Diseño y construcción de una extrusora lateral y obtención de fuerzas

Abstract

El objetivo de este proyecto ha sido el de investigar sobre los procesos de extrusión lateral, un tipo de extrusión poco tratado en los libros y artículos específicos, con el objetivo de diseñar nosotros mismos una sencilla extrusora lateral y luego ensayarla. En la mayoría de las fuentes en las que se hablan sobre procesos de extrusión la extrusión lateral es un proceso el cual se pasa un poco por encima, hasta el punto de que no se ha encontrado una fórmula, ni estimaciones ni cálculos referentes a la presión de extrusión necesaria para llevar a cabo un proceso de extrusión lateral. Lo más parecido a estimar un proceso de extrusión lateral que se puede encontrar en la literatura específica son los denominados “Experimentos de Johnson”, en los cuáles su autor, W. Johnson, analiza la influencia de la geometría de la matrices y el flujo del material en la presión de extrusión. Aunque no utilizó una extrusora lateral propiamente dicha, algunas de las geometrías que ensayó Johnson y algunos de sus experimentos con flujos asimétricos aportan datos importantes acerca de cómo afectan el flujo del material y la geometría de la máquina a la presión de extrusión requerida, lo que no ha servido de guía para nuestro diseño. Otro caso particular de gran interés es el llamado proceso de extrusión en canal angular constante (ECAE), un proceso único de conformado en frío que permite deformar intensamente un material sin variar las dimensiones iniciales del mismo. Este proceso consiste en extrudir en frío una barra de material a través de un canal con un ángulo a 90 grados y con idénticas dimensiones de entrada y salida. Por desgracia, a pesar de la similitud geométrica que existe entre la extrusión ECAE y la extrusión lateral, no son procesos similares. No obstante, al igual que con los experimentos de Johnson, los fundamentos analíticos de la extrusión ECAE nos han sido de mucha ayuda a la hora de afrontar nuestro diseño. Tras una intensa búsqueda de información para tratar de comprender los procesos que rigen un ensayo de extrusión lateral, afrontamos el diseño de una máquina extrusora sencilla para extrudir probetas de metales blandos como plomo o estaño. Nuestro diseño consiste básicamente en un contenedor de acero que se tapa en el extremo inferior mediante un macho con una pequeña inclinación para dirigir el flujo de material hacia la matriz. Para las matrices decidimos utilizar tornillos taladrados en el centro con el diámetro elegido y como elemento portamatriz se utilizó una tuerca soldada al contenedor. En cuanto a la fabricación de la extrusora, decidimos valernos en la medida de lo posible de todo el material que pudiéramos encontrar en el taller de fabricación, en particular de tubos y barras de acero con el consiguiente ahorro de tiempo y dinero. Los tornillos y la tuerca se tuvieron que buscar fuera. Todos los elementos han sido mecanizados en los talleres de la escuela. Todos los cálculos y el diseño de nuestra extrusora lateral se hicieron pensando en utilizar como prensa una máquina universal con 250 kN de capacidad, pero finalmente dicha máquina tenía instalada una célula de carga de 50 kN, lo que limitó el alcance de nuestros experimentos. Estaba pensado realizarse varios ensayos con estaño y plomo y finalmente tuvimos que ensayar con probetas de plomo y plastilina. También por cuestiones de tiempo los experimentos se redujeron a un ensayo con plomo y otro con plastilina. Los resultados de nuestros experimentos y las conclusiones que hemos sacado de estos son poco esclarecedoras ya que consideramos que para realizar un buen análisis del proceso de extrusión lateral habrían sido necesarios muchos más ensayos. Una buena metodología habría implicado controlar exhaustivamente todas las variables del proceso, como por ejemplo la temperatura, o caracterizar adecuadamente los materiales a extrudir mediante ensayos de aplastimiento, todo esto se tuvo que obviar por cuestiones de tiempo. De igual modo la simulación mediante el software DEFORM 3D se supone que debía haber sido un proceso paralelo al diseño análitico de la extrusora, pero nuevamente no pudimos coordinar nuestros esfuerzos. Por último, no quisieramos acabar con el desánimo de la falta de tiempo, problemas de coordinación, etc. Obviamente los problemas a los que nos enfrentamos fueron muchos y el tiempo es un factor esencial, pero hemos profundizado en el conocimiento del flujo de material y de la geometría a la hora de calcular un proceso de extrusión, se ha diseñado una extrusora sencilla y barata que cumple bien con su cometido y hemos comprobado que los procesos de extrusión son fáciles de implementar con el equipo adecuado. A falta de que la simulación con software arroje más luz sobre nuestros experimentos, estamos seguro de que alguien con la misma dedicación y más tiempo podrá valerse del trabajo aquí iniciado para seguir profundizando en el estudio de la extrusión lateral.

The purpose of this project has been the investigation of the lateral extrusion processes, a type of extrusion that has not been dealt with in the specific books and articles, with the aim of designing ourselves a simple lateral extruder and then testing it. In most of the sources in which extrusion processes are discussed, lateral extrusion is a process that is passed a little above, to the point that no formula has been found, neither any estimations or calculations regarding the necessary pressure of extrusion to carry out a lateral extrusion process. The nearest point to estimating a lateral extrusion process that can be found in the specific literature are the so-called "Johnson Experiments", in which its author, W. Johnson, analyzes the influence of the geometry of the dies and the flow of the materials in the extrusion pressure. Although not using a side extruder proper, some of the geometries tested by Johnson and some of his experiments with asymmetric flows provide important information about how they affect the flow of material and the geometry of the machine at the required extrusion pressure. His works have served us as a guide for our design. Another particular case of great interest is the so-called Equal Channel Angular Extrusion process (ECAE), a unique cold forming process that allows the deformation of a material without changing its initial dimensions. This process consists of cold extruding a bar of material through a channel with an angle of 90 degrees and with identical dimensions of input and output. Unfortunately, despite the similarity of gauge between ECAE extrusion and lateral extrusion, they are not similar processes. However, as with Johnson's experiments, the analytical fundamentals of ECAE extrusion have been very helpful in our design. After an intense research for information to try to understand the processes that govern a lateral extrusion test, we faced the design of a simple extruder to extrude samples of soft metals such as lead or tin. Our design basically consists of a steel container that is capped at the lower end by an in-male with a small inclination to direct the flow of material towards the die. For the dies we decided to use screws drilled in the center with the chosen diameter and as a matrix element, a nut welded to the container was used. As far as the manufacture of the extruder is concerned, we decided to use as much material as possible in the manufacturing shop, in particular steel tubes and bars, saving time and money. The screws and the nut had to be searched out. All elements have been machined in our school workshops. All calculations and the design of our side extruder were made with the intention of using a universal machine with 250 kN capacity as a press, but finally the machine had a 50 kN load cell installed, which limited the scope of our experiments. It was planned to carry out several tests with tin and lead and finally we had to try with lead and plasticine test pieces. Also for reasons of time the experiments were reduced to one test with lead and one with plasticine. The results of our experiments and the conclusions we have drawn from them are not very enlightening since we consider that to carry out a good analysis of the lateral extrusion process many more tests would have been necessary. A good methodology would have involved exhaustively controlling all process variables, such as temperature, or properly characterizing the materials to be extruded by crushing tests, all of which had to be obviated over time. Likewise, the simulation using DEFORM 3D software was supposed to have been a parallel process to the extruder's design, but again we could not coordinate our efforts. Finally, we do not want to end the discouragement of lack of time, problems of coordination, etc. Obviously the problems we faced were many and time is an essential factor, but we have deepened our knowledge of the flow of material and geometry when calculating an extrusion process, a simple and inexpensive extruder has been designed Which performs well with its mission and we have verified that the extrusion processes are easy to implement with the right equipment. In the absence of software simulation throwing more light on our experiments, we are sure that someone with the same dedication and more time will be able to use the work started here to further deepen the study of lateral extrusion