UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
ME-58A: Procesos de Manufactura
Control 2 P.2
“Extrusión en caliente y extrusión hidrostática”
Autor: Sebastián Silva R. Profesor: Marco Antonio Bejar. Fecha: 3 de junio del 2008
INDICE. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...3 1. EXTRUSIÓN EN CALIENTE…………………………………………………...4 1.1 EXTRUSION EN CALIENTE NO LUBRICADA……………………………..6 1.2 EXTRUSION EN CALIENTE LUBRICADA………………………………….7 1.3 FLUIDEZ DEL METAL EN EXTRUSIÓN CALIENTE………………………7 1.4 PRENSAS PARA LA EXTRUSIÓN EN CALIENTE…………………………7 1.5 HERRAMIENTAS PARA LA EXTRUSIÓN……………………………….....8 2 EXTRUSIÓN HIDROSTÁTICA…………………………………………………9 BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………...11
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INTRODUCCION. La extrusión es un proceso de formado por compresión, en el cual el material de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal. Como se usa una cámara, cada lingote se extruye en forma individual, por lo que la extrusión es un proceso intermitente o semicontinuo. Las ventajas de los procesos modernos de extrusión incluyen: - Se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente con extrusión en caliente; sin embargo, una limitación es la geometría de la sección transversal que debe ser la misma a lo largo de toda la parte. - La estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión en frío o en caliente. - Son posibles tolerancias muy estrechas, en especial cuando se usa extrusión en frío. - En algunas operaciones de extrusión se genera poco o ningún material de desperdicio. En el siguiente informe se abordan dos procesos de extrusión tradicionales; Extrusión en caliente y extrusión hidrostática , el primero de estos es muy ocupado e la industria, sobre todo para la fabricación de tubos. De ambos detallare las condiciones de operación, variables del proceso, materiales utilizados y herramientas utilizadas. .
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1. EXTRUSIÓN EN CALIENTE. La extrusión en caliente es el proceso por el cual el metal a alta temperatura, (cercana a la de fusión), es obligado a pasar por una matriz que le da la forma deseada como vemos en la figura 1.
Figura 1: Partes típicas de una prensa de extrusión en caliente. La extrusión en caliente, también, se realiza por extrusión directa
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O por extrusión inversa.
La temperatura a la cual la extrusión caliente es realizada, depende del material a extruir. Ver Tabla1.
Tabla 1: Temperaturas típicas de extrusión para metales.
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Existen tres tipos de extrusión en caliente: Lubricado, No lubricado y Hidrostático (este lo veremos aparte).
Figura 2: Extrusión en caliente; a) no lubricada b) lubricada c) hidrostática 1.1 Extrusión en caliente no lubricada. Es un proceso relativamente sencillo y aunque un gran numero de factores metalúrgicos y de procesamiento interactúan y afectan las propiedades mecánicas, el acabado superficial y la resistencia a la corrosión de la pieza final, este procedimiento no usa lubricación y aun así puede producir excelentes acabados superficiales, muy buenas tolerancias y complejas formas. En este procedimiento sin lubricación se pueden usar las dos formas de extrusión consideradas anteriormente: directa e indirecta. A continuación se presenta la curva típica de carga para la extrusión no lubricada.
Figura 3: Curva típica de carga vs. desplazamiento pistón, de extrusión en caliente no lubricada. a) extrusión directa b) extrusión indirecta
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1.2 Extrusión en caliente lubricada. Generalmente las aleaciones e aluminio son extruidas sin lubricante, pero las aleaciones de cobre, titanio, acero inoxidable y acero de herramientas son extruidas con lubricantes de grafito o vidrio. El vidrio es un lubricante excelente para los aceros, aceros inoxidables, y metales y aleaciones para alta temperatura. En un proceso desarrollado en la década de 1940, denominado proceso Séjournet en honor a J. Séjournet, se coloca una placa circular de vidrio en la entrada del dado, en la cámara. La palanquilla caliente lleva el calor a la placa de vidrio, que actúa como depósito de vidrio fundido y lubrica la interfase del dado a medida que avanza la extrusión. Antes de poner la palanquilla en la cámara, se recubre su superficie cilíndrica con una capa de vidrio en polvo para proporcionar el lubricante en la interfase entre él y la cámara. Para metales con tendencia a pegarse a la cámara y al dado, la palanquilla se puede encerrar en un recipiente de pared delgada hecho de un metal más suave y de menor resistencia, como cobre o acero suave. A este proceso se le denomina enchaquetado o enlatado. Además de formar una interfase con baja fricción, esta chaqueta evita la contaminación del lingote por el ambiente o si el material del lingote es tóxico o radiactivo, la chaqueta evita que contamine el ambiente. Algunos lubricantes usados son:
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Bajo 1000ºC: Grasa, grafito, bisulfato de molibdeno, talco, jabón, bentonita, asfalto. Sobre 1000ºC: lubricación en base a vidrio, basalto y polvos cristalinos.
1.3 Fluidez del metal en extrusión en caliente. A continuación se muestra una secuencia de imágenes de cómo fluye el material en la extrusión en caliente.
Figura 4: Evolución de la fluidez del metal. 1.4 Prensas para la extrusión en caliente. Prensas verticales y horizontes son utilizadas para este proceso, las prensas horizontales son mas comunes prensas neumáticas ampliamente usadas en el pasado y las prensas hidráulicas actualmente usadas. A continuación se muestra una figura de una prensa horizontal hidráulica para extrusión en caliente.
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Figura 5: Prensa horizontal hidráulica para extrusión en caliente. Las típicas presiones usadas en este tipo de maquinas son de alrededor de 1035 Mpa, esta presión es muy cercana a los limites de fluencia de las herramientas usadas para realizar la extrusión.
1.5 Herramientas para la extrusión. Las herramientas que se utilizan para la extrusión en caliente son varias, entre las que se cuentan cilindro, embolo, punzón, matriz, soporte de matriz, ect. Sin duda la más importante, es la matriz de extrusión, ya que es el elemento que le da forma al perfil extruido. A continuación vemos dos tipos de matrices típicas para extrusión en caliente.
Figura 6: Prensa Matrices típicas de extrusión en caliente. La mayoría de estas matrices son construidas de aceros de herramientas, con durezas entre 45 y 60 RC 8
2. EXTRUSIÓN HIDROSTÁTICA. Un problema de la extrusión directa es la fricción a lo largo de la interfase tochocontenedor. Este problema se puede solucionar utilizando un fluido en el interior del contenedor y ponerlo en contacto con el tocho, luego presionar el fluido con el movimiento hacia adelante del pisón, como se muestra en la figura 7. De tal manera que no exista fricción dentro del recipiente y se reduzca también la fricción en la abertura del dado. La fuerza del pisón es entonces bastante menor que en la extrusión directa. La presión del fluido que actúa sobre todas las superficies del tocho da su nombre al proceso. Se puede llevar a cabo a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Para temperaturas elevadas se necesitan fluidos y procedimientos especiales. La extrusión hidrostática es una adaptación de la extrusión directa. La presión hidrostática sobre el material de trabajo incrementa la ductilidad del material. Por consiguiente, este proceso se puede usar con metales que son demasiado frágiles para operaciones de extrusión convencional. Los metales dúctiles también pueden extruirse hidrostáticamente y es posible una alta relación de reducción en esos materiales. Una desventaja del proceso es que se requiere preparar los tochos iniciales de trabajo. El tocho debe formarse con un huso en uno de sus extremos para ajustarlo al ángulo de entrada del dado. Éste actúa como un sello que previene fugas del fluido a través de la abertura del dado, al iniciar la presurización del recipiente.
Figura 7: Extrusión hidrostática.
En la figura 8, podemos observar como varia la carga en función del desplazamiento del pistón en la maquina de extrusión hidrostática. Se aprecia claramente el cambio de densidad del fluido debido a la presión dentro de la cámara. Se le asocia una densidad de extrusión.
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Figura 8: Evolución de la carga en la extrusión hidrostática. En el siguiente grafico podemos apreciar la reducción de área de distintos materiales con respecto a la presión aplicada por el fluido.
Figura 9: Presión aplicada vs. reducción de área, para distintos metales.
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BIBLIOGRAFÍA. -
ASM Metals Handbook Vol. 14 Forging and Forming. Ashrae Metals Casting 4ºEdicion. Srttor. Hertyrg A. www.metlaswebs.com
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