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Aumento de la vida útil de las matrices de extrusión en frío: Estrategias clave

Última actualización:
19 de abril de 2024
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Índice

Del análisis se desprende que las condiciones de trabajo de las matrices de extrusión en frío son extremadamente duras, lo que provoca su corta vida útil. Esto es especialmente cierto en el caso de las matrices utilizadas en la extrusión en frío de materiales de acero. Por lo tanto, para promover el desarrollo de la tecnología de extrusión en frío, la investigación en profundidad de la vida útil de las matrices de extrusión en frío es una cuestión clave.

Existen principalmente dos aspectos para prolongar la vida útil de las matrices de extrusión en frío:

Reducción de la fuerza de extrusión unitaria

a) Elección del método de deformación adecuado

Cuando una pieza puede formarse utilizando diferentes métodos de extrusión, debe elegirse el método con menor fuerza unitaria de extrusión. Por ejemplo, utilizar un eje de proceso para convertir la extrusión simple directa o indirecta en extrusión compuesta es una medida eficaz para reducir la fuerza unitaria de extrusión y prolongar la vida útil de la matriz.

Durante el moldeo por extrusión, la dirección de la resistencia a la fricción es siempre opuesta a la dirección del flujo del metal. Por lo tanto, los métodos de extrusión mostrados en la Figura 9-15 pueden utilizarse para reducir la fuerza unitaria de extrusión.

Figura 9-15: Extrusión mediante fuerza de fricción
Figura 9-15: Extrusión mediante fuerza de fricción

a) extrusión directa, y b) extrusión indirecta.

Los componentes están numerados del siguiente modo:

1 - Puñetazo
2 - Cilindro de extrusión
3 - Pieza extruida
4 - Morir
5 - Varilla eyectora

b) Elegir el grado de deformación adecuado

En la producción real, para aumentar la productividad y reducir el número de operaciones de deformación, a menudo se adopta el método de aumentar el grado de deformación, que es inadecuado. Esto aumenta inevitablemente la fuerza unitaria de extrusión, lo que provoca un fallo prematuro de la matriz. Por lo tanto, durante el diseño del proceso, debe controlarse estrictamente el grado de deformación permitido.

c) Utilización de la forma óptima de la matriz

Independientemente de si se trata de una matriz de extrusión directa o indirecta, debe existir una forma óptima que minimice la fuerza unitaria de extrusión. Por lo tanto, en la producción real, debe utilizarse la simulación numérica del flujo de metal para encontrar la forma óptima de la matriz a fin de reducir la fuerza de extrusión unitaria y prolongar la vida útil de la matriz.

d) Elegir la forma adecuada de la pieza en bruto

Los datos disponibles indican que el uso de una forma razonable de la pieza en bruto puede reducir la fuerza unitaria de extrusión. Por lo tanto, las piezas en bruto utilizadas para la extrusión en frío no se toman directamente de la materia prima cortada, sino que se procesan mediante una operación de preformado.

e) Pretratamiento estricto del blanco

Un tratamiento razonable de recocido y lubricación superficial de la pieza en bruto antes de la extrusión en frío puede reducir significativamente la fuerza unitaria de extrusión. Por ejemplo, en la extrusión en frío de materiales de acero, la fuerza de extrusión diferirá aproximadamente a la mitad dependiendo de si se utiliza un tratamiento de fosfatado antes de la extrusión.

Aumento de la resistencia del moho a los daños

(1) Mejora de la calidad de los moldes y desarrollo de nuevos materiales

Mejorar la calidad de los materiales de moldeo existentes y desarrollar otros nuevos son métodos fundamentales para prolongar la vida útil del molde.

1) La principal forma de mejorar la calidad de los materiales para moldes es exigir a las plantas metalúrgicas que mejoren su calidad metalúrgica. Para ello no sólo es necesario garantizar la composición química del acero, sino también la pureza y uniformidad del acero para moldes. Para los fabricantes, es esencial reforzar la inspección de las materias primas y adoptar oportunamente algunas medidas de proceso eficaces para mejorar la calidad de los materiales de molde.

2) En los últimos años, se han realizado importantes avances en el desarrollo de nuevos materiales para moldes, tanto a nivel nacional como internacional. Se han desarrollado numerosos materiales innovadores para moldes, como nuevos aceros rápidos, aleaciones duras con aglutinante de acero, aceros base y materiales cerámicos, que ofrecen condiciones favorables para mejorar la resistencia de los moldes y prolongar su vida útil.

Sin embargo, es crucial conocer a fondo las propiedades de estos nuevos materiales y elegirlos correctamente en función de las condiciones de trabajo específicas para evitar un uso incorrecto, que podría dar lugar a graves residuos y efectos de uso potencialmente insatisfactorios.

(2) Selección correcta de los materiales del molde

Elegir correctamente el material de molde adecuado en función de las condiciones de trabajo del molde de extrusión en frío es una medida clave para prolongar la vida útil del molde y reducir los costes. Por lo tanto, deben tenerse en cuenta las dos cuestiones siguientes a la hora de seleccionar los materiales del molde.

1) La selección de los materiales del molde debe basarse en las condiciones de trabajo del molde. Las condiciones reales de trabajo de los moldes de extrusión en frío suelen variar, y los modos de fallo no son completamente iguales. Si el molde falla principalmente debido al desgaste, no es necesario elegir materiales de molde de alta resistencia; en su lugar, se deben elegir materiales de molde con alta resistencia al desgaste.

Si el molde está sometido a grandes fuerzas excéntricas y falla principalmente por rotura (como los moldes de punzonado), deben elegirse materiales de molde con alta tenacidad. La experiencia demuestra que si el material del molde seleccionado no puede cumplir los requisitos de uso en algunos aspectos, puede acortar la vida útil del molde y provocar fallos prematuros.

2) La selección de materiales para moldes también debe tener plenamente en cuenta los beneficios económicos. Como es bien sabido, los precios de los materiales de moldeo son generalmente bastante altos, especialmente para algunos materiales de moldeo avanzados. Por lo tanto, al seleccionar los materiales de moldeo, es necesario elegir materiales de moldeo más asequibles en la medida de lo posible sin dejar de cumplir los requisitos de uso, y evitar absolutamente el uso indebido arbitrario de materiales de moldeo avanzados.

(3) Diseñar una estructura de moldes razonable

Una estructura de molde razonable es una medida importante para mejorar la capacidad de carga del molde y prolongar su vida útil. En resumen, deben tenerse en cuenta los siguientes puntos.

1) Garantizar que el molde tenga suficiente resistencia, rigidez, fiabilidad y un buen rendimiento de guiado.

2) Evitar en la medida de lo posible la formación de una estructura de molde con grandes concentraciones de tensiones. Por ejemplo, las piezas de transición deben diseñarse con un radio de filete suficientemente grande; deben adoptarse estructuras divididas para las piezas de cavidad de molde propensas a agrietarse, etc.

3) Deben elegirse diferentes métodos de diseño de optimización en función del tipo de material de la matriz utilizado. Por ejemplo, cuando se utilizan aleaciones duras o aleaciones duras con aglomerante de acero para la matriz, el diseño de optimización debe tener como objetivo la tensión de tracción cero en la pared interior de la matriz.

Cuando se utiliza acero para herramientas para la matriz, tanto la matriz como el material del anillo pretensado deben rendir simultáneamente como función objetivo para el diseño de optimización. De este modo, se puede aprovechar al máximo el potencial del material del molde.

4) Adoptar nuevas estructuras de molde de eficacia probada. Por ejemplo, el uso de una matriz de bobinado de fleje de acero o una matriz de bobinado de alambre puede garantizar que el molde tenga una gran resistencia al tiempo que reduce el tamaño y el peso del molde; el uso de una matriz combinada escalonada puede soportar una mayor presión interna radial que una matriz combinada de boca plana del mismo tamaño.

(4) Adoptar un proceso de falsificación razonable

La distribución y la forma de los carburos en el acero de molde tienen un impacto decisivo en sus propiedades mecánicas; y la deformación de forja es el principal método para romper los carburos en forma de bloque y de banda en el acero, haciendo que se distribuyan uniformemente como partículas diminutas para eliminar la anisotropía del material y mejorar la calidad interna.

Aunque los materiales para moldes suministrados por las acerías han sido sometidos a un cierto grado de procesamiento a presión, no pueden cumplir los requisitos de uso y deben someterse a una nueva forja. Al volver a forjar el acero para moldes, hay que tener en cuenta las siguientes cuestiones.

1) Comprender plenamente que el objetivo principal de volver a forjar los materiales del molde es mejorar las propiedades mecánicas, y sólo en segundo lugar cambiar la forma.

2) Prestar especial atención a las diferencias entre los materiales del molde de forja y los materiales generales de forja, y cumplir estrictamente las especificaciones del proceso de forja de los materiales del molde.

3) Para romper completamente los carburos y hacer que se dispersen uniformemente, se debe adoptar una alta relación de forja y un método de extrusión multidireccional para la forja.

(5) Adoptar un proceso de tratamiento térmico razonable

Según las estadísticas nacionales e internacionales sobre fallos prematuros de moldes, la mayor proporción de fallos prematuros de moldes se debe a procesos de tratamiento térmico poco razonables. La experiencia demuestra que el proceso de tratamiento térmico del molde es uno de los medios importantes para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales del molde.

Para garantizar que el molde tenga una alta resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza al calor, se deben añadir procesos de tratamiento térmico de fortalecimiento de la superficie además de los métodos de tratamiento térmico de temple y revenido. Esto puede mejorar significativamente la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de la superficie de trabajo del molde. Actualmente, los siguientes procesos de tratamiento térmico de fortalecimiento de la superficie se utilizan para el acero de molde de extrusión en frío.

1) Carbonitruración

La infiltración simultánea de carbono y nitrógeno en la superficie del acero se denomina carbonitruración. Pertenece a un tipo de tratamiento térmico químico de coinfiltración multielemento.

La carbonitruración presenta varias ventajas en comparación con la carburación.

① La superficie de la capa infiltrada tiene mayor dureza y resistencia al desgaste que el acero carburizado, así como cierta dureza al calor y resistencia a la corrosión.

② El nitrógeno disuelto en la austenita aumenta la estabilidad de la austenita sobreenfriada, mejorando así la templabilidad de la capa infiltrada.

③ La introducción de nitrógeno puede reducir la temperatura a la que se forma la austenita, evitando el engrosamiento del grano.

④ La deformación de la carbonitruración es menor que la de la cementación.

Debido a la serie de ventajas mencionadas anteriormente, la carbonitruración tiende actualmente a sustituir a la carburación en el proceso de tratamiento térmico de refuerzo superficial de los moldes.

Los procesos de carbonitruración pueden dividirse en sólidos, líquidos y gaseosos en función del estado de los materiales utilizados. La carbonitruración con cianuro se ha ido eliminando en los últimos años debido a su elevada toxicidad. En cambio, la carbonitruración gaseosa no es tóxica, ofrece buenas condiciones de trabajo, es fácil de manejar y de controlar. Por ello, la carbonitruración gaseosa se utiliza mucho en la actualidad.

2) Nitrocarburación con gas

Se refiere a un tipo de carbonitruración gaseosa que implica principalmente la infiltración de nitrógeno realizada a temperaturas inferiores a la temperatura eutéctica del sistema ternario Fe-C-N. La superficie del molde después de la nitrocarburación gaseosa tiene mayor resistencia, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Actualmente, este proceso de tratamiento térmico de refuerzo de la superficie se ha empezado a utilizar en moldes de extrusión en frío y ha obtenido buenos resultados.

Por ejemplo, el molde de punzón utilizado por cierta fábrica para la extrusión en frío de 15 asientos de acero para instrumentos, cuando estaba hecho de acero base CG-2 sin tratamiento de nitrocarburación con gas, tenía una vida útil de 14.500 piezas, pero después del tratamiento de nitrocarburación, la vida útil media alcanzaba las 27.500 piezas, y la más alta llegaba a las 45.600 piezas.

Las especificaciones del proceso de nitrocarburación con gas son: la temperatura de calentamiento es de 530~570℃, y el tiempo de mantenimiento es generalmente de 1~16h.

Además, la nitruración iónica, el cromado duro, la deposición de vapor de TiC, la infiltración de vanadio en baño salino, la infiltración de boro, así como las tecnologías de ingeniería de superficies de tierras raras y de nanoingeniería de superficies, también se están aplicando en el tratamiento térmico de refuerzo superficial del acero para moldes de extrusión en frío. Todas ellas pueden mejorar la resistencia de la superficie del molde en diferentes grados y prolongar la vida útil del molde.

(6) Garantizar la calidad del mecanizado y adoptar nuevos métodos de procesamiento

1) Garantizar estrictamente la calidad del mecanizado.

Una mayor calidad de mecanizado puede prolongar la vida útil de la matriz. Por lo tanto, deben tomarse medidas de proceso eficaces para garantizar el cumplimiento de los requisitos técnicos especificados. La experiencia demuestra que para lograr una mayor calidad de mecanizado en el procesamiento mecánico de las matrices de extrusión en frío, se debe hacer hincapié en los siguientes puntos:

i) Tras el mecanizado final de la matriz de punzón, todas las piezas de transición deben ser lisas y sin juntas. La parte de trabajo debe ser coaxial con la parte de sujeción, y su forma debe ser estrictamente simétrica. De lo contrario, no sólo se producirá un grosor desigual de la pieza extruida, sino que la propia matriz de punzón también podría doblarse debido a la tensión unilateral.

ii) Para garantizar la alta resistencia de la matriz de punzonado y evitar el agrietamiento debido a la concentración de tensiones, la matriz de punzonado no debe tener agujeros centrales residuales en ninguno de los extremos. Por lo tanto, al procesar la matriz de punzonado, debe reservarse una "protuberancia" en la superficie superior para perforar el agujero central.

iii) En general, la rugosidad superficial de la matriz de punzonado debe cumplir ciertos requisitos basados en el tipo de materia prima de la pieza extruida. Para las matrices de punzonado de extrusión inversa de acero, la rugosidad superficial Ra debe ser <0,2μm; para metales no ferrosos como el aluminio puro, basta con una rugosidad superficial Ra de 0,8μm.

Sin embargo, para la parte de la banda de trabajo, independientemente de si el material extruido es acero o metal no ferroso, debe mantenerse una rugosidad superficial Ra de <0,2μm.

iv) Cuanto menor sea la rugosidad superficial de la cavidad de la matriz de extrusión hacia delante o hacia atrás, mejor, por lo general debe ser Ra<0,2μm. La cavidad de la matriz que ha sido esmerilada y luego pulida puede reducir la fuerza unitaria de extrusión, alargando significativamente la vida útil de la matriz.

v) El rectificado o pulido de la parte de trabajo de la matriz debe realizarse después del tratamiento térmico final. La tolerancia de mecanizado dejada antes del rectificado no debe ser superior a 0,1 mm, y la rugosidad superficial Ra debe ser <1,6μm. Para eliminar las tensiones residuales después del rectificado, lo mejor es realizar un tratamiento de recocido de alivio de tensiones una vez finalizado el rectificado.

2) Adoptar nuevos métodos de transformación.

Además de los métodos generales de procesamiento mecánico, el procesamiento de matrices de extrusión en frío también incluye métodos como el mecanizado por descarga eléctrica, el procesamiento electrolítico y la extrusión en frío de cavidades de matrices, así como métodos de procesamiento novedosos como el mecanizado de ultraprecisión y el fresado de alta velocidad. A continuación, presentaremos brevemente el método de extrusión en frío de cavidades de troqueles.

La esencia de la extrusión en frío de cavidades de troqueles consiste en procesar directamente la cavidad del troquel mediante el proceso de extrusión en frío basado en el principio de conformación plástica de metales. Suele implicar procesar primero una matriz de punzonado de alta dureza a partir de acero para herramientas de acuerdo con la forma de la cavidad de la matriz.

A continuación, bajo la acción de una máquina de extrusión de cavidades (o de una prensa hidráulica de gran tonelaje), la matriz de punzonado se presiona contra la pieza en bruto, creando así una cavidad de matriz que se ajusta a la forma, el perímetro y el tamaño de la pieza de trabajo de la matriz de punzonado de forma invertida cóncava-convexa.

Existen muchos métodos de extrusión en frío de cavidades de troqueles, entre los cuales el más común es la extrusión de cavidades dentro del bastidor del troquel, como se muestra en la Figura 9-16. El proceso de trabajo es el siguiente: la pieza en bruto recocida y ablandada se coloca previamente en el bastidor de la matriz, y la matriz de punzón se presiona en la pieza en bruto bajo la acción de la prensa hidráulica.

Figura 9-16: Extrusión de cavidades en el troquel

1. Perforar
2. Placa guía
3. Anillo exterior
4. Anillo interior
5. Bloque de ajuste cónico
6. En blanco

En este momento, el metal en bruto sólo puede fluir hacia arriba, asegurando un estrecho contacto entre la pieza en bruto y la matriz de punzonado. Como resultado, la precisión de la cavidad de la matriz puede alcanzar IT6-IT7, la forma geométrica es correcta y la rugosidad superficial Ra es de 0,1~0,2μm.

La matriz de punzonado para extrusión en frío de la cavidad de la matriz es un componente crítico relacionado con el éxito o el fracaso del conformado. Se debe prestar atención a la fabricación de esta matriz de punzonado. En general, deben tenerse en cuenta las siguientes cuestiones:

i) Para reducir la concentración de tensiones, la parte de transición de la matriz del punzón no debe presentar cambios bruscos y debe tener un radio de curvatura mínimo de 0,2 mm.

ii) Para garantizar que la matriz de punzón tenga una alta resistencia y dureza, se debe seleccionar acero de ultra alta resistencia como materia prima para la matriz de punzón, y se deben aplicar estrictos procesos de deformación de forja y tratamiento térmico.

iii) Después del tratamiento térmico, la parte de trabajo de la matriz del punzón debe rectificarse de nuevo, con una rugosidad superficial Ra≤0,1μm.

iv) Para garantizar la precisión de guiado de la matriz de punzonado, la longitud de la pieza de guiado de la matriz de punzonado no debe ser, en general, inferior a 1,2 veces la dimensión radial máxima de la cavidad de la matriz.

Cabe señalar que la tasa de producción de la fabricación de cavidades de matriz por extrusión en frío es mucho mayor que el procesamiento de corte. Y lo que es más importante, tras la formación de la cavidad de la matriz por extrusión en frío, la estructura interna de la matriz es más densa, y su solidez y resistencia al desgaste son mayores, lo que prolonga la vida útil de la matriz.

Sin embargo, debido a que la resistencia del material de la matriz formado por extrusión es mayor y su plasticidad es menor, este método de procesado sólo se utiliza para formas sencillas y procesado de cavidades de matriz poco profundas.

(7) Uso racional y mantenimiento de los troqueles

La comprensión de las características del conformado por extrusión en frío y el uso racional y el mantenimiento cuidadoso de las matrices son también medidas importantes para prolongar la vida útil de las matrices.

Durante las bajas temperaturas del invierno, es mejor precalentar la matriz antes de usarla para evitar que se agriete. Durante la producción de extrusión en frío, debido al efecto del calor, el aumento de temperatura de la matriz es rápido, por lo que la matriz debe enfriarse regularmente.

Para las matrices que experimentan grandes fuerzas, después de unos pocos miles de extrusiones, se debe realizar un tratamiento de recocido de alivio de tensión a 160~180℃ durante 2 horas.

Para los anillos pretensados exteriores e intermedios que se utilizan repetidamente, después de múltiples extrusiones, se debe realizar un tratamiento de recocido de alivio de tensiones a 180℃ durante 2 horas; de lo contrario, los anillos pretensados intermedios y exteriores pueden agrietarse repentinamente, no sólo dañando la matriz, sino también causando posibles accidentes personales.

Para prolongar la vida útil del troquel, debe establecerse un sistema completo de mantenimiento y cuidado. Debe asignarse personal designado para ajustar la prensa con prontitud, así como para realizar los trabajos de reparación, ajuste y almacenamiento del troquel. Durante el almacenamiento y el transporte del troquel, deben tomarse medidas de prevención de la oxidación, y debe haber bloques de límite que protejan entre las bases superior e inferior del troquel para evitar daños.

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