EXTRUSIÓNEXTRUSIÓN y y

TREFILADOTREFILADO

EXTRUSIÓN

La extrusión es un proceso mediante el cual un bloque metálico se reduce de sección transversal al ser forzado a pasar a través de un dado o matriz agujereada por la aplicación de una presión elevada

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

La Herramienta La Herramienta

El Dado de ExtrusiónEl Dado de Extrusión

•Barras cilíndricas o tubos,

•Formas de sección transversal irregular a partir de metales más fácilmente extruibles como el aluminio.

•Sección transversal constante.

•Proceso intermitente o semi-continuo.

GeneralidadesGeneralidades

EXTRUSIÓN

a. Rieles para puertas corredizas.

b. Tubos de distintos Perfiles transversales, Perfiles estructurales y arquitectónicos y Marcos para puertas y ventanas

c. Soportes, engranajes y perchas

EXTRUSIÓN

Extrusión en calienteExtrusión en caliente

Debido a las fuerzas elevadas requeridas en la extrusión, la mayoría de los metales son extruidos en calienteextruidos en caliente, condiciones donde la resistencia a la deformación del metal es baja, aumenta la ductilidad y permite mayores reducciones de tamaño y el logro de formas más complejas.

EXTRUSIÓN

Ventajas adicionalesVentajas adicionales

Reducción de la fuerza del punzón, mayor velocidad del mismo.

DesventajasDesventajas

Desgaste del dado puede ser excesivo.

La lubricación es un aspecto crítico de la extrusión en caliente de ciertos metales (por ejemplo el acero), y se han desarrollado lubricantes especiales que son efectivos bajos las condiciones agresivas. Algunas veces se usa el vidrio como lubricante ya que además de reducir la fricción proporciona aislamiento térmico efectivo entre el tocho y el recipiente de extrusión.

EXTRUSIÓN

MaterialMaterial Temperatura (Temperatura (ooC)C)

Plomo 200-250

Aluminio y sus aleaciones

375-475

Cobre y sus aleaciones

650-975

Aceros 875-1300

Aleaciones refractarias

975-2200

EXTRUSIÓN

Procesos de extrusiónProcesos de extrusión

Los diferentes procesos comunes a través de los cuales una barra o alambre pueden ser reducidos haciéndolos fluir por un dado convergente son la

extrusión directaextrusión directa, , extrusión indirectaextrusión indirecta, , extrusión hidrostáticaextrusión hidrostática y y extrusión por extrusión por impactoimpacto.

Todos estos procesos pueden ser clasificados

como procesos de compresión indirecta en el que el principal esfuerzo de conformado se

deriva de los esfuerzos compresivosesfuerzos compresivos como resultado de la como resultado de la tensión directatensión directa o o cargas compresivascargas compresivas

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

Extrusión directaExtrusión directa

En el proceso básico de extrusión, llamado extrusión directa, una palanquilla cilíndrica se coloca en una cámara (recipiente) y es forzada a pasar a través de la abertura de una matriz mediante un pistón hidráulico que la comprime

La abertura del dado puede ser circular o tener otras formas. Al aproximarse el punzón al dado, una pequeña porción del tocho permanece y no puede forzarse a través de la abertura del dado. Esta porción extra es llamada tope o cabeza y se separa del producto, cortándola justamente después de la salida del dado.

EXTRUSIÓN

Un problema en la extrusión problema en la extrusión directadirecta es la gran fricción que existe entre la superficie del trabajo y la pared del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado. Esta fricción ocasiona un aumento sustancial de la fuerza requerida en el punzón para la extrusión directa.

En la extrusión en caliente este problema se agrava por la presencia de una capa de óxido en la superficie del tocho que puede ocasionar defectos en los productos extruidos. Para resolver este problema se usa un bloque falso entre el punzón y el tocho de trabajo, el diámetro del bloque es ligeramente menor que el diámetro del tocho, de manera que en el recipiente quede un anillo de metal de trabajo (capas de óxido en su mayoría), dejando el producto final libre de óxidos.

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Extrusión indirectaExtrusión indirecta

En la extrusión indirecta el dado se mueve hacia la palanquilla y ésta fluye en sentido opuesto a la primera. Como el tocho no se mueve con respecto al recipiente, no hay fricción en las paredes del recipiente. Por consiguiente, la fuerza del punzón es menor que en la extrusión directa. Las limitaciones de la extrusión indirecta son las impuestas por la menor rigidez del punzón hueco y la dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado.

EXTRUSIÓN

Extrusión por impactoExtrusión por impactoLa extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta;

con frecuencia se incluye en la categoría de la extrusión en frío. El punzón desciende rápidamente sobre la pieza que se extruye hacia atrás. Debido a la constancia de volumen, el espesor de la sección tubular extruida es función de la holgura entre el punzón y la cavidad del dado o la matriz. Algunos productos característicos que se fabrican con este proceso son por ejemplo, la extrusión en frío de tubos colapsables como los de la crema dental se ilustran en la Fig.

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

Extrusión hidrostáticaExtrusión hidrostática

En la extrusión hidrostática la palanquilla tiene menor diámetro que la cámara, que se llena con un fluido y la presión se transmite a la palanquilla mediante una prensa. A diferencia de la extrusión directa, no hay fricción que superar a lo largo de las paredes del recipiente. La presión necesaria para la extrusión se suministra a través de un fluido incompresible que rodea a la palanquilla. En consecuencia no hay fricción entre la cámara y la pared. Las presiones suelen ser del orden de 1400 MPa. La alta presión en la cámara transmite algo de fluido a las superficies de la matriz, donde se reduce en forma apreciable la presión y las fuerzas. Con este método se pueden extruir bien los materiales frágiles, porque la presión hidrostática hace aumentar la ductilidad del material.

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

Equipos para la extrusiónEquipos para la extrusión

Las prensas de extrusión pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de la orientación de los ejes de trabajo. Las tipos horizontales son las más comunes. Las prensas de extrusión son normalmente accionadas por fuerza hidráulica (120MN o 14000 Ton), la cual es especialmente apropiada para la producción semicontinua de secciones largas, como en la extrusión directa. Frecuentemente se usa la impulsión mecánica para la extrusión en frío de partes individuales, tales como la extrusión por impacto.

EXTRUSIÓN

Defectos de extrusiónDefectos de extrusión

De acuerdo con la condición del material y las variables del proceso, los productos extruidos pueden desarrollar varios defectos que pueden afectar en forma apreciable su resistencia y su calidad. Algunos defectos son visibles a ojo; otros sólo se pueden descubrir con las técnicas de ensayos no destructivos. Hay tres defectos de extrusión principales:

agrietamiento de la superficie, agrietamiento de la superficie, tubos y agrietamiento interno.tubos y agrietamiento interno.

EXTRUSIÓN

Agrietamiento de la superficie.Agrietamiento de la superficie.

Si la temperatura de extrusión, la fricción o la velocidad son demasiado altas, la temperatura en la superficie se incrementan significativamente y esta condición puede causar el agrietamiento o desgarre de la superficie. Estas grietas son intergranulares y tienen su origen en una deficiencia de la ductilidad en caliente, presentándose especialmente en aleaciones de aluminio, magnesio y zinc, aunque también pueden presentarse en aleaciones para alta temperatura (aleaciones de molibdeno).

EXTRUSIÓN

Defecto de extrusión:Defecto de extrusión:

Tal como se señaló anteriormente, el patrón de flujo tiende a arrastrar los óxidos superficiales e impurezas hacia el centro del tocho en la forma de un embudo.

Este defecto puede reducir modificando el patrón de flujo a uno que sea más homogéneo, por ejemplo mediante un mayor control de la fricción y la minimización de los gradientes de temperatura.

EXTRUSIÓN

Agrietamiento interno:Agrietamiento interno:

El centro de un producto extruido puede desarrollar grietas de la manera ilustrada en las cuales son atribuidas a un estado hidrostático de esfuerzos de tracción que se desarrolla en la línea central de la zona de deformación en la matriz. Los estudios realizados indican que las variables más importantes que afectan la tracción hidrostática son: el ángulo de la matriz, magnitud de la reducción de la sección transversal de la pieza y la fricción

EXTRUSIÓN

Variables principales que influyen Variables principales que influyen en el proceso de extrusiónen el proceso de extrusiónLas principales variables que influyen en la fuerza requerida para causar la extrusión son:

(a) El tipo de extrusión (directa o indirecta)(b) La relación de extrusión (c) El ángulo del dado (d) La temperatura de trabajo (e) La velocidad de deformación

(f) Las condiciones friccionales en el dado y la pared del contenedor

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN

TREFILACIÓN

•Generalidades del proceso de trefilación•Equipos de trefilación•Partes del dado para trefilación •Variables del proceso de trefilación•Defectos y problemas en el proceso

TREFILACIÓNGeneralidades del proceso de trefilaciónGeneralidades del proceso de trefilación

Dado de trefilación

Esfuerzo de trefilación

En el proceso de trefilación la sección transversal de una barra o alambre se reduce o cambia al ser halada a través de un dado cónico por medio de una fuerza de tensión aplicada sobre el material que se ubica a la salida del dado (Fig. 1). Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en la trefilación, la compresión también juega un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del dado.

TREFILACIÓNGeneralidades del proceso de trefilaciónGeneralidades del proceso de trefilación

Las principales variables en la trefilación se parecen a las de la extrusión:

reducción de área transversal, ángulo del dado, fricción a lo largo de la intercara dado-pieza de trabajo y velocidad de trefilación. El ángulo del dado influye sobre la fuerza de trefilación y la calidad del producto.

TREFILACIÓNGeneralidades del proceso de trefilaciónGeneralidades del proceso de trefilación

Angulo Optimo: Se definirá como el valor de para el cual la fuerza es mínima

Una observación: Cantidad de reducción de área posible por pase, esta definida como un valor máximo teórico

Fricción y Deformación no Homogénea

Endurecimiento por deformación

TREFILACIÓNEquipos de trefilaciónEquipos de trefilación

La trefilación de barras que no pueden ser embobinadas ( 20 mm), se lleva a cabo en una máquina llamada banco de trefilación que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado (que contiene el dado de trefilación, la corredera y la armazón de salida).

TREFILACIÓNEquipos de trefilaciónEquipos de trefilación

TREFILACIÓNEquipos de trefilaciónEquipos de trefilación

La trefilación del alambre, típicamente se hace en máquinas continuas que contienen múltiples dados de trefilación, generalmente entre 4 y 12 dados, separados por tambores de acumulación entre los dados como se ilustra en la Fig 3.

TREFILACIÓNEquipos de trefilaciónEquipos de trefilación

un diseño más económico emplea un motor eléctrico simple que maneja una serie de cilindros escalonados (Fig. 4). El diámetro de cada cilindro es tal que produce una velocidad periférica equivalente para un cierto tamaño de reducción.

TREFILACIÓNPartes del dado para trefilaciónPartes del dado para trefilación

Campana

Superficie de apoyo

Región de alivio

Caja de acero

Inserto de WC

Zona de deformación

TREFILACIÓNPartes del dado para trefilaciónPartes del dado para trefilación

1. La entrada al dado o campana presenta una geometría tal que permite ingresar, en conjunto, al alambre y al lubricante a la zona de deformación.

2. La región de apoyo no causa reducción, tiene como principal función remover la superficie dañada debido al posible desgaste del dado y además ajustar el diámetro definitivo del producto.

3. Finalmente, la región de alivio permite que el metal se expanda ligeramente a medida que el alambre sale del dado. Éste también minimiza la posibilidad de que la abrasión tome lugar si el proceso de trefilación se interrumpe o si el dado está fuera de alineación.

TREFILACIÓNVariables del proceso de trefilaciónVariables del proceso de trefilación

•Trabajo Ideal para la deformación

•Fricción, Trabajo Redundante y Eficiencia Mecánica •Determinación de la carga de trefilación a partir de la evaluación local del esfuerzo •Efecto del trabajo redundante sobre la carga de trefilación

•Reducción máxima por trefilación

TREFILACIÓNDefectos y problemas en el procesoDefectos y problemas en el proceso

Los defectos en los alambres que han sido trefilados son parecidos a los que se observan en la extrusión, en especial el agrietamiento central. Otra clase de defectos es el de traslapes (seams) que son rayaduras o pliegues longitudinales del material.

TREFILACIÓNDefectos y problemas en el procesoDefectos y problemas en el proceso

El procesamiento bajo condiciones elevadas de puede producir en la zona de deformación un estado hidrostático de tensión elevado cerca de la línea central generando daño interno en la forma de

porosidad microscópica

Trabajo ideal para la deformación

df

fd

ffh lA

lA

lA

lF

lA

W

V

WU

En este análisis el Trabajo externo es igual a la energía consumida en la deformación de la pieza que se conforma.

•Se asume Trabajo Ideal

•Se ignoran los efectos de Fricción y deformación no homogénea

0A fA

l

fd AF

0

Trabajo ideal para la deformación

Estableciendo algunas semejanzas entre el conformado de un alambre en forma axisimétrica con un ensayo de tracción

Aquí el trabajo por unidad de volumen requerido, estará dado por el área bajo la curva esfuerzo deformación real dentro de los limites de deformación alcanzados durante el ensayo.

0dU h

donde

A

A0ln

En este sentido podríamos observar dos tipos de comportamiento

1. El material no experimenta endurecimiento por deformación

2. El material se endurece por deformación y dicho comportamiento obedece por ejemplo a una ley tipo potencia

RYU mh ln

1

1

n

KU

n

h

Trabajo ideal para la deformación

RYU mh ln1

1

n

KU

n

h

En ocasiones, un esfuerzo de fluencia promedio, Ym se emplea sobre un intervalo de deformaciones homogéneas implicando esto que

mmh YRYU ln Igualando ambas expresiones

111

1

nn

K

n

KY

nn

m

Fricción, Trabajo redundante y Eficiencia Mecánica

Ahora bien, indistintamente del desarrollo anterior, se sabe que la energía requerida para deformar realmente el material, involucra dos factores adicionales, uno es la energía requerida para superar la fricción ( Uf ), en la intercara pieza de trabajo-Dado, y la otra es el Trabajo Redundante ( Ur), que es la deformación cortante que acumula el material sin que ello contribuya al cambio de forma, y estará asociada a la distorsión que experimentan planos horizontales en la sección transversal de la pieza

Por lo tanto la energía especifica total o el trabajo real (UT) se puede expresar como la suma de tres términos

rfhT UUUU Es importante destacar aquí, que dos de estas tres magnitudes (Uf y Ur) son altamente dependientes del ángulo o geometría del dado, lo cual en la practica hace complicado separar la contribución de estas cantidades

Fricción, Trabajo redundante y Eficiencia Mecánica

Lo anteriormente expuesto sugiere la inclusión del concepto de eficiencia mecánica, en términos de

T

h

U

U

Empleando el factor de eficiencia mecánica, el trabajo total se podría escribir como

hT

UdU

1

Fricción, Trabajo redundante y Eficiencia Mecánica

hT

UdU

1

De igual forma aquí se tendrán que aceptar dos puntos de vista relacionados con la ocurrencia o no de endurecimiento por deformación

RU

dU ahT

ln1

1

n

KUU

nh

T

Sin endurecimiento por deformación

Con endurecimiento por deformación

Determinación de la carga de Trefilación a partir de la evaluación local del esfuerzo

A partir del análisis sobre un elemento de volumen ubicado dentro de la zona de trabajo, y considerando fundamentalmente tres componentes de fuerzas que actúan en dicho elemento se tiene

Debido al cambio del esfuerzo longitudinal

22

44DdDDd xxx

Debido a la presión

sincos

dxDp

Debido a la fricción

coscos

dxDp

Determinación de la carga de Trefilación a partir de la evaluación local del esfuerzo

Bajo condiciones de trefilacion en estado estacionario, estas fuerzas se deben mantener en equilibrio. Así ignorando los productos infinitesimales e igualando a 0 se tiene que

0cot12 dDpDd xx

Por otra parte el equilibrio en la dirección radial

sincos

coscos

dxDP

dxDPDdxr

tan1 Pr

Determinación de la carga de Trefilación a partir de la evaluación local del esfuerzo

Luego como los ángulos del dado son pequeños la dirección de P es prácticamente normal al eje x, por lo que podemos asumir que P y x son esfuerzos principales, por lo tanto ambos criterios tanto el de Tresca con el de Von Mises deben conducir a la misma expresión

mx YP

Sustituyendo en la ecuación general y llamando 1-tan = B

D

dD

BYB

xd

x

21

Integrando

Bx cDBYB 21

Donde C es una constante de integración

Trabajo Redundante

Es posible considerar el efecto del trabajo redundante a traves de la definición del factor de trabajo redundante el cual esta definido como

*

, rf

Una forma analítica de calcular en factor de trabajo redundante es a través del concepto de la geometría de la zona deformada

221

11 rr

Siendo su relación con

4,48,0

Deformación máxima por pase de trafilacion

Basta con igualar los valores de esfuerzos obtenidos a través de la curva plástica del material por ejemplo la ley de Hollomon con el valor del esfuerzo de trefilacion obtenido a través de la expresión de trabajo para establecer cual es el valor máximo de deformación admitido por pasada

n 1max

Por ejemplo para un material que cumpla con la ley de endurecimiento por deformación de Hollomon seria