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. 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
Magnesio
350-450 (650-850)
Aluminio
Cobre
Temperatura [°C (°F)]
350-500 (650-900)
600-1100 (1200-2000)
Acero
Titanio
1200-1300 (2200-2400)
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 f ricción.
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.
Materiales
Sección 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
Magnesio
<2.5 (0.40)
<2.5 (0.40)
1.00 (0.040)
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 pr ima 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., ³Ciencia e Ingeniería de los Materiales´, Thomson Editores . México, 1998.
2.
Anderson, J .C. y otros, ³Ciencia 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
