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• Pablo Fdez

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Fundamentos de fabricación mecánica

Capítulo 20.20.1

Extrusión, embutición y afines

EXTRUSIÓN, EMBUTICIÓN Y AFINES.

Extrusión. La extrusión (extrusion) es un proceso en el cual se obliga al metal a fluir por compresión a través de una matriz de la forma conveniente, o hilera, para obtener un producto de sección transversal reducida. Esta operación puede realizarse en frío o en caliente, pero en muchos casos se hace en caliente con el propósito de reducir las fuerzas necesarias, eliminar los efectos del trabajo en frío y reducir las propiedades direccionales. Esencialmente, la extrusión es similar a estrujar un tubo de pasta dentífrica.

En nuestro caso, el dispositivo consiste normalmente en un recinto en cuyo interior se dispone un lingote metálico caliente. Un émbolo avanza desde un extremo y provoca el flujo plástico del material a través de la hilera o matriz situada en el otro extremo. En el seno del metal se produce un estado de tensión triaxil. 20.1.1 Metales empleados en extrusión. Los metales que más corrientemente se extruyen son el plomo, el cobre, el aluminio, el cinc, el estaño y el magnesio y sus aleaciones, aprovechando su bajo límite elástico y las bajas temperaturas de extrusión. Los aceros son de extrusión más difícil, pues sus límites elásticos son más altos y propenden a soldarse a las paredes de la hilera y de la cámara en las condiciones de presión y temperatura que se desarrollan. Con la aparición y uso de lubricantes fosfatados y de vidrio fundido, actualmente se producen cantidades importantes de piezas de acero extruídas. 20.1.2 Piezas obtenibles por extrusión. A partir de aleaciones no férreas pueden extruírse piezas de sección transversal casi cualquiera. Las limitaciones respecto a medidas son escasas, dada la existencia de prensas capaces de extruir cualquier forma que pueda encerrarse en un círculo de 75 cm. En el caso de los aceros y de los metales de alta resistencia, las formas y las medidas están mucho más limitadas, pero se están realizando progresos muy rápidos. 20.1

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La extrusión resulta interesante por muchos conceptos. Así, es posible extruir piezas que no podrían obtenerse por laminación, especialmente si presentan zonas cóncavas o huecas. Además, no es necesario prever salida, con el consiguiente ahorro de material y peso. Por otra parte, se trata de una operación de naturaleza esencialmente compresiva, por lo que la cuantía de la reducción en cada etapa está únicamente limitada por la capacidad de la instalación y es muy corriente que el cociente área lingote/área producto llegue a 100. Las hileras de extrusión suelen ser relativamente económicas y muchas veces basta con una para fabricar un producto. Cuando debe introducirse un cambio en éste, sólo se necesita un cambio de hilera. La servidumbre principal de este proceso es que, habitualmente, la sección transversal debe ser constante en toda la longitud del producto. Las tolerancias dimensionales de los extrudidos son muy favorables, pues admiten sin dificultad máximos de ± 0,003 mm y mínimos de ±0,07mm sin dificultad. Su estructura granular es propia de los metales trabajados en caliente, aunque generalmente acompañada de fuertes propiedades direccionales. Las longitudes corrientes se encuentran, más o menos, entre los 7 y 8 metros, aunque se ha extrudido en longitudes superiores a los 13 metros 20.1.3 Procedimientos de extrusión. ▪ Extrusión directa el material fluye en igual dirección y sentido en el que se mueve el émbolo.

▪ Extrusión inversa el contenedor está cerrado por un extremo y el metal se fuerza a que fluya hacia atrás, pasando por la matriz situada en el extremo del émbolo, por lo que ahora el pistón es hueco para permitir la salida del material. En este caso se reduce el rozamiento entre el lingote y la pared de la cámara, pero la complejidad de la instalación y la limitación en la longitud de los productos inclina la balanza a favor de la extrusión directa.

A partir de los anteriores tipos de procesos básicos, se pueden combinar ambos movimientos para que el material fluya "en" y "contra" del sentido de movimiento del émbolo. De esta forma se pueden obtener cuerpos huecos y macizos, paredes de distinto espesor, incluso con rebordes y escalonadas. 20.2

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20.1.4 Extrusión de formas huecas.

Las formas huecas pueden extruírse por varios procedimientos. En la figura siguiente se ilustra la utilización de mandriles fijos y móviles para extruir productos tubulares.

En el caso de cavidades interiores más complicadas se recurre a los mandriles radiales o de araña, tal como se representa en la figura de la izquierda. Tan pronto el metal ha fluido más allá de la araña, las grietas producidas por ésta vuelven a soldarse, pues aumenta la estrechez entre la hilera y el mandril. Las soldaduras son perfectas, ya que el metal no ha sido expuesto a contaminación.

20.1.5 Extrusión por impacto. En los últimos años se han registrado grandes progresos en la extrusión en frío, así como en la combinación de ésta con el encabezamiento en frío. Uno de los procedimientos que más se ha desarrollado es la extrusión por impacto. La extrusión por choque o impacto, es un proceso de extrusión en el que se emplea un sólo golpe o impacto para producir la forma final. Esta extrusión puede ser hacia adelante y hacia atrás, con matrices abiertas y cerradas.

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El procedimiento empezó utilizándose únicamente con metales de baja resistencia y dúctiles, como son el plomo, el estaño y el aluminio, para producir artículos tales como tubos de dentífrico, de medicamentos, etc., «latas» pequeñas como las empleadas para blindar aparatos e instrumentos electrónicos, y latas de envasado de alimentos y bebidas. En los últimos años la extrusión en frío se ha aplicado a la conformación de piezas de acero suave, a menudo en combinación con encabezamiento en frío. 20.1.6 Extrusión hidrostática. Aquí se emplea la presión de un fluido para extruir un lingote por una hilera, con salida a la atmósfera o bien a una cámara de baja presión. El proceso alta presión / baja presión, representado en la figura de la izquierda, posibilita extruir materiales relativamente frágiles, tales como molibdeno, berilio y wolframio. No existen rozamientos en la cámara del lingote y, además, la presión refuerza la lubricación de éste y elimina la iniciación y crecimiento de las grietas. 20.1.7 Extrusión laminada. Mediante esta operación, pueden obtenerse cilindros de pared delgada a partir de una materia prima más gruesa. La acción de estrujamiento del rodillo giratorio obliga al metal a correrse hacia adelante, entre el rodillo y el anillo limitador. Aunque para este procedimiento se han fabricado cilindros de diámetros comprendidos entre 2 y 400 cm, su aplicación cae comúnmente entre los 75 mm y los 50 cm.

Otra posibilidad es utilizar un mandril interno y un rodillo externo. Aquí, sin embargo, hay que prever la extracción del mandril. Ambas operaciones se esquematizan a continuación.

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Estirado de barras y tubos.

El estirado (drawing) es una de las operaciones más simples. Un extremo del redondo se reduce de sección o se agudiza, se introduce por una hilera de sección transversal algo más pequeña, lo aferran unas garras que tiran de él, y lo arrastran a través de la hilera. Así, el redondo se reduce de sección, se alarga y se endurece por acritud. La reducción de área por pasada suele ser del 20 al 50 por ciento, al objeto de que la barra no se rompa, siendo necesarias varias pasadas para llegar al producto deseado. Casi siempre son necesarios recocidos intermedios para restablecer la ductilidad y reanudar el proceso. El objeto del proceso es calibrar, o sea dar unas dimensiones precisas al producto, y endurecerlo con la deformación. Es un proceso también factible para estirar tubos.

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Trefilado. Esencialmente el trefilado (wire drawing) es lo mismo que el estirado de redondos, con la salvedad de que se trabaja con diámetros más pequeños, y es un proceso continuo que tiene lugar a través de una sucesión de hileras. Se comienza por limpiar de cascarilla la materia prima, consistente en bobinas de material arrollado en caliente, mediante fiexión mecánica, o bien por decapado y enjuagado. Una vez limpio, el producto pasa luego por un baño de cal, o sufre cualquier otro tratamiento destinado a neutralizar la acidez remanente del decapado, a procurar una protección anticorrosiva y un soporte para el lubricante superficial.

Entonces, se afila un extremo del material, se introduce éste por una hilera y da comienzo el estirado. Las hileras están constituidas como se esquematiza en la figura y suelen construirse de carburo de wolframio o de diamante. El alambre de pequeño diámetro se trefila habitualmente en máquinas serie que contienen de 3 a 12 hileras, sujeta cada una en un bloque refrigerado por agua.

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La reducción en cada hilera se regula de modo que cada puesto de trabajo consuma más o menos la misma potencia. Asimismo, en cada puesto de trabajo se regula la velocidad para evitar los agolpamientos de alambre y una tracción excesiva sobre el mismo. Cuando el alambre es más fino, deben efectuarse recocidos intermedios entre distintas etapas del trefilado. 20.4

Reducción de sección .

La reducción de sección (swaging) es un proceso destinado a reducir un diámetro, conificar o aguzar redondos o tubos por batido externo. Una ampliación muy interesante de esta operación sirve para formar cavidades internas, en la que un mandril conformado se introduce en un tubo, el cual se reduce por batido.

La reducción en frío se efectúa en máquinas rotatorias como la de la derecha. El cilindro, al girar dentro de la jaula, hace que los bloques de apoyo se muevan alternativamente hacia fuera y hacia dentro a la vez que pasan bajo los rodillos. De ese modo las matrices se abren y cierran sobre la pieza labrada bajo distintos ángulos. El operario introduce la barra o tubo entre las matrices y la empuja gradualmente hacia dentro hasta que se haya batido la longitud de material deseada. El producto, además, se alarga a consecuencia de la reducción del diámetro. 20.5

Embutición.

La embutición (deep drawing) es una operación de conformación plástica mediante la cual una chapa o plancha plana recibe una forma ahuecada tridimensional de una profundidad varias veces el espesor del metal original. Cuando el macho desciende sobre la matriz (o bien, cuando la matriz se desplaza contra el macho), el metal adquiere la forma que le confiere el juego de macho y matriz. El estado de tensión es fundamentalmente de compresión biaxil y tracción uniaxil. 20.5.1 Embutición en caliente. La embutición en caliente sirve para conformar piezas de paredes relativamente gruesas y geometría sencilla, habitualmente cilíndricas. El metal se adelgaza considerablemente con ese paso por la matriz. Así se pueden fabricar componentes cilíndricos de pared gruesa, como son depósitos de oxígeno o munición de artillería. Puede también emplearse para conformar piezas, en cuyo caso el macho cierra la matriz y conforma en combinación con ésta y, luego, retrocede para poder extraer la pieza. 20.6

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20.5.2 Estampado o embutición en frío. Por el contrario a lo realizado en caliente, en la embutición en frío, también llamada estampado, se emplean chapas relativamente finas cuyo espesor varía muy poco, o nada en absoluto, y se consiguen piezas de una gran diversidad de formas. 20.5.3 Adelgazamiento. Se suele llamar adelgazamiento al proceso de embutición en el que la diferencia entre el diámetro del punzón y la abertura de la matriz es inferior al doble del espesor del metal embutido, la operación produce una copa de paredes adelgazadas y alargadas. 20.5.4 Embutición profunda. La conformación por estirado de recipientes cerrados, cilíndricos o rectangulares, o variaciones de estas formas, dotados de una profundidad frecuentemente superior a la anchura de la boca, es uno de los procesos de manufactura más corrientes. Su origen se encuentra en la fabricación de las primeras vainas de cartuchería y de munición de artillería.

Cuando la profundidad de la pieza es inferior a su diámetro, o a la dimensión superficial mínima de la pieza en tosco, la operación se considera como embutición somera, o estampación. En caso contrario, se considera embutición profunda, o simplemente embutición.

20.5.5 Prensas de embutición. Una de las principales cosas a evitar en el proceso de embutición es el arrugamiento y las variaciones de espesor, por lo que debe controlarse en todo momento el corrimiento del metal. Ello suele conseguirse mediante algún tipo de anillo de presión o amortiguador en la prensa. Hay dos tipos principales de prensas: 1. Prensas de simple efecto.- el cabezal ejecuta un sólo movimiento, el corrimiento del metal entre la matriz superior y el anillo de presión se controla mediante resortes o presión neumática.

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2. Prensas de doble efecto.- dotadas de dos o más émbolos independientes la fuerza aplicada al anillo de presión puede controlarse con independencia de la posición del cabezal, lo cual permite variar la presión según lo necesario durante la operación de embutición. Por esta causa, las prensas de doble efecto son las habitualmente utilizadas para embutir piezas más complejas, mientras que las de simple efecto resultan mejor para las operaciones más sencillas.

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Repujado en torno.

El repujado en torno (spinning) es la conformación plástica de piezas metálicas a partir de un disco plano en rotación, mediante la aplicación localizada de presión con una herramienta, metálica o de madera, simple y de punta redondeada, o bien con pequeño rodillo, en una de las caras del mismo, con lo cual se obliga al metal a deformarse y a aplicarse contra un molde o forma giratorio fijo contra la otra cara del disco.

20.6.1 Repujado simple o repulsado En esta variante el diámetro final de la pieza conformada es inferior que el inicial del disco que constituye la materia prima, acortándose así el perímetro, el operario debe estirar el metal radialmente para evitar el pandeo perimetral. Se trata de una operación de encogimiento, el metal no se comprime contra su superficie, el molde puede a veces hacerse de madera dura. El disco metálico se centra y luego se mantiene contra el vértice de la forma mediante un seguidor sujeto al contrapunto del torno. A la vez que giran el disco y la forma, el operario aplica una presión localizada sobre el metal, haciendo que éste se corra contra la forma. Si bien la mayoría de los trabajos de repujado se ejecutan en frío con chapas metálicas finas, para conseguir formas de revolución con planchas de acero gruesas se acude al repujado en caliente. En caliente se puede repujar espesores de hasta 15 cm para conformar las tapas abombadas de recipientes de presión y cisternas. Las planchas gruesas de metales de conformación difícil, tales como el titanio, se trabajan asimismo por repujado en caliente.

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20.6.2 Embutido por laminación. Operación de torno que constituye una variante del repujado, en la cual la distancia al eje de rotación de cada elemento del disco de partida permanece constante. Debido a esto el corrimiento del metal se efectúa totalmente bajo cizalladura, y no debe tener lugar estiramiento radial alguno para compensar el encogimiento perimetral que sobreviene en el repujado al torno ordinario. Son posibles reducciones de espesor de hasta 8:1, pero el límite se sitúa en torno a 5:1. Hay dos métodos de obtener formas embutidas por laminación:

Método directo.- El avance del rodillo conformador es en la dirección del flujo del metal 20.7

Método inverso.- se realiza variando la dirección de avance de los rodillos, es posible labrar formas convexas o cóncavas sin usar mandril.

Piezas realizables por repujado. Consideraciones de diseño.

No sólo se realizan las típicas piezas en forma de tronco de cono, sino que con el molde adecuado se puede realizar una infinidad de formas con la consideración de que sean simétricas a un eje. Así se puede hacer un cilindro con varios diámetros, un hemisferio, diferentes conos y variaciones de esas formas. Diámetros de chapas a repujar están entre 6mm. y 4m. y espesores entre 0,1mm y 120mm. El material más empleado para repujar en frío es el aluminio. A la hora de conformar hay que tener en cuenta que el material tenga la ductilidad necesaria y que la forma tenga suficiente ángulo de salida, o que se disponga un molde con la posibilidad de extraerlo posteriormente. También hay que tener en cuenta que la forma a repujar no tenga ángulos vivos, sino redondeados. Ejemplos de piezas realizadas por repujado son: lámparas, reflectores, utillaje cóncavo, platos, ollas, sartenes, cuencos y palanganas, pabellones de determinados instrumentos musicales, material quirúrgico, piezas para aviación, y componentes para equipos electrónicos.

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Conformación por estirado.

Para este tipo de conformación por estirado (stretch forming), tal como se ilustra en el dibujo de la izquierda, sólo hace falta una horma o macho, con el consiguiente ahorro. La chapa es asida por dos o más juegos de garras que la estiran y adaptan en torno a la horma mientras ésta se eleva.

Controlando correctamente el estiraje, se eliminan la mayoría o totalidad de las tensiones de compresión que acompañan normalmente al curvado y a la conformación. En consecuencia, la recuperación elástica es muy escasa y la pieza se adapta ceñidamente a la forma de la horma. Esta, por su parte, trabaja casi únicamente a compresión y, por tanto, puede construirse de madera, o de plástico estratificado o reforzado rociado. Este proceso se aplica a la fabricación de carenas, extremidades de ala, alerones y grandes secciones de fuselaje de aviones, a base de aluminio o de acero inoxidable, así como a la de grandes secciones de carrocerías de camiones y automóviles, a base de acero de carbono bajo. Otro nombre que recibe el proceso es el de conformación sobre horma con estiraje. 20.9

Conformación con almohadillas de caucho y con líquido a presión. En varios procedimientos de conformación se recurre a la presión de un líquido o a la acción del caucho (rubber forming and hydroforming) para alcanzar las deformaciones convenientes, con lo cual se eliminan el miembro macho o hembra del conjunto de la matriz. El conformado por expansión, se emplea aceite o caucho para aplicar una fuerza dilatadora interna para expandir un tubo o pieza en tosco metálicos contra un molde u horma, con lo cual desaparece la necesidad de elementos de matricería complicados. Para facilitar la extracción del producto suelen emplearse matrices hembras partidas. Cuando se emplean fluidos hay que recurrir a instalaciones complicadas, de modo a conseguir la estanqueidad necesaria, permitiendo a la vez una colocación y extracción de las piezas sin complicaciones. 20.10

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20.10 Conformación a gran potencia. Los procesos de conformación a gran potencia (HERF - High Energy Rate Forming), son procedimientos para conformar metales mediante la liberación y aplicación de grandes cantidades de energía en un intervalo de tiempo muy corto. Muchos metales se deforman con mayor facilidad bajo las velocidades ultrarrápidas a las que se aplica la carga en estas operaciones, fenómeno evidentemente ligado a las velocidades relativas de la aplicación de la carga y del movimiento de las dislocaciones a través del metal. Mediante estas técnicas se pueden formar piezas de gran tamaño y metales de mala conformabilidad con una maquinaria y útiles menos costosos que los necesarios de otro modo. 20.10.1 Conformado con explosivos. Los tres procedimientos más corrientes con cargas explosivas (explosive forming) son: conformación libre, cilíndrica y en mamparo.

Si bien estos procedimientos son aplicables a una vasta gama de piezas, resultan particularmente aptos para piezas grandes o gruesas.

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20.10.2 Conformado por descarga disruptiva. En esta técnica se da la forma al metal aprovechando la energía de una descarga eléctrica (electrohydraulic forming). En una gran batería de condensadores se almacena energía eléctrica, la cual se libera luego a través de un par de electro-dos, o bien a través de la explosión de un hilo conductor que está sumergido. Entonces, la descarga provoca la propagación de ondas de choque de gran potencia, que sirven para conformar el metal. El hilo iniciador puede recibir una forma previa y pueden emplearse reflectores para dirigir las ondas de choque de modo que el proceso sea adaptable a una variedad de componentes. El espacio entre la pieza en tosco y la matriz suele evacuarse antes de la descarga, eliminando la posibilidad de que el metal pueda sufrir contorsiones a causa del aire encerrado. Los procedimientos basados en la descarga disruptiva se emplean muchísimo para efectuar operaciones de expansión de piezas pequeñas aunque permiten conformar piezas de hasta 1,3 m de diámetro. Respecto a la conformación explosiva, las técnicas de descarga disruptiva son mucho más sencillas y seguras, no requieren depósitos tan grandes y no tienen que utilizarse en zonas retiradas.

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