RUGOSIDAD
1.20
INTRODUCCIÓN La importancia de la superficie de las piezas en el comportamiento funcional de estas últimas es evidente al considerar que es a través de sus superficies como se establece el contacto entre ellas, que es la base principal de la mayoría de las funciones mecánicas. En concreto su misión es fundamental en aspectos tales como el comportamiento de la superficie en cuanto a aspecto brillo, lubricación, estanqueidad, cualidades tribológicas (rozamiento), resistencia al desgaste, desgaste, correcto funcionamiento de ajustes fijos y móviles, fatiga y corrosión, y su capacidad capacidad para recibir tratamientos superficiales de imprimación. En el estudio de la geometría de una pieza se consideran dos aspectos fundamentales, macrogeometría macrogeometría (forma) y microgeometría (rugosidad).
DIFERENCIAS ENTRE ERRORES DE FORMA Y DE RUGOSIDAD Las principales diferencias entre desviaciones de rugosidad y de forma son las siguientes:
Desviaciones de forma • • •
•
Desviaciones Desviaciones macro-geométricas de la pieza Debidas, principalmente al proceso de fabricación. Producidas por imprecisiones de la máquina-herramienta máquina-herramienta como: Deformaciones de la pieza en el mecanizado. Efecto de la masa de la l a pieza. Forma de sujetarla, etc. Afectan a: Función de la pieza. Intercambiabilidad, Intercambiabilidad, etc.
Rugosidad • • •
•
Desviaciones Desviaciones micro-geométricas de la pieza. Debidas a las características del material y al proceso de fabricación. Producidas por: Ruptura del material durante el arranque de viruta. Aparición de vibraciones de alta frecuencia. Afectan a: Estanqueidad. Rozamiento y desgaste de las piezas.
Así la Norma DIN 4760-82 clasifica las desviaciones de forma en 4 grupos:
Desviaciones de perfil Obtenidas mediante la observación de toda la superficie.
Desviaciones de ondulación Obtenidas mediante la observación de una porción de la superficie son esencialmente periódicasy en ciertos casos es posible apreciar la superposición de irregularidades de diferente longitud de onda y amplitud.
Desviaciones de rugosidad geométricas
RUGOSIDAD
2.20
Son desviaciones que presentan una distribución regular, y están producidas por los surcos o marcas que dejan las herramientas de corte durante el arranque de material.
Desviaciones de rugosidad inherente Son de naturaleza aleatoria producidas por multitud de factores que intervienen en el proceso de fabricación de la superficie (falta de homogeneidad del material de la pieza, vibraciones, procesos no estacionarios, etc..).
Desviaciones de rugosidad estructural Son irregularidades producidas por efectos físico-químicos, como son: • Formación de cristales. • Ataque químico. • Corrosión, etc. El criterio práctico utilizado para separar los defectos de forma y de rugosidad es la longitud de corte “l” de la forma siguiente: Se consideran defectos de forma aquellos que se producen en el perfil en longitudes mayores que “l”. Se consideran defectos de rugosidad aquellos que se producen en el perfil en longitudes menores que “l”. En la literatura anglosajona a “l” se le llama "lc" o "cut off". Sus valores están normalizados y se tratarán más adelante.
Fig. 1 Representación gráfica de las desviaciones
RUGOSIDAD
3.20
DEFINICIONES Y PERFIL DE CÁLCULO DE PARÁMETROS Definiciones •
Superficie real
Superficie que limita el cuerpo y lo separa del medio que lo rodea (Figura 2).
Fig. 2 Superficie real •
Superficie geométrica
Superficie ideal cuya forma nominal está especificada por el dibujo y/o todo documento técnico. •
Línea de referencia
Línea con relación a la cual se calculan los parámetros. •
Longitud básica “l”
Longitud de la línea utilizada para separar las irregularidades que forman la rugosidad superficial. •
Línea media de los mínimos cuadrados del perfil (igualmente llamada línea media) m.
Línea de referencia, cuya forma es la del perfil geométrico, que divide el perfil de forma tal que, en el interior de la longitud básica, la suma de los cuadrados de las desviaciones (diferencia) a partir de esta línea es mínima.
Forma de cálculo Para el cálculo de los parámetros de rugosidad se siguen los siguientes pasos (Figura 3). Estos pasos, con las salvedades que se verán, los realizan de forma automática los instrumentos de medida. •
Medida del perfil real
El instrumento de medida recorre la superficie de la pieza y obtiene la medida del perfil real incluyendo las desviaciones de forma.
RUGOSIDAD
•
4.20
Eliminación de las ondulaciones
Mediante la longitud básica “l” se filtran las desviaciones que tengan una longitud de onda superior a l. La longitud básica se denomina también "longitud de corte". En los equipos y literatura anglosajona se llama "cut off'” y se suele representar mediante "lc". •
Elección del sistema de referencia
La línea de referencia más empleada es la "línea media de los mínimos cuadrados del perfil o 'línea media" . Cuando los parámetros se calculan tomando como referencia la línea media se llama "sistema de la línea media". •
Cálculo de la línea media
La línea media, según su definición, es tal que las áreas del perfil que quedan por encima de la línea media son iguales que las que quedan por debajo (Figura 3). Una vez obtenido el perfil con su línea de referencia se calculan sobre él los parámetros que se indican en el siguiente apartado.
Figura 3 Longitud básica y línea media
PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE RUGOSIDAD Los parámetros de rugosidad más empleados son los siguientes :
Desviación media aritmética del perfil Ra: Media aritmética de los valores absolutos de las desviaciones del perfil, en los límites de la longitud básica y respecto de la línea media. Ra =
1 l
l
∫ [ y( x )]dx 0
o también Ra =
1 n
n
∑ [ yi ] = i =1
y1 + y 2 + y 3 + ... + y n n
RUGOSIDAD
5.20
como se aprecia en la figura A.
Figura A
Gráficamente, Ra representa el lado del rectángulo que tiene la misma área que las irregularidades del perfil. En la Figura 4 se da una idea de lo que esto significa. Ra es, con diferencia, el parámetro más empleado. Es muy significativo para las propiedades siguientes: • • • •
Determina la calidad del proceso de fabricación de la pieza. Indica el desgaste de la herramienta, en un proceso de arranque de viruta, y el desgaste de las muelas. Estanqueidad. Rodadura.
Figura 4 Representación gráfica de Ra En cambio no es significativo para superficies deslizantes o que tengan requerimientos de fricción. Así en la Figura 5, se muestran dos superficies con un Ra equivalente y con un comportamiento ante la fricción completamente distinto.
RUGOSIDAD
6.20
Figura 5 Superficies con Ra equivalente a) Buen comportamiento a la fricción b) Mal comportamiento a la fricción
Valor Ra para los procesos de producción usuales La facultad de un proceso de mecanizado para producir una rugosidad superficial específica depende de muchos factores. Por ejemplo en el rectificado, la calidad superficial obtenida depende, por citar los factores más destacados, de la velocidad periférica de la muela, de la velocidad de avance, del tamaño de grano y del material aglomerante, del diamantado, de la cantidad, y tipo de lubricante aplicado en el punto de corte, y de las propiedades mecánicas de la pieza rectificada. Un pequeño cambio en cualquiera de los anteriores factores puede tener un marcado efecto en la calidad de la superficie obtenida. No obstante, a pesar de la extrema variabilidad citada, es posible asociar a los diversos procesos de producción una gama típica de valores de calidad superficial en la que se encuentran la mayor parte de superficies obtenidas en condiciones normales. La Tabla 1 muestra las gamas de valores Ra asociados a los procesos de producción más usuales, y la Tabla 2 indica valores orientativos de los parámetros de mecanizado que más influyen en la rugosidad superficial, para las operaciones de TORNEADO, (Radio de la punta de la herramienta y avance), FRESADO (diámetro de la fresa y avance por diente), y RECTIFICADO (tamaño del grano de la muela). Las calidades superficiales correspondientes a los números de grado de rugosidad N-12, 11 y 10 corresponden a superficies originales -no sometidas a mecanizado- o a superficies de desbaste. Las calidades N-9, 8, 7 y 6 corresponden a las obtenidas en los mecanizados denominados directos, tales como el torneado, mandrinado, fresado, etc., en las que el arranque de viruta se realiza mediante herramientas de filo. Las calidades N-5, 4, 3, 2, 1 y superiores corresponden a superficies especialmente acabadas, obtenidas generalmente mediante mecanizados de tipo abrasivo: rectificado, alisado, esmerilado, superacabado, etc.
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7.20
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9.20
El valor Ra bajo el punto de vista funcional A pesar de la falta de un significado funcional para el valor Ra, la experiencia lo ha demostrado significativo para la mayor parte de las funciones. Es particularmente significativo con respecto a la estanqueidad, rodadura y precisión. Menos útil resulta con respecto al rozamiento, desgaste, corrosión y fatiga. Es importante notar la relación existente entre calidad superficial y tolerancia dimensional. La obtención de piezas con un estrecho intervalo de tolerancia implica un acabado fino de sus superficies. Las mediciones de rugosidad realizadas sobre piezas sometidas a tolerancias con intervalos IT de 12 a 5 muestran que el valor Ra es del orden de 1/30 del intervalo de tolerancia. Esto justifica el hecho de que en ingeniería mecánica sean comparativamente pocas las superficies que requieran una especificación y control de rugosidad superficial, por ser pocas las que exigen una calidad superior a la proporcionada por el proceso empleado para obtener las características dimensionales requeridas.
El valor Ra bajo el punto de vista del coste Debido a que en la mayor parte de las aplicaciones que exigen control de calidad superficial es preciso limitar la rugosidad tan solo en cuanto a su valor máximo, siendo aceptable bajo el punto de vista funcional cualquier superficie más lisa, el coste, factor rápidamente creciente con la calidad, es quien fuerza a no emplear superficies de calidad superior al requerido para un funcionamiento adecuado. Un rasgo común a todos los procesos de mecanizado es el rápido incremento de coste asociado a la mejora de la calidad superficial obtenida, debido fundamentalmente al incremento del tiempo de operación requerido. En la tabla 4 se indica, a título orientativo y para cada uno de los procesos de mecanizado más usuales, el coste, en unidades de tiempo relativas, de la obtención de los distintos grados de calidad superficial. Por ejemplo, si en el rectificado cilíndrico de una determinada área se requieren aproximadamente 3 minutos para obtener una rugosidad Ra de 0,4 µm, para obtener una rugosidad Ra de 0,2 µm, se requerirían aproximadamente 5 minutos. La tabla 4 no está prevista para establecer comparaciones de coste entre distintos procesos. Tal comparación carece de sentido en términos generales, siendo factible tan solo a nivel de taller, debido a que los costes relativos están muy influenciados por la disponibilidad de máquinas, cargas y forma de trabajo, etc.
RUGOSIDAD
10.20
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11.20
Parámetros de altura de perfil (Figura 6) •
Rp Altura máxima de una cresta
Distancia del punto más alto del perfil a la línea media. •
Rm Profundidad máxima del valle
Distancia del punto más bajo del perfil a la línea media. •
Ry (Rt) Altura máxima del perfil
Distancia entre la cresta más alta y el valle más profundo del perfil, Ry es muy sensible a la presencia en el perfil de altas crestas y profundos valles. Tiene el inconveniente que la presencia de un defecto local en la longitud de medida puede falsear el resultado. Para evitar esto se ha definido Rz. •
Rz Altura de las irregularidades en diez puntos
Es la media de los valores absolutos de las cinco crestas del perfil más altas y de las profundidades de los cinco valles del perfil más bajos, dentro de la longitud básica Rz =
( R1 + R3 + ... + R9 ) − ( R2 + R4 + ... + R10 ) 5
En la figura 6 vemos la representación de los parámetros anteriormente mencionados.
Figura 6
RUGOSIDAD
12.20
TOLERANCIAS DE RUGOSIDAD Y SU REPRESENTACIÓN Tolerancias de rugosidad La determinación del valor de la rugosidad para el comportamiento funcional de una pieza está poco definida partiéndose de la experiencia en casos semejantes. Usualmente, el comportamiento funcional de la pieza es poco sensible a variaciones de rugosidad relativamente grandes, admitiéndose incrementos tan elevados como el 100%. Por eso ISO 468-84 ha recomendado limitar los valores de rugosidad a una serie geométrica de relación 1,25 empezando por 0,008 hasta 100 micrómetros. Es importante hacer notar que la obtención de.piezas con un estrecho intervalo de tolerancia implica un acabado fino de sus superficies. Es decir que las tolerancias dimensionales suelen ser bastante más restrictivas que las de rugosidad. La tabla 4, indica los valores de rugosidad normalizados y sus aplicaciones mecánicas.
Simbolos de rugosidad UNE 1-037-83 / ISO 1302 de 1978 Símbolo general de rugosidad. La superficie puede ser obtenida mediante cualquier proceso de fabricación.
La superficie debe ser obtenida por arranque de viruta.
La superficie debe ser obtenida sin arranque de viruta.
Colocación de los valores sobre los símbolos
Cuando es necesario expresar los límites máximos y mínimos
Cuando se exige un proceso particular de fabricación
Cuando sea necesario indicar la longitud mínima de medición.
Figura 7. Símbolos de rugosidad
RUGOSIDAD
13.20
RUGOSIDAD
14.20
EQUIPOS CON PALPADOR PARA LA MEDIDA DE RUGOSIDAD Para la medida de rugosidad en piezas mecánicas los equipos con palpador son, con gran diferencia, los más empleados. A ellos se debe el desarrollo de la normativa y parámetros analizados, por lo que constituyen la base de las medidas y estudios de rugosidad, cualquier otro método desarrollado posteriormente es comparado con los equipos de palpador. Los equipos para la medida de rugosidad con palpador de medida responden a la forma y al esquema que se indica en la Figura 14. Su principio de funcionamiento es un palpador similar a una aguja que recorre la pieza y amplifica las irregularidades encontradas a su paso.
Figura 14 Equipos con palpador para la medida de la rugosidad Se componen de los elementos siguientes: • •
• • •
Bancada. Sistema de palpado: Aguja o palpador. Captador del movimiento de la aguja. Patín. Sistema de avance. Sistema de filtrado. Sistema de cálculo.
Bancada Según tengan o no bancada los rugosímetros se pueden clasificar en fijos o portátiles, siendo los primeros mucho más costosos y precisos. La bancada, tal como se indica en la Figura 14, está compuesta de una columna donde está el sistema de palpado y una superficie plana en donde se coloca la pieza a medir.
Sistema de palpado Es el encargado de efectuar la medida mediante el contacto con la pieza, lo componen los elementos siguientes: • • •
Palpador o aguja. Captador de movimiento de la pieza. Patín.
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15.20
Palpador o aguja La punta del palpador de medida puede ser de diamante, o más raramente de carburo de tungsteno, para asegurar que no se deforme en un plazo largo. La forma de la punta está normalizada en los valores que se indica en la Figura 15; los señalados con (*) son los más empleados, de hecho, los palpadores con α=60, tienen poca duración, son frágiles y pueden hacer marcas en la pieza, por lo que se usan para materiales cerámicos.
Figura 15. Forma de la punta del palpador.
Captador del movimiento de la aguja El captador de medida suele ser de tipo inductivo. Los movimientos de la punta cambian la inducción de las bobinas, (Figura 16), lo que se traduce en el correspondiente desplazamiento. También existen sistemas ópticos y piezoeléctricos para la medida de rugosidad, que tienen la ventaja que pueden medir piezas imantadas.
Figura 16 Captador inductivo
Patín La aguja no podría apoyar directamente sobre la pieza si no t uviera un patín que la sirva de guía. El patín constituye el apoyo del palpador a una superficie de referencia sobre la que se calcula la rugosidad. Los tipos de patines más usuales se reflejan en la Figura 17. Se pueden clasificar de la forma siguiente: •
Palpadores de referencia extrínseca
El patín apoya sobre una superficie colocada en el instrumento de medida. Tienen las ventajas siguientes: La superficie de referencia es una superficie ideal. Se puede medir en sitios de difícil acceso. Son los empleados en casos de litigio.
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Figura 17 Disposiciones constructivas del palpador
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•
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Palpadores de referencia intrínseca
El patín apoya sobre la pieza a medir. Tienen las ventajas siguientes: • Son más económicos. • Las medidas son más rápidas. • Es un primer filtro para las ondulaciones. • En algunos casos no se pueden realizar medidas sin estos patines, como en el borde de un filo.
Sistema de avance La unidad de avance es donde va acoplado el palpador de medida. Tiene por misión el desplazar la aguja por la pieza a una velocidad constante y adecuada para que la aguja no sufra aceleraciones que puedan falsear la medida. La velocidad medida más usual es del orden de 0,5 mm/s También hay otras velocidades menos usuales como 0,05 0,1 0,15 1,5 mm/s El sistema de avance suele disponer de velocidades más altas, del orden del doble, para el regreso del pálpador una vez efectuada la medida.
Sistema de filtrado Es el encargado de separar los defectos de forma de los de rugosidad. Tal como se ha indicado anteriormente la separación se realiza eliminando los defectos de longitud de onda superior a la longitud básica. A la "longitud básica" se la conoce también como “longitud de corte" o "cut off".
Ampliación El número de veces que se amplifica el perfil está normalizado, tanto en dirección horizontal o dirección de avance del palpador, como vertical o dirección de las desviaciones de rugosidad. Los valores de amplificación para la dirección horizontal van desde: 10 a 4.000 y para la dirección vertical desde: 100 a 40.000 Lo normal es que los equipos puedan sintonizar un valor entre varios generalmente 6. Los valores más corrientes de amplificación son: Vertical 330 -1.000 -3.000 -10.000 -33.000 -100.000 Horizontal 2 -10 -20 -100
Sistema de cálculo En la actualidad existen dos grandes grupos de equipos para el tratamiento de la información: •
Sistemas de cálculo analógico
Conservan un tratamiento analógico de las señales que reciben del amplificador. Este tipo de equipos imposibilita al usuario, el realizar cambios, y su modo de operación suele ser muy rígido no permitiendo ninguna alteración de los pasos indicados para efectuar las medidas o calibrar el equipo.
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•
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Sistemas de cálculo digital
La señal es digitalizada para explotarla, bien en el mismo equipo o, mediante un ordenador externo. Es el tipo de equipo de más posibilidades para el análisis de los parámetros de rugosidad, estudios funcionales, (I+D), etc.
FORMA DE REALIZAR LAS MEDIDAS Los pasos usuales para la realización de las medidas son los siguientes: •
Elección de la dirección de medida
La dirección de medida debe ser perpendicular a la dirección de las estrías del mecanizado. Si no se sabe a priori se deberán realizar unas medidas previas para determinarlo. •
Elección de la longitud básica
Si no se especifica nada en el plano, la longitud básica o longitud de corte que se debe seleccionar es de 0,8 mm. •
Elección del resto de los parámetros
Normalmente los parámetros de longitud básica, amplificación horizontal y velocidad de medida suelen estar relacionados para cada tipo de rugosímetro. •
Elección de la amplificación vertical
Se empezará por las ampliaciones más bajas, normalmente por una amplificación de 500, y se irá subiendo hasta encontrar la escala adecuada a la rugosidad de la pieza. •
Comprobación del rugosímetro
Generalmente al principio de la sesión de trabajo se mide un patrón de rugosidad, de valor parecido al esperado en las piezas, para comprobar el correcto funcionamiento y la precisión del rugosímetro. •
Medida y cálculo de los parámetros
Se rnedirán los parámetros de rugosidad en varios puntos de la pieza y se eliminarán aquellos que difieran más de un 10% de la media. •
Incertidumbre en la medida de rugosidad
Para las medidas más usuales de rugosidad, la incertidumbre de medida por: los filtros empleados, influencia de la forma de aguja, las diferencias en la pieza, etc., suele ser del 10%, a lo que habría que sumar la incertidumbre del aparato de medida que, en muchos casos, resulta de un orden de magnitud inferior.
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19.20
1. La metrología superficial ha cobrado importancia debido a: a) b) c) d)
Que los instrumentos electrónicos facilitan su evaluación Se requiere personal con poca experiencia Necesidad de mayor seguridad La fabricación en serie de piezas complejas.
2. ¿Cuál de las siguientes superficies es la mejor? a) b) c) d)
Una con una rugosidad de 0,01 µm Ra Una superficie perfectamente lapeada Una superficie sin ondulación Una con una rugosidad cercana pero inferior al valor especificada
3. Por lo general, ¿qué ocurre si se realiza una medición de rugosidad en una dirección diferente a la textura de mecanizado? a) b) c) d)
La lectura aumenta La lectura disminuye La lectura permanece igual La lectura varía
4. Por lo general, ¿qué ocurre si se realiza una medición de rugosidad con un valor diferente de cut-off ? a) b) c) d)
La lectura aumenta La lectura disminuye La lectura permanece igual La lectura varía
5. ¿Qué términos pueden considerarse como equivalentes en la práctica? a) b) c) d)
Ondulación y rugosidad Cut-off y longitud de muestreo Longitud de muestreo y longitud de evaluación Cut-off y recorrido
6. Normalmente, ¿cuántas longitudes de muestreo se utilizan como longitud de evaluación? a) b) c) d)
1 3 5 Depende de la aplicación
7. ¿Por qué han proliferado los parámetros de medición de la rugosidad? a) b) c) d)
Aplicaciones específicas requieren parámetros específicos Cuantos mas parámetros, mejor se evalúa la calidad superficial Son mas fiables que Ra Diferentes países utilizan diferentes parámetros
RUGOSIDAD
20.20
8. ¿Cuál de los siguientes símbolos representa al cut-off ? a) b) c) d)
le lm λ C ∆ f
9. ¿Cuál de los siguientes parámetros es definido en forma diferente en la norma DIN a como es definido en la norma ISO? a) Ra b) Rz c) Rp d) Rm 10. ¿Cuál es la finalidad de utilizar los grados de rugosidad N1 a N12? a) Evitar confusión entre milímetros y pulgadas b) Utilizar simbología normalizada c) Es mas compacto y ahorra espacio d) Que todo el mundo lo entienda 11. ¿Cómo indicaríamos en el dibujo siguiente que se desea una rugosidad de 0,8 µm Rz con un valor de cut-off de 2,5 mm.?
12. ¿Y un Ra comprendido entre 3 y 7 µm obtenido en un proceso por arranque de viruta?
13. En relación con la pregunta anterior, ¿ cómo realizaríamos la medición? a) Paralelamente a las marcas b) Perpendicularmente a las marcas c) A 45º con respecto a las marcas d) En cualquier dirección e) Habría que preguntar
