubular. Otras formas semihuecas se extruyen usualmente de esta misma manera.
Tipos de Extrusión
Extrusión Indirecta. También conocida como invertida o retroextrusión. El producto viaja contra el movimiento de un punzón (ver figuras y video). Lo más importante es que la palanquilla está en reposo en el recipiente; así, la fricción del recipiente no tiene función alguna. La extrusión indirecta puede producir secciones huecas. En este método el pisón presiona en el tocho, forzando al material a fluir alrededor del pisón y tomar una forma de copa
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Relación de Extrusión o Relación de Reducción.
										rx = Ao/Af
Donde: 	 rx = relación de extrusión; Ao = área de la sección transversal del tocho inicial en mm2 o (in2); Af = área de la sección transversal del tocho final. 
Esta fórmula se aplica tanto para la extrusión directa, como indirecta.
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Se han sugerido varios métodos para calcular la deformación real y la presión del pisón (embolo o pistón) asociada en la extrusión.
La ecuación empírica propuesta por Johnson para estimar la deformación de extrusión es la más usada:
									ϵx = a + b lnrx
Donde: ϵx= deformación de extrusión; a y b son constantes para el ángulo del troquel.
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Análisis de Fuerza de la Extrusión
Los requerimientos de potencia para llevar a cabo el proceso de extrusión es simplemente:
									Pt = Fv
donde Pt = Potencia, J/s(in-lb/min); F = fuerza del pisón, N (lb); v = Velocidad del pisón,
m/s (in/min).
Problemas de Aplicación 
Un tocho de 75 mm de largo y 25 mm de diámetro se somete a un proceso de extrusión directa con una relación rx = 4,0. La extrusión tiene una sección redonda transversal. El ángulo del troquel (medio ángulo)= 90º. El metal de trabajo tiene un coeficiente de resistencia = 415 MPa, y un exponente de endurecimiento por deformación = 0.18. Use la fórmula de Johnson con a=0,8 y b=1,5 para estimar el esfuerzo de extrusión. Determine la presión aplicada al extremo del tocho cuando el pisón se mueve hacia delante.
Matrices o Troqueles y Prensas de Extrusión
Los factores importantes en un troquel de extrusión son el ángulo del troquel y la forma del orificio.
El ángulo del troquel, o la mitad del ángulo del troquel, es el que se muestra en la siguientes figuras, donde se puede concluir que existe un ángulo óptimo. < Ángulo implica mayor superficie de contacto. > Ángulo mayor turbulencia e incrementa la presión.
Matrices o Troqueles y Prensas de Extrusión
Por otro lado, una sección transversal compleja, requiere más presión y fuerza que una sección circular. 
El efecto de la forma del orificio del troquel puede valorarse por un factor de forma, definido como la relación entre la presión requerida para extruir una sección transversal de la forma dada y la presión de extrusión para una sección redonda de la misma área.
Matrices o Troqueles y Prensas de Extrusión
Extrusión en Caliente
Se utiliza para metales y aleaciones que carecen de suficiente ductilidad a temperatura ambiente o para reducir las fuerzas requeridas en el proceso.
La extrusión en caliente tiene requisitos especiales debido a las altas temperaturas de operación, ya que el desgaste de un dado puede ser excesivo y por las diferencias de temperatura causar problemas en el extruido.
Extrusión en Caliente
Cuando la palanquilla está caliente, desarrolla una capa de óxido, que puede ser abrasiva y afectar el patrón de flujo del material.
También da como resultado un producto extruido que puede ser inaceptable cuando se requiere un buen acabado superficial.
Materiales para Dados y Matrices
Por lo general, para trabajos en caliente, se usan aceros especiales para dados, con alta resistencia, tenacidad al impacto y resistencia al desgaste a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas, con base a Molibdeno y Tungsteno. 
Se pueden aplicar revestimientos para prolongar su vida como el zirconio parcialmente estabilizado, pero no son adecuados para extrusiones complejas por los gradientes de esfuerzo.
Lubricación
La lubricación es importanteen la extrusión en caliente por sus efectos sobre:
El flujo del material durante la extrusión.
El acabado y la integridad de la superficie.
La calidad del producto.
Las fuerzas de extrusión.
El vidrio es un excelente lubricante para aceros simples e inoxidables y para metales y aleaciones de alta temperatura.
Extrusión en Frio
Se utiliza ampliamente para componentes de automóviles, motocicletas, bicicletas y aparatos eléctricos, y en equipo de transporte y agrícola.
Se pueden fabricar partes extruidas en frío que pesan hasta 45 kg y que tienen longitudes hasta de 2 metros. En la pulvimetalurgia, se utiliza este proceso para la extrusión de preformas. 
Extrusión en Frio
Tiene las siguientes ventajas sobre la extrusión en caliente:
Mejores propiedades mecánicas como resultado del endurecimiento por trabajo.
Buen control de las tolerancias dimensionales, reduciendo la necesidad de operaciones de maquinado o acabado posteriores.
Extrusión en Frio
Mejor acabado superficial, en parte debido a la falta de una capa de óxido, y siempre que la lubricación sea eficaz.
Velocidades y costos de producción que son competitivos respecto de otros métodos de producción como el maquinado.
La lubricación es crítica, en particular con los aceros, por la posibilidad de que se adhieran entre la pieza de trabajo y los herramentales. 
Extrusión Hidrostática
La presión requerida en la cámara se suministra mediante un pistón a través de un medio fluido incompresible que rodea la palanquilla. 
La elevada presión dentro de la cámara transmite parte del fluido a las superficies del dado, donde reduce de manera significativa la fricción.
Extrusión Hidrostática
Por este método se pueden extruir materiales quebradizos, ya que la presión hidrostática (junto con la fricción reducida, el uso de pequeños ángulos de matrices y altas relaciones de extrusión) aumenta la ductilidad del material.
Se han extruido alambres largos a partir de una palanquilla de aluminio a temperatura ambiente, con una relación de extrusión de 14,000, lo que significa que una palanquilla de 1 m se convierte en un alambre de 14 km de largo
Defectos de Extrusión
La deformación tiende a no ser homogénea, y puede que la deformación se concentre en las zonas exteriores, alargándose de modo directo, mientras que el centro de la extrusión no se deforma directamente sino que lo arrastra el material de la superficie, generando esfuerzos de tensión y generando fracturas en punta de flecha.
Defectos de Extrusión
En la extrusión en caliente, el calor que se genera durante el proceso puede causar que la temperatura de la pieza de trabajo se eleve por arriba de la temperatura solidus del material generando grietas superficiales, que se pueden eliminar bajando la velocidad de la prensa.
Problemas de Aplicación
Un tocho cilíndrico de 100 mm de longitud y 40 mm de diámetro se reduce por extrusión indirecta a 15 mm de diámetro. El ángulo del troquel es de 90º. En la ecuación de Johnson a = 0.8 y b = 1.5 y la curva de fluencia para el material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia de 750 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.15. Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) la deformación de extrusión, d) la presión del pisón y e) la fuerza del pisón
Problemas de Aplicación
Un proceso de extrusión indirecta empieza con un tocho de aluminio de 2,0 in de diámetro y 3,0 in de largo. La sección transversal final después de la extrusión es un cuadrado de 1,0 in por lado. El ángulo del troquel es de 90º. La operación se realiza en frío y el coeficiente de resistencia del metal es K = 26.000 lb/in2 y el coeficiente de endurecimiento por deformación n = 0.20. En la ecuación de deformación por extrusión de Johnson, a = 0.8 y b = 1,2. a) Calcule la relación de extrusión, la deformación real y la deformación por extrusión, b) ¿Cuál es el factor de forma del producto?, c) si el tope que se deja en el recipiente al final de la carrera es de 0.5 in de espesor, ¿cuál es la longitud de la sección extruida?, d) determine la presión del pisón en el proceso
Trefilado o Estirado
Muchos componentes de sección transversal uniforme se pueden producir no sólo por extrusión, sino también por estirado o trefilado.
En vez de ser empujado, ahora el material se afila (su extremo se reduce, usualmente por estampado) y luego se jala a través de una matriz estacionaria de sección transversal que disminuye en forma gradual.
La mayor parte del alambre es de sección transversal circular, pero también se trefilan los alambres de sección cuadrada, rectangular y conformados (perfiles).
Trefilado o Estirado
Además de las aplicaciones directas, como en la conducción de electricidad, el alambre es el material de partida para muchos productos, incluyendo las estructuras de marcos de alambre (desde ganchos para ropa hasta carros de supermercado), clavos, tomillos y pernos, remaches, cercas de alambres, resortes, electrodos de soldadura, cuerdas de instrumentos musicales, etc.
Trefilado o Estirado
Los tubos sin costura se hacen por medio de una variedad de técnicas de trabajo en caliente, pero por debajo de un tamaño mínimo se deben reducir aún más en frío.
Una de las opciones es estirarlos, para aplicaciones en sistemas hidráulicos de vehículos, aeroplanos, barcos, maquinaria industrial, sistemas de distribución de agua y en otras como agujas hipodérmicas. 
Trefilado o Estirado
Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en el estirado, la compresión también juega un papel importante, ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del troquel. 
Por esta razón, la deformación que ocurre en el estirado se llama algunas veces compresión indirecta. 
Trefilado o Estirado
Las variables principales de procesamiento en el trefilado o estirado son similares a las de la extrusión.
Es decir, la reducción del área transversal, el ángulo del dado, la fricción a lo largo de las interfaces del dado y la pieza de trabajo, así como la velocidad de estirado. 
El ángulo del dado influye en la fuerza de estirado y la calidad del producto estirado. 
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Debido a que la fricción está presente en el estirado y aunque el metal de trabajo experimenta deformación no homogénea, el verdadero esfuerzo es más grande que el proporcionado por la anterior ecuación.
Además de la relación Ao/Af , otras variables tienen influencia en el esfuerzo del estirado y son: el ángulo del troquel y el coeficiente de fricción en la interfaz trabajo-troquel.
Existen numerosas propuestas, para resolver el problema, pero la más usada es la ecuación propuesta por Schey:
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
Análisis de la Fuerza de Estirado
La fuerza de estirado aumenta al incrementarse la reducción. 
Sin embargo, tiene que limitarse la magnitud de la fuerza, porque cuando el esfuerzo de tensión alcanza el esfuerzo de fluencia del metal que se está estirando, la pieza de trabajo cede y finalmente rompe.
En teoría y sin fricción, la reducción máxima en el área transversal por pase es de 63%. 
Análisis de la Fuerza de Estirado
Se puede demostrar que para cierta reducción de diámetro y cierta condición de fricción, existe un ángulo óptimo del dado en el que la fuerza de estirado es mínima.
Esto no significa que el proceso deba efectuarse en este ángulo óptimo, porque existen otras consideraciones de calidad en los productos. 
Por lo que se requieren bastante experiencia para garantizar el flujo apropiado del material en el dado, reducir los defectos internos o externos y mejorar la calidad de la superficie.. 
Problema 1
Un alambre se estira a través de un troquel de estirado con un ángulo de entrada 15º. El diámetro inicial es de 2.5mm y el diámetro final es de 2.0 mm. El coeficiente de fricción en la interfaz trabajo-troquel 0.07. El metal tiene un coeficiente de resistencia K = 205 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación n = 0.20. Determine el esfuerzo de estirado y la fuerza de estirado en esta operación.
Reducción Máxima por Pase
Para alcanzar la reducción deseada en el estirado se precisa más de un paso, y no puede realizarse la disminución entera como en la extrusión.
La razón es que si la reducción se incrementa, también aumentan la fuerza del estirado.
Si la reducción es lo suficientemente grande, la fuerza de estirado excedería la resistencia a la fluencia del material que sale y puede producir rotura.
Reducción Máxima por Pase
Cuando esto pasa, el alambre estirado simplemente se alarga, en lugar de que el nuevo material se comprima a través de la abertura del troquel. 
Para que el estirado del alambre sea exitoso, la fuerza máxima de estirado debe no debe exceder la resistencia del alambre trefilado.
Reducción Máxima por Pase
Una segunda limitación se origina de la posible no uniformidad de deformación.
Al igual que en la extrusión, la profundidad de la zona de compresión quizá no sea suficiente para asegurar la deformación homogénea, causado por los esfuerzos secundarios de tensión. 
Reducción Máxima por Pase
Teóricamente la reducción máxima posible es de 63.2 %.
En el estirado, la reducción de área transversal por pase llega hasta casi 45%.
Por lo general, cuanto más pequeña es la sección transversal inicial, más pequeña será la reducción por pase. 
Es común estirar alambres finos a una reducción de 15% a 25% por pase, y los tamaños mayores, de 20% a 45%
Práctica del Estirado
El estirado se realiza generalmente como una operación de trabajo en frío. 
Se usa más frecuentemente para producir secciones redondas, pero también se pueden estirar secciones cuadradas y de otras formas.
Las velocidades de estirado son tan altas como 50 m/s (10 000 ft/min) para alambre muy fino
Práctica del Estirado
Las ventajas del estirado en estas aplicaciones incluyen: 
Estrecho control dimensional. 
Buen acabado de la superficie.
Propiedades mecánicas mejoradas, como resistencia y dureza. 
Adaptabilidad para producción económica en masa o en lotes.
Materiales para Dados 
Normalmente son aceros de grado de herramientas y carburos de Wolframio.
El estirado en caliente se usan dados de acero fundido por su alta resistencia al desgaste a To elevadas.
Los dados de diamante se emplean para el estirado de alambre fino con diámetros que van de 2 µm a 1.5 mm
Materiales para Dados 
Debido a la falta de resistencia a la tensión y tenacidad, los dados de carburo y de diamante se utilizan comúnmente como insertos o pastillas, que se apoyan en un portainserto de acero.
Banco de Estirado
Preparación del Trabajo
Antes del estirado, el material inicial debe prepararse adecuadamente. Esto involucra tres pasos: 
1) Recocido, con el objeto de incrementar la ductilidad del material para aceptar la deformación durante el estirado. Algunas veces se necesitan pasos de recocido en el estirado continuo. 
Preparación del Trabajo
2) Limpieza, para prevenir daños en la superficie de trabajo y en el troquel de estirado. Esto involucra la remoción de los contaminantes de la superficie (por ejemplo, capas de óxido y corrosión) por medio de baños químicos o limpieza a presión. En algunos casos se pre-lubrica la superficie de trabajo después de la limpieza. 
Preparación del Trabajo
3) Afilado, implica la reducción del diámetro del extremo inicial del material, de manera que pueda insertarse a través del troquel de estirado para iniciar el proceso. Esto se logra generalmente mediante estampado, laminado o torneado. El extremo afilado del material se sujeta a las mordazas de la corredera o a otros dispositivos para iniciar el proceso de estirado.