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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A5. Educación en Ingeniería Mecánica: Procesos de Conformado
“Implementación de prototipo de Máquina de Extrusión de Impacto Inversa para fines académicos”
García Castañeda Carlos A.a, Benítez Villasana Salvadora,Hernández Sánchez Ramóna, Hipólito
Astudillo Fortinoa.
aUniversidad Tecnológica de la Costa Grande de Guerrero, Carr. Zihuatanejo – Acapulco, km 201,C.P. 40830 Petatlán, Guerrero, México.
*Autor contacto: [email protected]
RESUMEN.
Este documento presenta trabajos realizados para la Implementación de un Prototipo de Máquina de Extrusión de impacto
inversa para fines académicos”, derivado de la necesidad de equipo de laboratorio en la materia de Procesos de Conformado.
El prototipo utiliza el principio de la caída libre para la generación de los extruidos y estaño como material de probeta.
Debido al dimensionamiento del equipo, el estaño y sus propiedades, se presentan como un material útil para lograr emular el
proceso de formación de latas de aluminio por medio de la extrusión de impacto. Se realizaron un total de 6 ensayos sin
lubricación con probetas de Ø7.8 x 3.5 mm de altura a 100, 120, 140, 160, 180 y 200° C, obteniendo valores de hasta 7.6 mm
de altura con una caída libre de 1050 mm; se observaron también defectos superficiales como el agrietamiento.
ABSTRACT
This document present the process for the “Implementation of a Reverse Impact Extrusion Machine Prototype for Academic
Purposes”, derived from the need of a laboratory equipment for a Forming Processes course. The prototype uses the free fall
principle for the generation of the extruded parts and Tin as test material. Due the dimension of the equipment, the Tin and
its properties it is considered as a useful material to reach the emulation of aluminum cans production by impact extrusion. A
total of 6 non-lubricated trials were conducted using an Ø7.8x3.5 mm in height at 100, 120, 140, 160, and 180 an 200 °C
with 1.05 m free fall height. Also, surface defects as cracking were observed.
1. Introducción
Los grandes equipos de extrusión representan un avance
tecnológico en la fabricación partes que de otra manera
conllevan un proceso de largo y entrelazado de varios
procesos de manufactura. Las dimensiones, requerimientos
y el costo de los equipos son de alguna manera limitantes
para que solo algunas instituciones educativas puedan
hacerse propietarios de los mismos. Partiendo de esta
realidad, la oportunidad de observar procesos de extrusión
directa, indirecta, hidrostática o lateral [2] quedan
reducidas las visitas de inducción que las instituciones
educativas puedan acceder en acuerdo con las empresas. La
oportunidad de observar los equipos trabajando y analizar
posteriormente los defectos presentes en los extruidos, así
como la posibilidad de “jugar” con las variables
(temperatura, lubricación, etc.) y reducir a su mínima
expresión aquellas características no deseadas en el
producto, vienen a complementar de manera positiva el
conocimiento teórico del proceso. Se pudieron localizar 3
trabajos relacionados con este prototipo. El primero, utiliza
el principio de la extrusión directa con probetas de plomo
con objeto de comparar contra la producción de elementos
extruidos de forma artesanal [1]. El segundo es un
prototipo de prensa de extrusión lateral para probetas de
plastilina y plomo, con objeto de profundizar el
conocimiento de este proceso en particular [3]. El tercero,
tiene por objeto producir tubos de aluminio y analizar el
proceso de extrusión directa, obtener fuerzas y esfuerzos
del mismo auxiliados por el método FEM [4].
La extrusión de impacto se hace generalmente en frío.
En la Fig. 1 se puede observar el principio de
funcionamiento y algunos productos comunes obtenidos
por este proceso, como tubos para pasta dental y
contenedores de baterías; elementos donde queda de
manifiesto la benevolencia del proceso para obtener
paredes delgadas [5].
Figura 1 –Proceso de extrusión por impacto.
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El desarrollo e implementación del prototipo de extrusión
de impacto, pretende cubrir los siguientes objetivos
académicos:
manipular y analizar las variables del proceso,
emular la producción de latas de aluminio utilizando el
principio de caída libre,
ofrecer la oportunidad de analizar los defectos en los
extruidos,
enriquecer el conocimiento del proceso descrito en la
materia de Procesos de Conformado, subsanando la falta
de equipos de laboratorio.
2. Desarrollo
El proceso de extrusión de impacto se lleva a cabo
generalmente en frío, para nuestro planteamiento realizar la
extrusión en caliente facilita la obtención de resultados en
esta escala. Para el desarrollo de proceso, el prototipo está
compuesto de una estructura de acero de dos niveles
desmontable Fig. 2(a), base soporte de perfil, Fig. 2(b), el
dado de Ø8.4 mm x 4.2 mm de profundidad y vástago
extrusor (consistente en una válvula de admisión vehicular
de Ø7 mm en la parte de contacto) Fig. 2(c), un tubo guía
graduado de PVC Ø2 plg, Fig. 2(d) y el pisón de 3 kg, Fig.
2(e).
(a) (b)
(c)(d) (e)
Figura2 –(a) Estructura principal; (b) Perfil base-soporte; (c)
Dado - vástago extrusor: (d) Tubo guía; (e) Pisón.
2.1. Modelado del sistema y preparación de probetas
El modelado del prototipo se realizó usando Autodesk
Inventor Professional. El uso del software fue únicamente
para reducir el tiempo de construcción del prototipo, y que
en esta etapa del proyecto no se tiene contemplado un
análisis de simulación del prototipo, ver Fig. 3(a).
Las probetas son tomadas de un lingote triangular
fundido a barra de Ø7.8 mm, Fig. 3(b) y posteriormente
cortados los discos probeta con las siguientes dimensiones
Ø7.8x3.5 mm de altura, Fig. 3(c).
(a) (b)
(c)
Figura3 –(a) Modelado en Autodesk Inventor; (b) Fundición de
barra de stock; (c) Probeta.
Las pruebas se realizaron calentado a la misma
temperatura el dado y la probeta, auxiliados con un
cartucho de gas y un termómetro para el control de la
temperatura. Tomando en cuenta que la temperatura de
fusión del estaño es de 232 °C [6], se decidió tomar como
variable del proceso la temperatura de la probeta y se
determinaron los valores de temperatura mostrados en la
Tabla 1 siguiente para el desarrollo de los 6 ensayos.
Tabla 1–Condiciones iniciales de probetas.
Probeta Temperatura de
inicio, °C
Altura inicial (mm)
No. 1 100 3.5
No. 2 120 3.5
No. 3 140 3.5
No. 4 160 3.5
No. 5 180 3.5
No. 6 200 3.5
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150
200
250
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8
1 2 3 4 5 6
Atura inicial (mm) Altura final (mm)
Temperatura °C
Inicialmente, se realizó el calentamiento aplicando
directamente la flama sobre las probetas, pero esto acarreo
el problema de que se iniciaba la fundición de las piezas en
cuestión de segundos. Por lo anterior, se decidió colocar la
probeta en el dado y supervisar su temperatura aplicando la
flama directamente al dado practicado en la placa base.
2.2. Ensayos y resultados
La fuerza desarrollada por el prototipo en cada ensayo es
de 10 290 N (apéndice A), considerando h = 1.05 m y m =
3 kg. Una vez colocadas las probetas en el dado, se inicia el
proceso de calentamiento hasta la temperatura deseada y se
procede a liberar el pisón. Un sistema de poleas en la parte
superior del tubo guía permite el izamiento del pisón y un
perno para asegura su posición.
Se realizaron un total de 6 ensayos variando la
temperatura desde 100 hasta 200 °C. La Tabla 2 muestra
los resultados obtenidos.
Tabla 2–Comparativa de resultados.
Probeta Temperatura
de inicio, °C
Altura
inicial
(mm)
Altura
final (mm)
Diámetro
final (mm)
No. 1 100 3.5 6.05 8.34
No. 2 120 3.5 6.81 8.34
No. 3 140 3.5 7.17 8.34
No. 4 160 3.5 7.3 8.34
No. 5 180 3.5 7.6 8.34
No. 6 200 3.5 - 8.34
La Fig. 4 muestra un gráfico del comportamiento y
relación existente Altura final – Temperatura. El valor de
altura presentado es un promedio de tres lecturas tomadas.
Figura4 –Altura - Temperatura.
El valor de altura final de la probeta 6 no se presenta ya
que no fue posible determinarlo, esto a que debido al final
del ensayo la pieza se fracturó en varias partes. La Tabla 3
muestra los extruidos obtenidos en los ensayos.
Tabla 3–Extruidos.
Probeta Temperatura de
inicio, °C
Probeta extruida
No. 1 100
No. 2 120
No. 3 140
No. 4 160
No. 5 180
No. 6 200
Siendo una de las cualidades de este proceso el producir
elementos de paredes delgadas y homogéneas y como parte
de la recopilación de información [5], se determinó
seccionar los extruidos a la mitad para tomar medidas de
espesor de paredes y de la base. Se tomaron 4 medidas en
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diferentes puntos dela parte superior de las paredes en cada
ensayo y 4 medidas en la parte de la base, es decir; 2 en
cada mitad seccionada. Los resultados de las mediciones se
muestran en la Tabla 4 siguiente.
Tabla 4–Espesor en paredes y base.
Probeta Espesor de
pared
(mm)
Diámetro
interno
(mm)
Espesor de
base (mm)
Diámetro
final base
(mm)
No. 1
0.8, 0.9,
0.8, 0.9
7 2, 2,
2, 2
8.34
No. 2
0.8, 0.9,
0.8, 0.9
7 2, 2
2, 2
8.34
No. 3
0.84, 0.9,
0.84, 0.9
7 1.9, 1.9,
1.9, 1.9
8.34
No. 4
0.8, 0.82,
0.84, 0.8
7 1.9, 1.9,
1.9, 1.9
8.34
No. 5
0.74, 0.9,
0.74, 0.9
7 1.7, 1.7,
1.7, 1.7
8.34
No. 6 0.72, 0.92,
0.72, 0.92
7 1.5, 1.5,
1.5, 1.5
8.34
2.3. Defectos
Los extruidos presentaron defectos visibles en todos los
ensayos, y de acuerdo con la literatura se pueden identificar
con agrietamiento interno, agrietamiento de la superficie,
desgarre y fractura. Las causas atribuidas para estos
defectos son fricción, velocidad y temperatura elevada de
extrusión [2]. La Fig. 5 muestra algunas imágenes tipo de
los defectos presentes antes mencionados.
(a) (b)
(c) (d)
Figura5 –(a), (b)Agrietamiento interno; (c) Agrietamiento
externo;(d) Desgarre - fractura.
2.4. Análisis de resultados
Derivado de los ensayos en esta primera etapa del
proyecto, podemos indicar que los objetivos académicos
descritos anteriormente quedan en posibilidad de ser
cubiertos con el prototipo.
De acuerdo con los resultados presentados en la Tabla 2
y la Fig. 4 se puede establecer;
que la altura del extruido varía de manera constante con
la variación de la temperatura, aunque no de manera
proporcional.
que el espesor final de la base si mantiene un valor
homogéneo en los 6 ensayos.
que el diámetro interior si mantiene un valor
homogéneo en los 6 ensayos.
que con un mayor número de ensayos sería posible
comprobar en el aula que a 200 °C el estaño puro se
vuelve frágil [6].
Cabe señalar que se manejan como causas posibles de la
no uniformidad de las piezas las siguientes razones;
falta de control en la verticalidad del tubo guía del
pisón.
el “juego” presente en recorrido del pisón dentro del
tubo.
la falta de paralelismo entre las caras de las probetas.
que el diámetro interior si mantiene un valor
homogéneo en los 6 ensayos.
Si bien, el trabajo arroja la oportunidad el estudiante de
observar e proceso de extrusión inversa de impacto y los
defectos en ella, existe un área de oportunidad para seguir
manipulando variables y agregar algunas como la
lubricación o inclusive modificar el dado para realizar
ensayos de alguno de los otros de tipos de extrusión
conocidos.
Apéndice A. Fuerza de impacto
Para los cálculos se toma como valor de la altura 1.05 m y
el valor de la masa 3 kg.
Al inicio de la caída libre tenemos energía potencial a
ser desarrollada,
𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ (1)
La velocidad de impacto
𝑣 = √2𝑔ℎ = 4.536𝑚
𝑠 (2)
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Al iniciar la caída ahora la energía cinética a la
velocidad marcada es:
𝐸𝑐 = 1 2𝑚⁄ 𝑣2 = 30.870𝐽 (3)
Se puede observar en el video que existe un rebote del
pisón y se tomó un valor de 3 mm, por lo que la fuerza de
impacto será el residuo dela energía cinética y el rebote;
𝐹 = 30.870 . 003 = 10290 𝑁⁄ (4)
Referencias
[1]Diana María Garófalo Méndez y Mario Gonzalo Hidalgo León. “Diseño y Construcción de Prototipo de Extrusión Directa para Producir Perfiles de Plomo Artesanal”. Ecuador: Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción, Escuela Superior Politécnica del Litoral, (2011).
[2] S. kalpakjian, S. R. Schmid, Manufactura, ingeniería y tecnología(p. 402, 412) (5ta ed.). México: Pearson Educación (2008).
[3] G. Pacheco, “Diseño y construcción de una extrusora lateral y obtención de fuerzas”. España: Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2007).
[4] M. Cristobal, E. I. Ramírez, O. Ruiz, A. Ortiz “Análisis del proceso de extrusión directa de un tubo mediante FEM”, México: Memorias de XXI Congreso de la SOMIM (2016).
[5] M. Groover, “Fundamentos de manufactura moderna” (pp. 416-419). México: Mc Graw-hill (2007).
[6] H. Appold, K. Feiler, A. Reinhard, P. Schmidt, “Tecnología de los metales” (pp. 61-62). México: Reverte (2005).
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