Extrusion Aluminio

TECNOLOGÍA MECANICA I Página 1 de 20

TECNOLOGÍA MECANICA I

LA EXTRUSION DE ALUMINIO

CURSO 2003-2004

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LA EXTRUSION DE ALUMINIO INTRODUCCION La extrusión permite obtener formas muy diversas con tamaños que pueden ser circunscritos en círculos de hasta 750 mm de diámetro. Evidentemente este es un valor orientativo que dependerá de las instalaciones del fabricante. No obstante, como se verá más adelante, es frecuente obtener formas de gran tamaño combinando las piezas entre si mediante clipajes, que son diseñados en los perfiles de las piezas a fabricar. Como las formas que se pueden obtener son de gran complejidad, se pueden crear diseños realmente competitivos frente a otros procesos de fabricación. El objetivo de este trabajo es proporcionar una visión de la extrusión en cuanto al diseño de las piezas a obtener, dejando la descripción del proceso fuera de este trabajo. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL ALUMINIO Las propiedades más generales del aluminio son las siguientes: -

Baja densidad. Alrededor de 2700 kg/m3, es aproximadamente el 35% de la densidad del hierro, y un 30% de la del cobre.

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Un amplio rango de resistencias. Aunque el aluminio puro no tiene una buena resistencia mecánica se pueden obtener un amplio número de aleaciones de elevada resistencia mecánica. Su única limitación es el trabajo a elevadas temperaturas, ya que el aluminio pierde sus propiedades mecánicas rápidamente con la temperatura.

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Buena resistencia a la corrosión. Aunque el aluminio es un metal con un alto potencial de oxidación, al formarse la capa de óxido se produce una pasivación de la superficie debido a que esta capa de óxido se queda fuertemente adherida a la superficie y es muy poco porosa, lo que hace que la oxidación no pueda progresar. Es por esto que el aluminio es un excelente metal para usaren ambientes corrosivos.

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Alta conductividad eléctrica.

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Alta conductividad térmica.

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No magnético y resistente al fuego.

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Fácil de fabricar. Las piezas de aluminio pueden ser fabricadas por cualquier método posible, laminación, estampación, forja, entre otros y por supuesto extrusión.

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Buena aptitud para el mecanizado.

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Buen acabado final. En muchas ocasiones el aluminio no necesita recubrimientos de protección para muchas aplicaciones. Basta con un pulido, lijado o granallado para cumplir las necesidades. Sin embargo se pueden conseguir otros muchos acabados, tales como anodizados, lacados, fosfatados, cromatados, etc..

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Buena capacidad de unión. Casi tos los métodos de unión son aplicables al aluminio: remachado, soldadura o soldadura blanda, aunque estos últimos con limitaciones. También se puede hablar de unión por adhesivos químicos, muy usado en las industrias de aviación y automoción.

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Capacidad de reclicado. El aluminio es muy adecuado para reciclar. En el mundo alrededor del 30% del aluminio usado es reciclado.

CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Una primera clasificación se puede hacer atendiendo a su carácter de aleaciones tratables o no tratables térmicamente. Dentro de las aleaciones no tratables se encuentran principalmente las series 1000, 3000, 4000 y 5000.ya que estas aleaciones pueden ser endurecidas por deformación, la resistencia es conseguida de esta forma, adoptando todas ellas la denominación H. Para ser endurecidas por deformación contienen manganeso, silicio, hierro y magnesio, solos o combinados entre si. Dentro de las aleaciones tratables se encuentran principalmente las series 2000, 6000 y 7000. Estos grupos contienen principalmente cobre, magnesio, cinc, sílice y litio. La resistencia se obtiene por tratamientos térmicos. La norma ANSI H35.1 designa las diferentes aleaciones de aluminio agrupando en series, como sigue: -

Series 1000. Se corresponden al aluminio puro o con una pureza superior al 99%. Sus campos de aplicación fundamentales se centran en la industria eléctrica y química.

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Series 2000. el principal elemento de la aleación es el cobre. Para obtener las propiedades mecánicas óptimas necesitan ser tratados térmicamente. Con estas aleaciones se pueden obtener excelentes resistencias mecánicas.

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Series 3000. el mayor elemento de la aleación es el manganeso. No son tratables térmicamente, pero si endurecibles por deformación en frío.

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Series 4000. El silicio es el componente predominante añadido. La mayoría de estas aleaciones no son tratables térmicamente. El silicio en grandes cantidades produce una capa anódica negra, de poca adherencia y de estética pobre, es por eso que su uso con fines arquitectónicos o estéticos es más bien limitado.

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Series 5000. El elemento principal el el magnesio. Cuando es usado aislado o con manganeso, se obtienen aleaciones con resistencia moderada sin ser tratables térmicamente. Las aleaciones de esta serie poseen buenas aptitudes para la soldadura y buena resistencia a la corrosión en ambientes marinos. Tiene una importante limitación de temperatura de trabajo a 66º C para evitar corrosión intergranular.

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Series 6000. las aleaciones de este grupo contienen silicio y magnesio en condiciones apropiadas para hacerlas tratables térmicamente.

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Series 7000. el cinc es el componente añadido mayoritario. Con pequeñas cantidades de magnesio producen aleaciones tratables térmicamente de alta resistencia mecánica.

A continuación se describirán los posibles tratamientos que son aplicados industrialmente a las aleaciones de aluminio. F: SEGUN FABRICADO. Es aplicado a la obtención de formas en que no es designado ningún tratamiento térmico ni de endurecimiento por deformación. O: RECOCIDO. Aplica a productos en bruto que son recocidos para obtener una baja resistencia, pero una buena ductilidad y estabilidad dimensional. Para indicar características especiales se añadirá un dígito a la “O” distinto de 0. H: ENDURECIDO POR DEFORMACIÓN (Sólo productos en bruto). Aplica a aquellos productos en que su resistencia es incrementada por deformación en frío, con o sin tratamientos térmicos complementarios para producir alguna reducción en la resistencia. Se puede añadir un dígito a la letra con el siguiente significado: H1: endurecido por deformación solamente. H2: endurecido por deformación y parcialmente recocido.

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TECNOLOGÍA MECANICA I Página 5 de 20 H3: endurecido por deformación y estabilizado. El estabilizado se refiere a un tratamiento térmico a baja temperatura que apenas reduce la resistencia atracción pero si mejora apreciablemente la ductilidad de la pieza. H4: endurecidos por deformación y sujetos a un recocido parcial mientras se pintan o lacan. Si se añade un dígito a este último indicará el grado de endurecimiento por deformación. W: SOLUCION TRATADA TÉRMICAMENTE. Es un tratamiento inestable que aplica solo a aleaciones que son maduradas espontáneamente a temperatura ambiente, después de ser tratada térmicamente. Esta designación es específica solo cuando el periodo de maduración natural es indicado. T: TÉRMICAMENTE TRATADA ESTABLES DIFERENTES A F,O,H.

PARA

PRODUCIR

TRATAMIENTOS

La t es seguida de uno o más dígitos. T1: enfriado desde una temperatura elevada y madurada naturalmente. T2: enfriada desde una temperatura elevada, trabajada en frío y maduración natural. T3: solución tratada térmicamente, deformada en frío y maduración natural. T4: solución tratada térmicamente y maduración natural. T5: enfriamiento desde alta temperatura y maduración artificial. T6: solución tratada térmicamente y maduración artificial. T7: solución tratada térmicamente y estabilizada. T8: solución trata térmicamente, trabajada en frío y madurada artificialmente. T9: solución tratada térmicamente, madurada artificialmente y después deformada en frío. T10: enfriamiento desde alta temperatura, trabajada en frío y después madurada artificialmente.

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PARÁMETROS DE DISEÑO Se podrían tener en cuenta principalmente 5 factores a la hora de ejecutar los diseños de perfiles de extrusión: • • • • •

Forma. Tolerancias. Acabado. Aleación. Tamaño.

El reconocimiento de estos factores antes de acometer el diseño del perfil de extrusión es importante para tener una visión de la forma y costo de la matriz, materiales usar, tolerancias que pueden ser conseguidas. Y acabado final. 1.- Forma. Una de las ventajas de la extrusión es que las matrices son de bajo coste, comparadas con el precio de otros procesos de fabricación, con lo que a la hora del diseño se pueden ejecutar varias matrices con el fin de abordar la mejor solución posible. No obstante con el fin de disminuir costes se puede hacer uso de herramientas informáticas que puedan ayudar a mejorar las prestaciones requeridas. El perfil de extrusión puede ser diseñado para facilitar el ensamblaje de piezas, mejorar apariencia del producto, reducir o eliminar conformados o soldaduras, y lograr otros muchos propósitos requeridos por la funcionalidad de las piezas. Las formas de perfiles extruidos son descritas en 3 categorías generales: A) Sólidos. B) Semihueco. C) Hueco. Las matrices para producir perfiles sólidos son las de menor complejidad. La diferencia entre perfiles semihuecos y sólidos puede no ser obvia en primera instancia. Para describir cada uno de estos grupos lo haremos de forma inversa a como se han expuesto. 1.A.-Formas huecas. Un perfil hueco es una forma extruida que en alguna parte de su sección encierra una forma vacía. El hueco puede tener cualquier forma y el perfil completo puede incluir una gran variedad de otras formas.

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Es común, además, subdividir este grupo en tres clases:

A.1. Forma hueca clase 1: Está definida por las siguientes características: -. Su vacío interior es redondo. -. El diámetro del hueco es mayor de 25 mm. -. Es simétrico, al menos, respecto a dos ejes perpendiculares.

A.2. Forma hueca clase 2: Características: -. No es clase 1, su hueco interior no es redondo o es menor de 25 mm. -. Tiene un único hueco interior de diámetro superior a 10 mm en diámetro, o 70 mm2 de área. -. El perfil entero está inscrito en un círculo de diámetro menor de 125 mm. A.3. Forma hueca clase 3: Se engloba en este grupo cualquier perfil hueco que no pertenezca a las clases 1 y 2. Por ejemplo aquellos que tienen más de 1 hueco.

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1.B.- Perfiles semihuecos. Es un tipo de perfil que encierra parcialmente a un hueco, por ejemplo un círculo o un rectángulo con una pequeña apertura en un lado. Pero un perfil sólido también puede encerrar un hueco parcialmente. Para diferenciar ambos perfiles se acude a una definición matemática, en la que se compara el área del hueco parcialmente encerrado con el tamaño de la apertura. Si este valor es mayor que un determinado valor, se considera el perfil semihueco, en caso contrario será sólido. Area del hueco (mm2) / (Hueco)2 (mm) = Parámetro Se exponen a continuación unos ejemplos:

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En los ejemplos anteriores se usa como área del hueco D y apertura B,o huecos C y D y apertura A, el valor que de un parámetro mayor de los dos. El valor del parámetro se obtiene de la siguiente tabla:

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Ancho de apertura (mm)

Clase 1 Aleaciones Aleaciones Grupo B Grupo A

Clase 2 Aleaciones Aleaciones Grupo A Grupo B

PARAMETRO

1 – 1,6

2,0

1,5

2,0

1,0

1,6 – 3,1

3,0

2,0

2,5

1,5

3,1 – 6,3

3,5

2,5

3,0

2,0

6,3 – 12,7

4,0

3,0

3,5

2,5

12,7 – 25,4

4,0

3,5

3,5

2,5

25,4 – 50,8

3,5

3,0

3,0

2,0

> 50,8

3,0

2,5

3,0

2,0

Aleaciones grupo A: 1060, 1100, 1350, 3003, 5454, 6061, 6063 Aleaciones grupo B: 2011, 2014, 2024, 5083, 5086, 5456, 7050, 7075 Además las secciones semihuecas Clase 1 y Clase 2 se describen a continuación:

B.1.- Clase 1: Es simétrica respecto la línea central del hueco (o huecos, si hay más de uno que encierran un hueco parcial)

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B.2.- Clase 2: No es simétrica respecto a la línea central del hueco, bien geométricamente o en espesores.

1.C.- Perfiles sólidos. Son aquellos perfiles que no son ni huecos ni semihuecos.

Esta clasificación de los perfiles es importante, ya que las matrices aumentan su complejidad y coste en función del orden de la clasificación adoptada. También este orden tiene una influencia directa en la vida de la matriz.

2.- Tolerancias. En muchas ocasiones los perfiles de extrusión forman parte de ensamblajes que precisan de tolerancias críticas. Los principales factores a tener en cuenta son los siguientes:

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espesor de pared, tipo de perfil: sólido, hueco o semihueco, aleación usada.

Tolerancias angulares: pueden variar entre ±1º a ±2º, dependiendo de la dimensión. Planitud: la tolerancia de planitud puede llegar a ser de 0,5 mm por cada 100 mm de anchura del perfil (lado mayor). Tolerancia de torsión: puede especificarse 0,5º por cada 300 mm de longitud del perfil. Rectitud: 1 mm por metro de longitud del perfil. En general se pueden obtener tolerancias sin ningún problema de ±0,5 mm por cada 100 mm de medida a considerar, sin embargo es posible conseguir en determinados casos tolerancias aún más estrechas. 3.- Acabado superficial. La extrusión de aluminio puede ofrecer una gran variedad de acabados según la especificación. Esto incluye acabados bastos para piezas meramente estructurales, hasta acabados finos usados como elemento arquitectónicos, por ejemplo. Por otro lado el aluminio ofrece una gran variedad de acabados, que van desde el anodizado, lacado, pintado u otros recubrimientos. 4.- Selección de la aleación. Las extrusiones de aluminio están hechas de una gran variedad de aleaciones y tratamientos para cubrir un amplio rango de necesidades. La selección debe hacerse atendiendo a los requerimientos de resistencia, soldabilidad, acabado, resistencia a la corrosión, y otras propiedades que puedan ser requeridas. Aunque un gran número de aleaciones pueden ser usadas en extrusión, lo más normal es usar unas pocas que son las más frecuentemente encontradas en el mercado. Las más usadas son las de la serie 6000, y constituyen aproximadamente el 75% de las aleaciones usadas en extrusión. Dentro de estas las más utilizadas son la 6063 y la 6061. Aleación 6063: es usada para una gran gama de productos sólidos y huecos. Es fácilmente soldable, si se requiere, y posee una excelente resistencia a la corrosión, así como un acabado muy satisfactorio. Es fundamentalmente usada en arquitectura y en aplicaciones de resistencia moderada.

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TECNOLOGÍA MECANICA I Página 13 de 20 Aleación 6061: merece la pena nombrar las siguientes, que combina una buena resistencia mecánica y a la corrosión. También es fácilmente soldable. Es usado principalmente con propósitos estructurales. Otras aleaciones: que tienen alta resistencia mecánica, 7050, 7075, 2014; con buena resistencia a la corrosión, 1100, 3003; con una conductividad eléctrica alta, 6101. La siguiente tabla muestra una comparación de la extrusionabilidad de diversas aleaciones. El porcentaje 100% se refiere a la mejor capacidad para extrusión. Valores superiores se corresponden a materiales excesivamente blandos que se pueden deformar fácilmente después de salir de la matriz, mientras que valores inferiores se refieren a materiales duros y difícilmente extrusionables. Aleación 1080 1050 1200 3003 6060 - 6063 6082 2011 5086 2014 5083 2024 7075

Extrusionabilidad en % 160 135 135 120 100 60 35 25 20 20 15 10

5.- Tamaño del círculo circunscrito. Una de las medidas del tamaño de una extrusión es el diámetro del círculo mayor que encierra completamente la sección transversal del perfil de extrusión.

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Esta dimensión es un factor que se utiliza de muchas maneras, una de ellas es para estudiarla economía de la extrusión, que resulta ser óptima para diámetros de entre 25 y 250 mm. Otra información importante de esta circunferencia es el espesor de pared mínimo que debe tener el perfil. La siguiente tabla proporciona los valores para diferentes aleaciones:

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Espesor mínimo de pared (mm) Diámetro del círculo circunscrito (mm) 12,5 - 50 50 - 75 75 – 100 100 - 125 125 – 150 150 – 175 175 - 200 200 - 250 250 – 275 275 - 300 300 – 350 350 – 430 430 - 500 500 - 600

6061

2014

1 1,1 1,3 1,6 1,6 2 2,4 3,2 3,2 4 4,8 4,8 4,8 4,8

1 1,3 1,3 1,6 2 2,4 2,75 3,2 3,2 4 4,8 4,8 4,8 6,4

2024 7050 7050 1 1,3 1,6 2 2,4 2,75 3,2 4 4 4 4,8 4,8 6,4 12,7

CONSIDERACIONES AL DISEÑO A parte de las consideraciones puramente funcionales de la pieza, es conveniente tener en cuenta las siguientes reglas, con el fin de obtener un diseño correcto. -

Especificar el espesor de pared apropiado. Primeramente se debe elegir un espesor de pared que cumpla los requisitos de resistencia para los que ha sido concebida la pieza. Este espesor debe ser comprobado con el proporcionado por el círculo circunscrito, con el fin de evitar deformaciones durante el proceso.

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Mantener el espesor de pared uniforme. Es conveniente mantener un espesor de pared todo lo uniforme posible, esto evitará que existan diferencias de velocidad del material apreciables en diferentes puntos de la sección, con lo que se evitarán deformaciones de la pieza. Espesores de pared adyacentes de hasta el doble pueden ser extruidos sin dificultad, pero diferencias mayores pueden crear problemas. Cuando se combinen paredes gruesas y delgadas es conveniente hacer una transición suave, y si son paredes perpendiculares hacer redondeos.

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TECNOLOGÍA MECANICA I Página 16 de 20 INCORRECTO

CORRECTO

-

Tener presente la matriz y el flujo de metal. Es muy importante tener en cuenta la forma del perfil y el proceso de extrusión en cuenta a la hora de diseñar un perfil. El flujo de metal presiona sobre las partes sólidas de la matriz, por lo que es importante no dejar partes de la matriz en voladizo con secciones muy débiles. Por ejemplo una sección en C, cuanto mayores sean las alas mayor será el voladizo de la parte de la matriz encerrada entre ellas y mayor será la posibilidad de dañarla.

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Usar dimensiones sólidas para mejorar tolerancias. Las medidas sólidas siempre serán más fáciles de cumplir que aquellas que son medidas entre un hueco o un ángulo. Dimensión sólida: las tolerancias son Dimensión abierta. más fáciles de cumplir.

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Suavizar todas las transiciones: todas las transiciones deben ser suavizadas, en la medida de lo posible, con radios de acuerdo. Radios menores de 0,3 mm no deben ser considerados.

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TECNOLOGÍA MECANICA I Página 17 de 20 INCORRECTO

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Rigidizar las secciones. En secciones anchas y delgadas pueden producirse problemas de torsión o falta de planitud, en la medida de lo posible se colocarán rigidizadores para evitar estos efectos indeseables. Perfil original

-

CORRECTO

Perfil mejorado para obtener una mejor planitud.

Buscar perfiles simétricos en perfiles semihuecos. Cuando se produce un voladizo en la matriz, el tener secciones simétricas favorece a la matriz para evitar su rotura. INCORRECTO

CORRECTO

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UNION MECANICA DE PERFILES DE EXTRUSION En muchas ocasiones los tamaños deseados de las piezas están limitados por las dimensiones máximas de la matriz, fuerza de la prensa, etc... Es por esta razón que se acude a la unión de perfiles más simples para poder conseguir formas de mayor tamaño. Aunque existen muchas formas de unir perfiles extruidos o de otra naturaleza, en la extrusión merece la pena destacar los dos siguientes: • •

Uniones solapadas Uniones clipadas.

UNIONES SOLAPADAS Las uniones solapadas suelen consistir en los dos perfiles de unión y un elemento de fijación adicional, que puede ser un remache o un tornillo, o un adhesivo. Las siguientes figuras son ilustrativas de este tipo de unión. Este primer caso muestra una unión típica solapada y remachada, o atornillada.

En este segundo caso, se ha añadido un rebaje que puede ayudar al posicionamiento y además actúa como tope en caso de transmitirse esfuerzos en uno de los dos sentidos (compresión en el caso del dibujo)

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Además de ser un buen posicionador, el resalto hace que la transmisión de esfuerzos, tanto en tracción como en compresión de la pieza.

UNIONES CLIPADAS Las uniones clipadas son una de las formas de unión comúnmente más usada entre perfiles extruidos. Su potencia radica en las formas complejas que pueden adoptar tanto el macho como la hembra para adecuarse a la manera particular de trabajo de cada pieza. A continuación se exponen unos ejemplos de uniones clipadas. En este ejemplo se hace un clipado entre las dos piezas de forma que para entrar se tiene un resbalón que facilita la entrada de una pieza en otra, pero para salir la cara plana hace que su desmontaje sea difícil

Evidentemente, existen muchos otros tipos de clipaje, ya que el diseño por extrusión hace ilimitado este tipo de soluciones. BIBLIOGRAFÍA -

ALUMINIUM DESIGN MANUAL. The aluminium Association.

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EXTRUSSION SPOTLIGHT. Aluminium Extruders Council.

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