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Extrusión y estirado (trefilado) de metales

Ing. Ricardo Prieto Abanto – docente UTP Página 1


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



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



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)



(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



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



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.



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.



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)



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)]



- 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.

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