Determinación de la resistencia térmica de contacto

La resistencia de contacto entre dos materiales depende en gran medida de la presión ejercida entre ambos y de la propia temperatura siendo por tanto compleja su determinación. Para evaluar la evolución de la temperatura en las matrices y en la pieza durante el proceso de forja es muy importante conocer este coeficiente térmico. Debido a las limitaciones de los equipos disponibles,

este coeficiente se ha considerado constante en algunos casos y se ha determinado aplicando la siguiente metodología.

En primer lugar, se llevaron a cabo ensayos experimentales en los que las plataformas plano-paralelas se mantienen a temperatura constante e igual a la del ambiente. La probeta de material a ensayar se calienta hasta la temperatura deseada en un horno situado próximo a la máquina de ensayos y se mantiene a dicha temperatura durante 5 min para asegurar que su temperatura sea homogénea. Posteriormente, se saca del horno, se introduce rápidamente entre las plataformas y se ejerce una fuerza sin que la probeta se deforme plásticamente. Para estos ensayos, se partió de diferentes valores iniciales de temperatura y se midió con el termopar cada 5 s durante los 2 primeros minutos y cada 10 s durante el tercer y último minuto del ensayo. Se realizaron tres repeticiones para cada temperatura de partida y se tomó, posteriormente, la media de cada una de ellas. Las temperaturas de partida seleccionadas fueron: 25 ºC, 50 ºC, 100 ºC, 150 ºC, 200 ºC, 250 ºC, 300 ºC, 350 ºC, 400 ºC y 450 ºC. Para la toma de medidas se ha empleado un termopar Testo 925 que tiene una resolución de 0,1 ºC para el rango comprendido entre -50,0 ºC y 199,9 ºC y de 1 ºC para el resto de temperaturas. Dentro del rango estudiado el termopar tiene una precisión de ± 0,5 ºC + 0,3 % del valor medido.

Posteriormente, los resultados obtenidos se comparan con los calculados mediante las simulaciones por elementos finitos, realizadas empleando el programa Marc.Mentat 2010TM. En este caso, la simulación empleada consiste en un caso térmico simulado suponiendo axisimetría. El tipo de elemento empleado es el “quad 4” con cuatro puntos de integración. La malla inicial se puede observar en la Figura 4.2. Las condiciones de contorno impuestas son: la restricción de desplazamientos y la convección en toda la superficie exterior, tanto de las plataformas como de la probeta. El coeficiente de convección se considera 10 W/(ºCm2) que es el típico de una convección natural al aire. El procedimiento empleado consiste en un proceso iterativo en el que se irá variando el valor de la resistencia térmica de contacto hasta que los resultados de ensayos y simulaciones coincidan. Los valores de las propiedades térmicas para la AA5083 son los siguientes: capacidad calorífica

0,900 J/g°C y conductividad 117 W/mK. Para el caso del acero empleado en las plataformas plano-paralelas, la capacidad calorífica es de 0,48 J/g°C y la conductividad es de 35 W/mK. El método de cálculo seleccionado es el directo con almacenamiento “sparse”, con un tiempo total del caso de carga de 3 min.

Figura 4.2. Malla inicial en la simulación por elementos finitos.

Los resultados obtenidos tanto en los ensayos experimentales como en las simulaciones por elementos finitos se observan en la Figura 4.3. Debido a que en los dos primeros minutos de los ensayos la temperatura ha caído ya más del 90%, el tercer minuto no se representa para poder visualizar correctamente la información. Se puede observar que la evolución de la temperatura con el tiempo para cada uno de los ensayos realizados es muy similar entre los experimentos y las simulaciones. La primera pendiente de caída de la temperatura (hasta los 40 s) es bastante similar entre ambas gráficas, sin embargo, hasta el final del ensayo la caída es más brusca en las simulaciones que en los ensayos experimentales.

a) Ensayos experimentales. b) Simulación por elementos finitos.

Figura 4.3. Evolución de la temperatura durante los ensayos y las simulaciones.

Como para los ensayos de forja a temperatura, la zona de mayor influencia en las propiedades mecánicas de las piezas forjadas es aquella en la

que tiene lugar la compresión, es decir, durante los 45 primeros segundos, se tiene en cuenta este intervalo de tiempo para la determinación de la resistencia térmica de contacto.

Figura 4.4. Evolución de la temperatura en un nodo exterior de la probeta partiendo de 300 ºC

y 450 ºC tanto en ensayos experimentales como en simulación.

El valor óptimo resultante después de varias iteraciones es de 500 W/(ºCm2). Tal y como se comprueba en la Figura 4.4, existe un alto grado de concordancia entre la simulación y el ensayo real, con lo que de esta manera queda validado el valor de la resistencia de contacto que se empleará con posterioridad en las simulaciones realizadas en los Capítulos 4 y 8.

Asimismo, con objeto de tener en cuenta la influencia de la presión de contacto, se ha utilizado la tabla que presenta el software

Simufact.Forging 11.0TM. En esta tabla, la resistencia de contacto depende de la tensión de contacto entre pieza y matriz y del límite elástico del material como se observa en la Figura 4.5. Esta tabla se empleará con posterioridad en las simulaciones realizadas en los Capítulos 5, 6 y 8.

Figura 4.5. Gráfica de la resistencia de contacto en función de la presión de contacto.

0 50 100 150 200 250 300 350 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 T e m p e ra tu ra (º C ) Tiempo (s) FEM ensayo 0 75 150 225 300 375 450 525 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 T e m p e ra tu ra ( ºC ) Tiempo (s) FEM ensayo