INTRODUCCIÓN

Los metales, los plásticos y los materiales de cerámicas se transforman en

artículos útiles y productos de consumo por muchos diferentes medios. Los

metales se vacían de maneras diferentes en moldes para producir formas

intrincadas pequeñas o partes para máquinas en producción en serie. Los metales

también se laminan entre rodillos, se conforman en piezas y se martillan en

matrices o se fuerzan a través de dados por extrusión para hacer formas

especiales. Por ejemplo, el hierro y el acero se calientan a temperaturas altas para

poder conformarlos fácilmente por forjado (martillado y comprimido). Aunque la

forja fue en un tiempo una operación para metales en caliente, en la actualidad se

practica el forjado en frío aún con el acero. A temperaturas intermedias se puede

producir un material metalúrgicamente superior para algunos fines.

La extrusión en prensa es un procedimiento de conformación por deformación

plástica, que consiste en moldear un metal, en caliente o frío, por compresión en

un recipiente obturado en un extremo con una matriz o hilera que presenta un

orificio con las dimensiones aproximadas del producto que se desea obtener y por

el otro extremo un disco macizo, llamado disco de presión.

Si el esfuerzo de compresión se transmite al metal por medio del disco de presión

o de la matriz, al proceso de extrusión se le denomina extrusión directa o extrusión

inversa.

DEFINICION

La extrusión es un proceso usado para crear objetos con sección transversal

definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una

sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por

encima de procesos manufacturados es la habilidad para crear secciones

transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos,

porque el material solamente se encuentra fuerzas de compresión y de

cizallamiento. También las piezas finales se forman con una terminación

superficial excelente.

La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida

materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de

extrusión puede hacerse con el material caliente o frío.

Los materiales extruidos comúnmente incluyen metales, polímeros, cerámicas,

hormigón y productos alimenticios.

Fig. 1: Aluminio extruido; perfiles aptos para conectores especiales

Procesos

El proceso comienza mediante el calentamiento del material. Este se carga

posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la

prensa de forma que sea empujado y hacerlo pasar por el troquel. Si son

requerida mejores propiedades entonces este puede ser tratado

mediante calor o trabajado en frio.

El radio de extrusión se define como el área de la sección transversal del material

de partida dividida por el área de sección transversal del material al final de la

extrusión. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es este radio

puede ser muy grande y aún producir piezas de calidad.

Tres elementos básicos de la extrusión

El primer elemento de la línea tiene que cumplir con tres requisitos básicos:

1) continuamente reunir la materia prima en estado sólido y fundido.

2) continuamente fundir la materia prima.

3) homogeneizar la materia prima térmica y físicamente.

La extrusora en general consiste en uno o dos tornillos que rotan dentro de un

barril caliente. Un tornillo constituye el diseño típico para la mayoría de las

aplicaciones mientras que dos tornillos son usados para compuestos y materia

prima en polvo. El diseño del tornillo sigue los requisitos claves del proceso tales

como la tasa de rendimiento, la calidad de la fundición y las materias primas

usadas.

Extrusión en caliente

La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas para evitar el trabajo

forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. La mayoría de

la extrusión en caliente se realiza en prensas hidráulicas horizontales con rango

de 250 a 12,000 t. Rangos de presión de 30 a 700 Mpz (4.400 a 102,000 psi), por

lo que la lubricación es necesaria, puede ser aceite o grafito para bajas

temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusión.

La mayor desventaja de este proceso es el costo de las maquinarias y su

mantenimiento. 

Temperaturas de varios metales en la extrusión en caliente

Material Temperatura [°C (°F)]

Magnesio 350-450 (650-850)

Aluminio 350-500 (650-900)

Cobre 600-1100 (1200-2000)

Acero 1200-1300 (2200-2400)

Titanio 700-1200 (1300-2100)

1000-1200 (1900-2200)

Aleaciones Refractarias Mayores a 2000 (4000)

El proceso de extrusión es generalmente económico cuando son producidos varios

kilogramos (libras) y muchas toneladas, dependiendo de los materiales que han sido

empleados en el proceso. Por ejemplo en algunos aceros se vuelve más económico si se

producen más de 20, 000 kg (50, 000 lb).

Matrices de aluminio para extrusión en caliente

Extrusión en frío

La extrusión fría es hecha a temperatura ambiente o cerca de la temperatura

ambiente. La ventaja de esta sobre la extrusión en caliente es la falta de

oxidación, mayor fortaleza debido al trabajo en frio o tratamiento en frío, estrecha

tolerancia, buen acabado de la superficie, y rápida velocidad de extrusión si el

material es sometido a breves calentamientos.

Materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son: plomo, estaño,

aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio, y acero.

Ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el

extintor de incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre

otros.

Extrusión tibia

La extrusión tibia se hace por encima de la temperatura ambiente, pero por debajo

de la temperatura de recristalización del material en el rango de temperaturas de

800 a 1800 °F (de 424 °C a 975 °C). Este es usualmente usado para lograr el

equilibrio apropiado en las fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de

la extrusión.

La extrusión tibia tiene varias ventajas rentables, comparada con la extrusión fría,

tiene la ventaja en la reducción de la presión que debe ser aplicada al material, y

aumenta la ductilidad del acero. La extrusión tibia, incluso puede eliminar el

tratamiento térmico requerido en la extrusión en frio.

Equipamiento

Existen diferentes variaciones en el equipamiento para la extrusión. Ellos varían

en cuatro características fundamentales:

1. Movimiento de la extrusión con relación al material que será sometido a

extrusión. Si el troquel se sostiene de forma estacionaria el material de

partida se mueve hacia el, entonces se le llama "extrusión directa". Si el

material de partida esta estacionario y el troquel se mueve hacia el material

de partida se llama "extrusión indirecta".

2. La posición de la prensa ya sea vertical u horizontal.

3. Tipo de manejo ya sea hidráulico o mecánico.

4. El tipo de carga aplicada ya sea convencional (variable) o hidráulica.

Existen varios métodos para la formación de cavidades internas en la extrusión.

Una vía es usar una barra hueca y entonces usar un mandril fijo o flotante. El

mandril fijo también conocido como tipo Alemán, integrado dentro el dummy block

y el mango. El mandril flotante, también conocido como tipo francés, flotadores en

las hendeduras en el dummy block se alinean el mismo al troquel cuando ocurre la

extrusión. Si una barra sólida es usada como material entonces esta debe, primero

ser pasada por el mandril, antes de ser extruida por el troquel. Una prensa

especial es usada para controlar el mandril independientemente del material de

partida.1 La barra solida puede incluso ser usada con el troquel araña, troquel

tronera o troquel puente, todos estos tipos de troqueles incorporados al mandril en

el troquel y mantienen el mandril en el lugar. Durante la extrusión el metal se

divide y fluye alrededor de los sostenes, dejando una línea de soldadura en el

producto final.

Extrusión Directa

Extrusión directa también conocida como extrusión delantera, es el proceso más

común de extrusión. Este trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente

reforzado. La barra es empujada a través del troquel por un tornillo. Hay un

dummy block reusable entre el tornillo y la barra para mantener a estos separados.

La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la

barra, es mayor que la necesitada en la extrusión indirecta porque la fuerza

de fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el

contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y

decrece según la barra se va agotando. Al final de la barra la fuerza aumenta

grandemente porque la barra es delgada y el material debe fluir radialmente para

salir del troquel. El final de la barra, llamado tacón final, no es usado por esta

razón.

Gráfico de fuerzas requeridas por varios procesos de extrusión.

Prensa de extrusión directa

Una prensa típica para la extrusión de aleaciones de cobre, sería de alrededor de

5000 ton de capacidad de carga en el émbolo, y consistiría de una pesada placa

de acero recubierta con una aleación de acero resistente al calor. Este podría

acomodar un lingote de 560 mm de diámetro y 1 m de longitud. Ajustado dentro

del contenedor mencionado estaría un émbolo que tenga un diámetro menor que

el barreno interior del contenedor. El propósito de este claro es doble, minimizar la

fricción entre el émbolo y el contenedor y también permitir una calavera de metal

para ser dejada después que el lingote ha sido extruido. La razón para esta

calavera de metal será explicada más adelante. Un cojincillo de presión

precalentado se coloca entre el émbolo y el lingote a fin de prevenir el enfriamiento

de la cola del lingote caliente desde el émbolo. El dado de extrusión está hecho de

acero para herramienta resistente al calor y la forma del orificio junto con el orificio

del soporte o paralelo son cuidadosamente preparados por el herramentero de la

caseta de dados.

Extrusión indirecta

En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el

contenedor se mueven juntos mientras el troquel esta estacionario. El troquel es

sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor.

La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la columna del

soporte. Al moverse la barra con el contenedor la fricción es eliminada.6

Ventajas:

Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la extrusión de

largas barras.

Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o quebrarse

porque no hay calor formado por la fricción.

El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso.

La barra es usada mas uniformemente tal que los defectos de la extrusión y las

zonas periféricas áspera o granulares son menos probables.

Desventajas

Impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la

extrusión. Para poner a punto la barra esta debe ser limpiada con un cepillo de

alambres o pulida antes de ser usada.

Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la

sección transversal es limitada por el máximo tamaño del tallo.

Extrusión hidrostática

En la extrusión hidrostática la barra es completamente rodeada por un líquido a presión,

excepto donde la barra hace contacto con el troquel. Este proceso puede ser hecho

caliente, tibio o frio, de cualquier modo la temperatura es limitada por la estabilidad del

fluido usado. El fluido puede ser presurizado por dos vías

Razón de extrusión constante: el émbolo es usado para presurizar el fluido dentro del

contenedor.

1. Razón de extrusión constante: una bomba es usada, posiblemente con un

intensificador de presión, para presurizar el fluido, el cual es bombeado al

contenedor.

Las ventajas de este proceso incluyen:

No fricción entre el contenedor y la barra, reduciendo la fuerza requerida. Esta

finalmente permite mayores velocidades, proporciones de la reducción más altas y

menores temperaturas de la barra.

Usualmente la ductilidad del material disminuye cuando altas presiones son aplicadas.

Largas barras y largas secciones transversales pueden ser extruidas.

Desventajas:

Las barras deben ser preparadas, adelgazado un extremo para que coincida con el

ángulo de entrada del troquel. esto es necesario para formar un sello al principio del ciclo.

Usualmente las barras enteras necesitan ser pulidas para quitarles cualquier defecto de la

superficie.

Contener el fluido en altas presiones puede ser dificultoso.

Empuje

Muchas de las prensas modernas de extrusión directa como indirecta usan empuje

hidráulico, pero hay pequeñas prensas mecánicas que aun se usan. De las prensas

hidráulicas hay dos tipos: prensa empuje-directo de aceite y empuje- acumulador de agua.

Prensa de empuje-directo de aceite son las más comunes porque son fiables y robustas.

Estas pueden producir sobre 5000 psi (34.5 MPa). Suple una presión constante a lo largo

de toda la barra. La desventaja es que son lentas, entre 2 y 8 ips (51 a 203 mm/s).

Empuje por acumulador de agua son más caras y más grandes que la prensa de empuje

directo de aceite, esta pierde sobre el 10% de su presión sobre el golpe, pero son más

rápidas, sobre los 15 ips (381 mm/s). Por esto son usadas en la extrusión del acero.

También son usadas en materiales que tienen que ser calentados a altas temperaturas

por razones de seguridad.

Las prensas de extrusión hidrostática usualmente usan aceite ricino con presiones por

encima de 200 ksi (1380 MPa). El aceite de ricino es usado por su buena lubricidad y su

alta propiedad de presión.

Defectos de extrusión

Quebradura de superficie - cuando hay grietas en la superficie de extrusión. Esto se

debe a la temperatura de extrusión, fricción, o velocidad muy alta. Esto puede pasar

también a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se pega al troquel.

Defecto de tubo - Se crea una estructura de flujo que arrastra los óxidos de la

superficie y las impurezas al centro del producto. Tales patrones que son

frecuentemente causados por altas fricciones o enfriamiento de la parte externa de la

barra.

El agrietamiento interior o defecto Chevron se produce cuando el centro de la

expulsión desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensión

hidrostática en la línea central en la zona de deformación en el troquel. Aumenta al

aumentar el ángulo de la matriz y la concentración de impurezas, y disminuye al

aumentar la relación de extrusión y la fricción.

Diseño de ejemplo:

Las pautas siguientes deben seguirse para producir una extrusión de

calidad. El tamaño máximo para una extrusión es determinado por el círculo

más pequeño que encajará alrededor de la sección transversal (llamado

círculo circunscripto). Este diámetro, a su vez controla el tamaño del troquel

requerido, qué finalmente determina si la parte encajará en la prensa. Por

ejemplo, una prensa más grande puede manipular círculos circunscritos de

6 dm (25") de diámetro para el aluminio y 55 cm (22") del diámetro para

acero y titanio.

Las secciones más espesas generalmente necesitan un tamaño de la

sección aumentado. Para que el material fluya apropiadamente el soporte

no debe ser mayor que 10 veces su espesor. Si la sección transversal es

asimétricas, la sección adyacentes deben de tener tamaño lo más iguales

posible. Deben evitarse las esquinas afiladas; para aluminio y magnesio el

radio mínimo debe ser 0,4 mm (1/64") y para las esquinas de acero debe

ser 0,75 mm (0.030") y los ángulos deben ser 3 mm (0.125"). La siguiente

tabla lista la sección transversal mínima y espesor para los varios

materiales.

MaterialesSección transversal mínima

[cm² (sq. in.)]Espesor mínimo [mm

(pulg.)]

Aceros de carbono

2.5 (0.40) 3.00 (0.120)

Acero inoxidable

3.0-4.5 (0.45-0.70) 3.00-4.75 (0.120-0.187)

Titanio 3.0 (0.50) 3.80 (0.150)

Aluminio <2.5 (0.40) 1.00 (0.040)

Magnesio <2.5 (0.40) 1.00 (0.040)

DADOS DE EXTRUSION

Los dados de extrusión están hechos de acero de alta velocidad para herramienta

y son componentes muy importantes en el proceso de extrusión. Como el material

del dado es demasiado caro, a menudo es hecho en forma de un disco delgado de

diámetro mucho más pequeño que el lingote soportado por un dado de refuerzo.

El orificio del dado controla la forma del metal extruido. 

Si la abertura del dado consta de un barreno circular y paralelo, es decir, la

longitud del soporte es igual al espesor del dado, la extrusión será una varilla

circular que requiere una fuerza considerable para estirarla y tiene una pobre

superficie de acabado. La superficie de acabado puede mejorarse y disminuir la

carga, aumentando el diámetro del barreno en el extremo de descarga.

(a) Dado, (b) Resultado de la extrusión

En caso de formas complejas, tales como la que se muestra en la Fig.(a), se

encontrará que un barreno completamente paralelo, resultará en la producción de

una forma como la Fig. (b). Esto es porque la resistencia a fluir a través del área

sombreada del dado, es mucho mayor que a través del residuo.

Dado hecho con abertura adicional para balancear el flujo,

cuando se extruye una sección de forma asimétrica.

Un dado múltiple de extrusión puede usarse cuando la carga de extrusión es

excesiva para una sola área pequeña de extrusión. Un número dado de secciones

que pueden ser idénticas o de diferentes formas, pueden extruirse al mismo

tiempo, cortando varios orificios como en la Fig. 9. Se acostumbra disponer de

orificios idénticos, ya que de otra manera puede surgir el problema del balanceo

del flujo.

Dado de extrusión para producción múltiple de barras.

CONCLUSIONES

La extrusión presenta ventajas por encima de otros procesos de

manufactura: la habilidad para crear secciones transversales muy

complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos, porque el

material solamente se encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento.

También las piezas finales se forman con una terminación superficial

excelente.

El proceso de extrusión debe cumplir con tres pasos: continuamente reunir la

materia prima en estado sólido y fundido, continuamente fundir la materia prima y

homogeneizar la materia prima térmica y físicamente.

Extrusión directa también conocida como extrusión delantera, es el proceso

más común de extrusión. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza

requerida en la extrusión de la barra, es mayor que la necesitada en la

extrusión indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad

de la barra de recorrer completamente el contenedor.

BIBLIOGRAFIA

1. ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México, 1998.

2. Anderson, J.C. y otros, “Ciencia de los Materiales”, Limusa Editores, México, 1998.

Referencias Electrónicas:

http://isa.umh.es/isa/es/asignaturas/tftm/procesodeextrusion.pdf http://academic.uprm.edu/lrosario/page/extrusion.htm