Estudio experimental de los mecanismos de transferencia de calor en la superficie de contacto pieza-herramienta

Abstract

Esta memoria científica se basa en diversos trabajos de investigación que versan sobre el estudio de la transferencia de calor en superficies de contacto térmico. La finalidad de este estudio es la determinación de valores fiables de la resistencia térmica de contacto (RTC). Este coeficiente aparece para simplificar la modelización de la transferencia de calor en una superficie de contacto. La RTC sustituye la brusca variación de temperatura que tiene lugar en las proximidades de la zona de contacto por una discontinuidad calculada de forma teórica. Podemos dividir este proyecto en dos partes fundamentales: 1. Construcción de un dispositivo experimental, en el cual se pone en contacto una pieza a alta temperatura con una herramienta a temperatura ambiente, procediendo luego a la compresión de la pieza. A partir de este dispositivo obtenemos la distribución de temperaturas real. 2. Un modelo teórico realizado con ayuda del programa (SYSTUS), nos permitirá obtener la distribución de temperatura teórica. La determinación del valor de la RTC se lleva a cabo por comparaciones sucesivas entre los dos estudios: teórico y práctico. La primera etapa de mi trabajo fué consacrada al análisis de las experiencias realizadas anteriormente sobre el tema. Este pre-estudio permitió la toma de decisiones en cuanto al modo de proceder y la instrumentación a utilizar. La siguiente etapa consistió en la consulta de varios proveedores, con objeto de obtener el material necesario. Paralelamente comenzó el aprendizaje de SYSTUS, con la finalidad de poder explotar los resultados obtenidos experimentalmente. Otra parte del tiempo estuvo dedicado al estudio del sistema de adquisición de datos y por último a la fabricación de la pieza y la herramienta en los talleres del ICAM. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL El dispositivo experimental está compuesto por cinco elementos: una prensa, un horno de precalentamiento, una pieza instrumentada con un termopar, una herramienta de compresión conteniendo una matriz instrumentada con tres termopares y un sistema de adquisición. La prensa: prensa mecánica Testatron de 1 Ot, v=500 mm/min, medidas de esfuerzo y desplazamiento. Posibilidad de programar la fuerza en escalones, rampas ... Señal de salida ±1 OV. La pieza: 20mm de diámetro, 30mm de altura en acero XC38. Se realiza una perforación de 1 mm de diámetro a una distancia de 1 mm de la superfie de contacto, con objeto de introducir el termopar. La herramienta está compuesta por un anillo de acero 42CD4 (<P=130mm, h=65mm) que contiene la matriz, y la matriz de acero Z200C13 (<P=60mm, h=35mm) fabricada en dos semicilindros. Una de las mitades contiene tres ranuras, destinadas a colocar los termopares. Los termopares son de tipo K (Ni-Cr/Ni-AI) debido a la temperatura a soportar y su bajo coste. Se escoge para la matriz hilo de termopar de 0,5mm de diámetro. El aislamiento de los termopares en el interior de la matriz queda asegurado por un cemento refractario, y en el exterior, por un aislamiento de teflón. Para la pieza utilizamos una sonda de termopar subminiatura con blindaje metálico de 1 mm de diámetro. El principal requisito del sistema de adquisición es la adaptación a varias escalas de entrada (termopares: 0-1 OOmV; fuerza y desplazamiento: 0-1 OV). Los termopares asi como las medidas de fuerza y desplazamiento de la prensa se conectan a una tarjeta de adquisición en la que la señal de entrada va de 0.1V a 1 OV. A continuación se tratan los resultados mediante el programa LABVIEW. DISPOSITIVO TEORICO El estudio teórico se hace a través de SYSTUS. Es un programa concebido para el estudio del comportamiento termomecánico de estructuras. Desarrolla una simulación numérica utilizando para ello el método de elementos finitos, aplicado a una estructura modelizada por medio de un mallado. El primer paso es la representación geométrica del dispositivo y mallado del mismo. Se realizó a continuación un programa térmico, destinado al cálculo de RTC durante el contacto estático (sin ejercer presión) entre pieza y herramienta. Dicho programa toma como variable de entrada entre otras, la RTC, calculando la evolución de la temperatura en los distintos puntos del modelo representado. Se intentó realizar un modelo temomecánico, llegando a la conclusión de la inadaptabilidad del programa a la resolución del problema dado. Se tomó por tanto la resolución de realizar el estudio teórico sirviéndose únicamente de este modelo térmico. Tanto el dispositivo experimental como el teórico fueron realizados. No obstante, debido a un retraso en el pedido del material de acquisición y en la fabricación de la matriz, no se pudieron realizar medidas reales que permitan verificar la validez del dispositivo teórico. La instalación de tal dispositivo en los laboratorios del ICAM permitirá el estudio de diversas aplicaciones industriales. Exinten múltiples procesos industriales en los que encontramos una pieza en contacto con las herramientas de trabajo, sometidas a campos de temperatura muy diferentes. El enfriamiento de la pieza y calentamiento de la herramienta es debido esencialmente al flujo de calor transmitido entre ambas. Este flujo representa en el caso de la forja el 90% de las pérdidas térmicas. Tanto dichas pérdidas como la calidad final de la pieza pueden ser mejoradas optimizando los valores de la Resistencia Térmica de Contacto.