METROLOGÍA Y CALIBRACIÓN DE HERRAMIENTAS 51 temperatura que se dan a lo largo de la estructura por los focos de calor que aparecen cuando la máquina está en funcionamiento. Como consecuencia, aparecen dilataciones térmicas en los diferentes elementos de la máquina y se generan deformaciones. Además, estos errores también surgen por los cambios de la temperatura ambiente y los gradientes térmicos que se generan en la máquina. Se puede decir que los errores térmicos son de tipo cuasi-estático, ya que afectan a la máquina, pero de una manera lenta en el tiempo. Además, los errores no dependen sólo de las condiciones en el instante actual sino, que tienen memoria y también son influidas por las condiciones en instantes anteriores. En una máquina-herramienta se pueden identificar principalmente seis fuentes de error: • Calor generado en el proceso de corte. • Pérdidas de energía de la propia máquina-herramienta. • Intercambio de calor debido a sistemas hidráulicos y de refrigeración. • Intercambio de calor que se da con el ambiente. • El efecto térmico de las personas en el entorno de la máquina. • La memoria térmica de la máquina por las condiciones anteriores. Estas seis principales fuentes de error generan deformaciones termo-mecánicas que reducen la precisión de la máquina-herramienta. Es más, otro problema es la difícil repetitividad de un estado de la máquina, ya que las condiciones ambientales, junto con el tiempo de funcionamiento de la máquina son cambiantes. Por otro lado, cuanto más grande sea la máquina mayor suele ser el error térmico. La magnitud del error térmico en una máquina-herramienta de grandes dimensiones puede llegar a estar en torno a la décima de milímetro (0,1mm), que puede suponer la no validez de piezas con gran demanda de precisión. Se pueden dividir las seis fuentes principales de error como fuentes internas y externas. Las fuentes internas son todas las fuentes que están conectadas con la estructura de la máquina-herramienta. Se pueden encontrar como fuentes internas los rodamientos, los actuadores lineales, los motores de par, el electro-husillo y otras unidades auxiliares. El calor que generan estos componentes suele deberse a las pérdidas de energía debido a efectos de fricción entre componentes y efectos eléctricos (por ejemplo, efecto Joule). Elementos auxiliares como el sistema de refrigeración pueden actuar como sumideros de calor que ayudan a evacuar el calor. La presencia de estos diferentes focos y sumideros de calor cambian la distribución de temperatura de la máquina. Las fuentes externas de calor son las debidas a las condiciones del ambiente de la máquina. Los cambios de temperatura a lo largo del día, y también cambios a largo plazo como el efecto térmico de las estaciones (verano/invierno) son un claro ejemplo de estos. Otros efectos externos son la influencia de las máquinas cercanas y de las personas, si la máquina se encuentra en un recinto o está situada en el exterior, el efecto de la radiación solar si la máquina se encuentra al aire libre, etc. En la siguiente ilustración se puede ver la cadena de generación del error térmico en la punta de herramienta o TCP (Tool Center Point). Otro punto importante además de las fuentes térmicas, son los mecanismos de transferencia de calor. Estos mecanismos determinan la transferencia de energía y distribución de temperatura que se da entre los distintos elementos de la máquina, y entre la máquina con el entorno. Se pueden dar tres formas de transferencia de calor: Conducción, convección y radiación. • Conducción: la transferencia de calor por conducción se debe al intercambio de energía de la región demayor temperatura a la demenor temperatura de un cuerpo o entre dos cuerpos por intercambio de la energía interna, la cual es combinación entre la energía cinética y potencial de sus partículas. En cuerpos sólidos metálicos se debe principalmente al intercambio de electrones libres. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Figura 1. Cadena de generación de calor.
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