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Extrusión y estirado (trefilado) de metales
Ing. Ricardo Prieto Abanto – docente UTP Página 1
Extrusión y estirado (trefilado) de metales
Extrusión
En la extrusión, una palanquilla cilíndrica se fuerza a través de un dado o matriz. Por medio de la
extrusión se pueden producir una gran variedad de secciones transversales sólidas o huecas, que
fundamentalmente son partes semiterminadas. Dependiendo de la ductibilidad del material, la
extrusión se puede efectuar a temperatura ambiente o elevada. La extrusión puede ser económica
tanto para recorridos de producción grandes como para las cortas.
Los materiales comúnmente extruidos son el aluminio, cobre, acero, magnesio y plomo; también
se pueden extruir otros metales y aleaciones, con diferentes niveles de dificultad. Dependiendo de
la ductibilidad del material, la extrusión se puede efectuar a temperatura ambiente o elevada. Con
frecuencia, la extrusión a temperatura ambiente se combina con operaciones de forjado
El proceso de extrusión
Existen tres tipos básicos de extrusión:
Extrusión directa: la palanquilla se fuerza a través de la abertura de un dado mediante la fuerza
hidráulica de un pistón. La abertura del dado puede ser redonda o tener diversas formas deseadas.
Extrusión indirecta: conocida como invertida o retroextrusión, el dado se mueve hacia la
palanquilla no extruida
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Extrusión hidrostática: la palanquilla tiene un diámetro menor a la cámara que se llena con un
fluido y la presión se transmite a la palanquilla mediante un pistón. No existe fricción a vencer en
las paredes del contenedor
Un tipo menos común es la extrusión lateral o de lado.
Extrusión directa
(a)Extrusión indirecta. (b) extrusión hidrostática. (c) extrusión lateral
Variables del proceso: las variables en la extrusión son el ángulo del dado α y la relación del área
transversal de la palanquilla con la del producto extruido (Ao/Af) conocida como relación de
extrusión (R). otras variables son la temperatura de la palanquilla, la velocidad a la que avanza el
pistón y el tipo de lubricante utilizado.
Fuerzas de extrusión
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La fuerza requerida para la extrusión depende de: (a) La resistencia del material de la palanquilla-
(b) La relación de extrusión. (c) La fricción entre la palanquilla y las superficies de la cámara y el
dado. (d) Las variables del proceso, como la temperatura de la palanquilla y la velocidad de
extrusión
La fuerza de extrusión F se puede estimar por:
En la que k es la constante de la extrusión (determinada de manera experimental), Ao y Af son las
áreas de la palanquilla y del producto extruido, respectivamente
La siguiente figura da los valores de k de diversos metales para una gama de temperaturas de
extrusión.
Flujo del metal en la extrusión
El patrón de flujo del metal en la extrusión, como en otros procesos de formad, es importante por
su influencia en la calidad y las propiedades mecánicas del producto extruido. El material fluye
longitudinalmente, de modo muy similar al flujo de un fluido incomprensible en un canal; los
productos extruidos tienen una estructura de granos alargada
F = Ao*k*ln(Ao/Af)
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(a)Patrón de flujo obtenido a baja fricción. (b) patrón obtenido con alta fricción en la interface de
la palanquilla y la cámara. (c) patrón obtenido con alta fricción o con enfriamiento en las regiones
exteriores de la palanquilla dentro de la cámara.
Extrusión en caliente
Se realiza en metales que carecen de suficiente ductibilidad a temperatura ambiente, o
simplemente para reducir las fuerzas requeridas.
Por las altas temperaturas, se debe tener en cuenta: el desgaste del dado, el enfriamiento de las
superficies de la palanquilla caliente y del dado, la formación de una capa de óxido (a menos que
se caliente en un horno de atmósfera inerte) que pueda ser abrasiva, etc.
Materiales para dados y matrices: Por lo general se utilizan los aceros para dados y matrices para
trabajado en caliente. Se pueden aplicar revestimientos (zirconio) para prolongar su vida, sin
embargo no son los más adecuados si se desea fabricar dados para extrusiones complejas.
Lubricación: La lubricación es importante en la extrusión en caliente por sus efectos sobre:
- El flujo del material durante la extrusión
- El acabado y la integridad de la superficie
- La calidad del producto
- Las fuerzas de extrusión
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El vidrio es un excelente lubricante para aceros simples e inoxidables y para metales y aleaciones
de alta temperatura. En un proceso conocido como Séjournet, se coloca un soporte circular de
vidrio en la cámara a la entrada del dado; la palanquilla caliente conduce calor a dicho soporte,
por medio del cual comienza a fundirse como una capa delgada de vidrio que actúa como
lubricante en la interfaz del dado conforme avanza la extrusión. Antes de colocar la palanquilla en
la cámara, su superficie cilíndrica se recubre como una capa de vidrio en polvo para desarrollas
una delgada capa lubricante en la interfaz de la palanquilla y la cámara. También se puede
recubrir con un contenedor de pared delgada, como el cobre o acero dulce (encamisado o
enlatado)
Extrusión en frío
Con frecuencia denota una combinación de operaciones, como la extrusión y el forjado directo e
indirecto. Este proceso utiliza trozos de metal cortados de barras, alambres o placas.
Fuerza de extrusión en frío: La fuerza de extrusión en frío se puede estimar a partir de la fórmula:
En la que Ao es el área transversal de la pieza bruta, Yprom el esfuerzo de flujo promedio del metal y
ε de la deformación real a la que se somete la pieza con base en su área transversal original y final,
es decir, ln(Ao/Af)
Ventajas de la extrusión en frío: La extrusión en frío tiene las siguientes ventajas sobre la
extrusión en caliente:
- Mejores propiedades mecánicas como resultado del endurecimiento por trabajo
- Buen control de las tolerancias dimensionales
- Mejor acabado superficial
- Velocidades y costos de producción competitivos respecto de otros métodos
F = 1.7*Ao*Yprom*ε
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Desventajas de la extrusión en frío:
- La magnitud de los esfuerzos en los herramentales de extrusión en frío es elevada
- La lubricación es crítica, en particular con los aceros, cabe la posibilidad de que se
adhieran entre la pieza de trabajo y los herramentales
Extrusión por impacto: es similar a la extrusión indirecta. El punzón desciende con rapidez sobre la
pieza bruta (trozo de metal), que se extruye hacia atrás. Debido al volumen constante, el espesor
de la sección tubular extruida es función de la holgura entre el punzón y la cavidad de la matriz
(a)Extrusión por impacto. (b) y (c) ejemplos de productos fabricados por extrusión
Defectos de la extrusión
Dependiendo del material de la pieza de trabajo y de las variables del proceso, los productos
pueden desarrollar diversos tipos de defectos que afectarían de manera significativa su resistencia
y su calidad. Existen tres defectos de extrusión principales:
Agrietamiento de la superficie: si la temperatura de extrusión, la fricción o la velocidad son
demasiado elevadas, las temperaturas de la superficie pueden aumentar considerablemente,
provocando que la superficie se agrietase y desgarrase.
Tubo: el tipo de patrón de flujo del metal en extrusión mostrado en la figura, tiende a acumular los
óxidos e impurezas de la superficie en el centro de la palanquilla, de manera parecida a la de un
embudo. Este defecto se conoce como tubo, tubo de escape o cola de pescado. Se puede
minimizar si se modifica el patrón de flujo para que sea más uniforme.
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Agrietamiento interno: el centro del producto puede desarrollar grietas. Estas grietas se atribuyen
a un estado de esfuerzo de tensión hidrostática en el eje central de la zona de deformación en la
matriz.
Equipos para la extrusión
El equipo básico para la extrusión es una prensa hidráulica horizontal. Son apropiadas para la
extrusión porque se pueden controlar la carrera y la velocidad de la operación, dependiendo de la
operación en particular. Se han construido prensas hidráulicas con una capacidad de fuerza en el
pistón hasta de 14000 toneladas. También se emplean prensas mecánicas de junta de manivela o
junta articulada para la extrusión en frío y para la extrusión por impacto.
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Prensa de extrusión hidráulica de 1000 toneladas
Estirado
En el estirado se reduce o cambia la sección transversal de una barra o alambre largo, en general
jalándola a través de un dado conocido como dado de estirado. Las barras estiradas se utilizan
para flechas, husillos y pequeños pistones y como materia prima para sujetadores (remaches,
tornillos y pernos)
Fuerza de estirado: Se determina mediante la expresión:
En la que Yprom es el esfuerzo real promedio del material en el hueco del dado. Esta ecuación no
incluye a la fricción, y puesto que la debe realizarse más trabajo para vencer la fricción, la fuerza
aumenta con el aumento de la fricción.
F = Yprmo*Af*ln(Ao/Af)
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Se han desarrollado varias ecuaciones para estimar la fuerza, una fórmula que incluye la fricción y
el trabajo redundante es:
En donde α es el ángulo del dado en radianes
Estirado de otras formas: se pueden producir varias secciones transversales sólidas mediante el
estirado a través de dados con diferentes perfiles. Es espesor de pared, el diámetro o la forma de
los tubos que se han producido por extrusión u otros procesos, se pueden reducir más mediante
procesos de estirado de tubos.
Materiales para dados: Por lo general, los materiales de los dados para estirado son aceros grado
herramientas y carburos. Para el estirado en caliente se utilizan dados de acero fundido, por su
alta resistencia al desgaste a temperaturas elevadas. Los dados de diamante se emplean para el
estirado de alambre fino con diámetros que van de 2 µm a 1.5 mm.
Lubricación en el estirado: Los métodos básicos de lubricación utilizados en el estirado de alambre
son:
- Estirado en húmedo, en el que los dados y la barra se sumergen por completo en el
lubricante
- Estirado en seco, en el que la superficie de la barra a estirar se recubre con un lubricante
al pasarla a través de una caja llena con lubricante
- Revestimiento metálico, en el que la barra o el alambre se recubre con un metal blando,
como cobre o estaño, que actúa como lubricante sólido.
F = Yprmo*Af*[(1 + µ/α)*ln(Ao/Af) + 2α/3)]
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- Vibración ultrasónica de los dados y los mandriles, en el que las vibraciones reducen las
fuerzas, mejoran el acabado superficial y la vida del dado, y permiten reducciones más
grandes por pase sin rompimientos
Defectos del estirado y esfuerzos residuales:
- Agrietamiento central
- Traslapes, raspaduras o dobleces longitudinales en el material
- Por lo general los productos estirados en frío tiene esfuerzos residuales. Pueden ser
significativos y causar agrietamiento por esfuerzo-corrosión de la parte durante cierto
período
Equipos para estirado
Banco de estirado: contiene un dado simple y su diseño es similar al de una larga máquina
horizontal de ensayos de tensión. La fuerza de tensión lo proporciona una transmisión de cadena
o se acciona hidráulicamente.
Tambor: las barras y alambres muy largos y de secciones transversales más pequeñas, se estiran
por medio de un tambor giratorio. La tensión en esta configuración proporciona la fuerza
requerida para estirar el cable, por lo general mediante matrices múltiples.