MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE CORTE POR RADIACIÓN USANDO SENSORES INFRARROJOS

G. Zamora Olea

Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción, Escuela Superior Politécnica del Litoral,

Guayaquil, Ecuador

gezamora@espol.edu.ec

Resumen

En los procesos de remoción de material conocidos como procesos de mecanización unos de los

elementos que se ve mayormente afectado en su vida útil es la herramienta de corte, lo cual puede

deberse a la fricción, ciclos de fuerzas de impacto, los grandes esfuerzos de corte y las altas

temperaturas, este ultimo efecto puede a su vez causar serios problemas de desgaste e incluso

problemas con las tolerancias geométricas por los efectos de la dilatación

Es por eso que la medición de temperatura de corte se ha convertido en un campo amplio de

investigación en aras de mejorar la eficiencia del procesos y optimizar el tiempo de vida útil de las

cuchillas, brocas, fresas y similares. Uno de esos métodos es el de radiación usando sensores o

detectores infrarrojos los cuales si bien solo permiten conocer la distribución de temperaturas

superficiales, con la ayuda de otras pruebas y análisis matemáticos se pueden estimar lo que sucede

internamente y determinar valores promedios llegando así a conocer las condiciones térmicas de corte y

que nos será de gran beneficio para tomar las decisiones y precauciones necesarias al momento de

diseñar un proceso total de mecanizado.

Palabras clave: sensor infrarrojo, herramienta de corte, temperatura, radiación.

Introducción

Cualquiera que sea la forma de medir la

distribución de temperaturas, si interviene la

radiación como factor preponderante,

seguramente su funcionamiento se regirá por

las leyes de radiación electromagnética del

cuerpo negro. De acuerdo a Planck la potencia

irradiada por unidad de área Wλ depende de la

temperatura absoluta T y la longitud de la onda

λ:

�� � ������

�� ������

(1)

Donde h es la constante de Planck igual a

6.626x10-34

J-s, c es la velocidad de la luz

2.998x108 m/s y por último la constante de

Boltzman 2.380x10-23 J/ºK. Diferenciando la

ecuación 1.1 se puede encontrar a qué

temperatura ó longitud de onda λmax se genera

la potencia máxima irradiada o absorbida;

integrándola se puede estimar la potencia total

W:

����� � 2897.8 � ºK (2)

� � 5.67 % 10�(�)*�/ , (3)

Las temperaturas a las cuales se trabaja a nivel

industrial suelen estar entre 2000 ºK o menos y

como se sabe a altas temperaturas se irradia

energía especialmente en el rango infrarrojo,

por eso gran parte de los medidores de

temperatura de corte por radiación están

encaminados hacia dicha región del espectro

electromagnético. Cabe recalcar que el

concepto de cuerpo negro es ideal y que ningún

material de herramienta ni de material de

trabajo cumple dicha condición pues solo se

emite una fracción de la energía radiante, por lo

tanto debe tomarse en cuenta la transmisividad

y reflectibilidad, parámetros dependientes de la

rugosidad de la superficie, óxido y demás.

Amparados bajo la teoría explicada en el

párrafo anterior muy brevemente, técnicas de

medición de temperatura de corte basadas en

la radiación han sido desarrolladas con el

tiempo y de acuerdo al avance de la tecnología,

así, pirómetros tanto ópticos como infrarrojos

se han diseñado y mejorado para su uso

exclusivo en el análisis de las condiciones

térmicas de procesos de mecanización,

pudiendo citar a Schwerd quien diseño un

pirómetro de radiación total usando un

condensador óptico con el cual se podía

determinar la distribución de temperaturas

tanto en la superficie de la herramienta como

en la pieza de trabajo, esta técnica fue lego

mejorada por Kraemer.

Un caso que puede ser considerado aparte es el

del aparato medidor ideado por Mayer y Shaw,

que consistía en la pieza montada sobre un

dinamómetro para medir las fuerzas ejercidas

por una rueda amoladora en la que se había

practicado un hoyo en la periferia donde se

colocaba un célula fotoconductora de PbS de tal

modo que al empezar a girar y trabajar sobre la

superficie del material, ésta tuviera contacto

inmediato e intermitente con la radiación

calórica producida durante el esmerilado, dada

la sensibilidad de la célula de PbS a la

temperatura ambiente, esta se mantenía en un

baño frio para solo admitir los efectos de la

radiación.

Así, siguen diversidad de ejemplos de métodos

desarrollados, cada uno con ciertas

especificaciones que los hacen aptos para uno u

otro proceso de mecanización, unos se adaptan

mejor a esmerilados, otros a fresados,

taladrados, etc. Así que siendo el torneado uno

de los procesos de arranque de viruta mas

conocidos se describirá continuación un

método desarrollado por B.T. Chao para

determinar la distribución de temperatura en la

superficie de la interfaz herramienta de corte-

pieza de trabajo mediante un detector

infrarrojo, la figura 1 presenta una fotografía

real del proceso.

Fig 1. Fotografía del procesos de medición de distribución de

temperatura en zona de ataque de la herramienta de corte.

Descripción y procedimiento

Se usa un detector de radiación infrarroja

fotoconductor en movimiento hecho de PbS.

Para el análisis se necesita de cierta geometría

normalizada, así, con el material que se va a

trabajar se hace una pieza tubular de 9 pulg de

diámetro y 13/16 pulg de grosor de pared, la

longitud puede quedar a conveniencia personal.

Una ranura axial de 1.5 pulg de ancho y 3 pulg

de largo se practica en la pared de la pieza para

poder colocar el fotoconductor, se deben

taladrar agujeros de 3/32 pulg a lo largo del

tubo del material axialmente, por estos

agujeros es por donde el sensor recibirá la

energía radiante que se produce en el ataque

de la cuchilla durante el torneado, puesto que la

pieza esta en movimiento rotacional, la señal se

transmite con un conector de tipo escobilla-

anillo deslizante, los materiales de éstos suelen

ser fosforo-bronce y cobre respectivamente. El

esquema se muestra en la figura 2.

Fig 2. (a) Esquema del montaje del experimento (b) Esquema del

montaje del sensor

Se escanea la forma de la cuchilla y la señal de

salida se envía a un osciloscopio para su análisis.

Para fines de calibración, se usa una termocupla

para medir la temperatura en la base de la

herramienta de corte, lo cual se puede hacer

directamente en el torno.

Conforme rota el sensor en la pieza va captando

la radiación emitida inmediatamente en

diferentes zonas de la herramienta de corte a

través de los diferentes agujeros ubicados

axialmente en la pared de la pieza tubular, con

los datos tabulados se puede obtener la

distribución de temperaturas en la región

donde se produce el ataque, a diferentes

distancias desde la punta de la cuchilla para

diferentes avances y misma velocidad de 260

pies/min en un acero AISI 1018, también para

un acero AISI 52100 a diferentes velocidades y

avance constante de 0.0055 pulg/rad, como

sea, para ambos casos se puede ver claramente

que aumentos en la velocidad de corte o en el

avance incurren en aumentos de temperatura

(figura 3).

Fig 3. Distribución de temperaturas en la región donde se produce

el ataque con respecto a la distancia desde la punta de la

herramienta de corte (a) diferentes avances y misma velocidad de

260 pies/min en un acero AISI 1018 (b) acero AISI 52100 a

diferentes velocidades y avance constante de 0.0055 pulg/rad.

Luego incluso con los datos obtenidos se

pueden hacer modelados matemáticos

ayudados por programas de computadora

definiendo condiciones de frontera y

transferencia de calor por conducción,

convección y radiación, aunque se pueden

realizar ciertas simplificaciones, usando los

conceptos de transferencia de calor,

resolviendo las ecuaciones se puede llegar a

realizar gráficas tridimensionales, todo esto

gracias a la tecnología actual.

El futuro parece promisorio y aun existen

campos de investigación en esta área por

descubrir, en especial en un mundo globalizado

que cada vez demanda procesos industriales

más eficientes y optimizados.

Bibliografía

[1] Childs T., Maekawa K., Obikawa T. y Yamane Y., Metal Machining, Theory and Applications, 1era

edición, Gran Bretaña, Hodder Headline Group, 2000, pp. 152-154

[2] Komanduri R., Hou Z. B., A review of the experimental techniques for the measurement of heat and temperatures generated in some manufacturing processes and tribology, disponible en: http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2007/FWM/Papers/Komanduri.pdf

[3] López Menéndez H., Gessaghi V. C. y Hecker R. L., Modelo Analítico de la Distribución de

Temperatura en un Herramienta de Corte, disponible en:

http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/laserena/22.pdf