La importancia de la temperatura en el proceso de taladrado

En los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos para medir y controlar la temperatura de la herramienta en los procesos de eliminación de material, incluidos los métodos de medición de temperatura, el efecto de los parámetros de procesamiento y las geometrías de la herramienta, en diferentes procesos de realización de orificios, como el taladrado.

Con el rápido desarrollo de la industria, la aplicación de materiales avanzados como aleaciones de titanio, polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) o pilas híbridas de CFRP/Ti está aumentando ampliamente. Para estos materiales avanzados, existen varias desventajas en el proceso de mecanizado debido a sus propiedades inherentes, que fácilmente pueden resultar en una fuerza de corte excesiva, altas temperaturas de corte, desgaste severo de la herramienta y mala calidad superficial. Todo esto presenta un serio desafío para el procesamiento mecánico.
Como método de procesamiento semicerrado, el taladrado se considera el proceso de fabricación más complejo en comparación con otros procesos de mecanizado convencionales (torneado, fresado, escariado, etc.). Durante el proceso de taladrado, la mayor parte de la energía mecánica necesaria para el proceso de corte del metal se convierte en calor que se transfiere a la viruta, la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Por tanto, el taladrado puede alcanzar temperaturas más altas que otros métodos de mecanizado. Investigaciones relacionadas han demostrado que la temperatura de taladrado juega un papel importante en el rendimiento del proceso y en el desgaste de las herramientas. Esto se debe al hecho de que el entorno de trabajo especial del taladrado dificulta la evacuación de las virutas, lo que provoca una gran acumulación de calor, un rápido desgaste de la herramienta y acorta en gran medida la vida útil de la herramienta. Además, debido al aumento de la temperatura durante el proceso, puede provocar que el material se ablande y, por lo tanto, afectar a la vida útil de la herramienta y a la calidad del taladrado.

Técnicas para medir la temperatura del taladrado
La temperatura generada durante el proceso de taladrado provocará el desgaste de la herramienta y acortará su vida útil. Es más, la temperatura de taladrado tiene un efecto no despreciable en la calidad del agujero y la integridad de la superficie. Por lo tanto, los investigadores utilizaron varias técnicas para medir la distribución de temperatura de la pieza de trabajo y la herramienta para minimizar el daño causado por el calor de corte.
Ya en la década de 1940, se empleó un termómetro en la pieza de trabajo para medir la temperatura de la herramienta, las virutas y la pieza de trabajo para determinar la proporción de partición del calor de corte durante el proceso de taladrado, y se concluyó que el calor transferido a la viruta representa del 70% al 80%, aproximadamente un 10% en la pieza de trabajo y el calor restante se transfirió a la herramienta.
Con el desarrollo de la tecnología, las técnicas de medición de temperatura existentes se pueden dividir en medición por contacto, medición sin contacto y medición indirecta. La medición por contacto tiene una larga trayectoria y una amplia gama de aplicaciones entre las técnicas de medición, que incluyen principalmente el termopar de trabajo con herramienta, el método de termopar integrado y el sistema de termopar de lámina de herramienta, que es el método más maduro para medir la temperatura. Sin embargo, debido a la necesidad de instalar termopares y recopilar señales al aplicar la medición por contacto, puede haber problemas como una instalación limitada de termopares y dificultades en la extracción de señales en algunos casos. La medición sin contacto incluye pirómetro, cámara de radiación infrarroja y pirómetro de dos colores de fibra óptica, que puede medir la temperatura del taladrado de forma sencilla e intuitiva. Sin embargo, es necesario calibrarlo antes de medir y, a menos que esté colocado especialmente, es difícil medir la temperatura cuando la herramienta está dentro de la pieza de trabajo. La medición indirecta incluye el método metalográfico y el método de microscopía electrónica de barrido, que observa los cambios metalográficos de materiales metálicos en diferentes entornos de alta temperatura. Sin embargo, esta técnica solo es aplicable a temperaturas altas por encima de 600℃, y la herramienta debe destruirse para la preparación de la muestra, lo que hace que esta técnica no pueda popularizarse.

Técnicas de medición con contacto
Termopar herramienta-trabajo
El termopar herramienta-trabajo es el tipo más común de termopar en la investigación del mecanizado, principalmente porque es más fácil de implantar. El termopar herramienta-pieza, compuesto por una herramienta y una pieza de diferentes materiales, desarrolla una fuerza motriz eléctrica al iniciar el taladrado. Luego se encuentra la relación entre temperatura y fuerza electromotriz.
A pesar de su bajo costo y fácil implementación, no está claro si el termopar de herramienta realmente mide la temperatura promedio o la temperatura más baja. De hecho, la fuerza electromotriz generada por el termopar herramienta-trabajo ni siquiera coincide con la temperatura promedio de la interfaz, a menos que la temperatura sea uniforme o la señal cambie linealmente con la temperatura. Por lo tanto, no se recomienda utilizar este tipo de termopar para medir la temperatura.

Termopar integrado
El termopar integrado sirve para incrustar el termopar en la pieza de trabajo o la herramienta y fijarlo mediante soldadura o resina epoxi. Además, medir la temperatura de taladrado con termopares integrados requiere fijar el taladro y girar la pieza de trabajo. En comparación con los termopares de herramientas, los termopares integrados proporcionan una mayor precisión de medición, responden más rápido y miden un rango de temperatura más amplio. Se pueden incrustar termopares en una pieza de trabajo para estudiar su distribución de temperatura. A medida que el taladro pasaba por cada termopar, la fricción entre el taladro y la pieza de trabajo elevaba la temperatura del entorno inmediato de cada termopar, creando una fuerza electromotriz que se utilizaba para determinar la distribución de temperatura.

Sistema de termopar de lámina de herramienta
El sistema de termopar herramienta-lámina puede considerarse como una combinación de un sistema de termopar de herramienta y un termopar integrado. Durante el proceso de taladrado, la broca y la lámina pueden formar una unión caliente cuando la broca entra en contacto con la lámina. Cuando el taladro y la lámina están conectados a la unión de referencia fría, el circuito termoeléctrico se cierra para generar y recolectar un voltaje proporcional a la temperatura. Posteriormente también se utilizó el sistema de termopar de lámina de herramienta y se combinó un modelo de elementos finitos para estudiar la distribución de temperatura en el filo de la broca, la investigación demostró que los resultados de la simulación de elementos finitos eran consistentes con los experimentales.