RUGOSIDAD 1.20

INTRODUCCIN

La importancia de la superficie de las piezas en el comportamiento funcional de estas ltimas es evidente al considerar que es a travs de sus superficies como se establece el contacto entre ellas, que es la base principal de la mayora de las funciones mecnicas. En concreto su misin es fundamental en aspectos tales como el comportamiento de la superficie en cuanto a aspecto brillo, lubricacin, estanqueidad, cualidades tribolgicas (rozamiento), resistencia al desgaste, correcto funcionamiento de ajustes fijos y mviles, fatiga y corrosin, y su capacidad para recibir tratamientos superficiales de imprimacin. En el estudio de la geometra de una pieza se consideran dos aspectos fundamentales, macrogeometra (forma) y microgeometra (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 macro-geomtricas de la pieza Debidas, principalmente al proceso de fabricacin. Producidas por imprecisiones de la mquina-herramienta como:

Deformaciones de la pieza en el mecanizado. Efecto de la masa de la pieza. Forma de sujetarla, etc.

Afectan a: Funcin de la pieza. Intercambiabilidad, etc.

Rugosidad

Desviaciones micro-geomtricas de la pieza. Debidas a las caractersticas del material y al proceso de fabricacin. Producidas por:

Ruptura del material durante el arranque de viruta. Aparicin de vibraciones de alta frecuencia.

Afectan a: Estanqueidad. Rozamiento y desgaste de las piezas.

As la Norma DIN 4760-82 clasifica las desviaciones de forma en 4 grupos:

Desviaciones de perfil

Obtenidas mediante la observacin de toda la superficie.

Desviaciones de ondulacin

Obtenidas mediante la observacin de una porcin de la superficie son esencialmente peridicasy en ciertos casos es posible apreciar la superposicin de irregularidades de diferente longitud de onda y amplitud.

Desviaciones de rugosidad geomtricas

RUGOSIDAD 2.20

Son desviaciones que presentan una distribucin regular, y estn 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 fabricacin 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 fsico-qumicos, como son: Formacin de cristales. Ataque qumico. Corrosin, etc.

El criterio prctico 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 estn normalizados y se tratarn ms adelante.

Fig. 1 Representacin grfica de las desviaciones

RUGOSIDAD 3.20

DEFINICIONES Y PERFIL DE CLCULO DE PARMETROS

Definiciones

Superficie real

Superficie que limita el cuerpo y lo separa del medio que lo rodea (Figura 2).

Fig. 2 Superficie real Superficie geomtrica

Superficie ideal cuya forma nominal est especificada por el dibujo y/o todo documento tcnico.

Lnea de referencia

Lnea con relacin a la cual se calculan los parmetros.

Longitud bsica l

Longitud de la lnea utilizada para separar las irregularidades que forman la rugosidad superficial.

Lnea media de los mnimos cuadrados del perfil (igualmente llamada lnea media) m.

Lnea de referencia, cuya forma es la del perfil geomtrico, que divide el perfil de forma tal que, en el interior de la longitud bsica, la suma de los cuadrados de las desviaciones (diferencia) a partir de esta lnea es mnima.

Forma de clculo

Para el clculo de los parmetros de rugosidad se siguen los siguientes pasos (Figura 3). Estos pasos, con las salvedades que se vern, los realizan de forma automtica 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

Eliminacin de las ondulaciones

Mediante la longitud bsica l se filtran las desviaciones que tengan una longitud de onda superior a l. La longitud bsica se denomina tambin "longitud de corte". En los equipos y literatura anglosajona se llama "cut off' y se suele representar mediante "lc".

Eleccin del sistema de referencia

La lnea de referencia ms empleada es la "lnea media de los mnimos cuadrados del perfil o 'lnea media". Cuando los parmetros se calculan tomando como referencia la lnea media se llama "sistema de la lnea media".

Clculo de la lnea media

La lnea media, segn su definicin, es tal que las reas del perfil que quedan por encima de la lnea media son iguales que las que quedan por debajo (Figura 3). Una vez obtenido el perfil con su lnea de referencia se calculan sobre l los parmetros que se indican en el siguiente apartado.

Figura 3 Longitud bsica y lnea media

PARMETROS FUNDAMENTALES DE RUGOSIDAD

Los parmetros de rugosidad ms empleados son los siguientes : Desviacin media aritmtica del perfil

Ra: Media aritmtica de los valores absolutos de las desviaciones del perfil, en los lmites de la longitud bsica y respecto de la lnea media.

( )[ ]dxxyl

Ral

= 01

o tambin

[ ]n

yyyyy

nRa n

n

ii

++++==

=

...1 3211

RUGOSIDAD 5.20

como se aprecia en la figura A.

Figura A

Grficamente, Ra representa el lado del rectngulo que tiene la misma rea que las irregularidades del perfil. En la Figura 4 se da una idea de lo que esto significa. Ra es, con diferencia, el parmetro ms empleado. Es muy significativo para las propiedades siguientes:

Determina la calidad del proceso de fabricacin 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 Representacin grfica de Ra

En cambio no es significativo para superficies deslizantes o que tengan requerimientos de friccin. As en la Figura 5, se muestran dos superficies con un Ra equivalente y con un comportamiento ante la friccin completamente distinto.

RUGOSIDAD 6.20

Figura 5 Superficies con Ra equivalente a) Buen comportamiento a la friccin b) Mal comportamiento a la friccin

Valor Ra para los procesos de produccin usuales

La facultad de un proceso de mecanizado para producir una rugosidad superficial especfica depende de muchos factores. Por ejemplo en el rectificado, la calidad superficial obtenida depende, por citar los factores ms destacados, de la velocidad perifrica de la muela, de la velocidad de avance, del tamao 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 mecnicas de la pieza rectificada. Un pequeo 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 produccin una gama tpica 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 produccin ms usuales, y la Tabla 2 indica valores orientativos de los parmetros de mecanizado que ms influyen en la rugosidad superficial, para las operaciones de TORNEADO, (Radio de la punta de la herramienta y avance), FRESADO (dimetro de la fresa y avance por diente), y RECTIFICADO (tamao del grano de la muela). Las calidades superficiales correspondientes a los nmeros 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.

RUGOSIDAD 7.20

RUGOSIDAD 8.20

RUGOSIDAD 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 precisin. Menos til resulta con respecto al rozamiento, desgaste, corrosin y fatiga. Es importante notar la relacin existente entre calidad superficial y tolerancia dimensional. La obtencin 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 ingeniera mecnica sean comparativamente pocas las superficies que requieran una especificacin y control de rugosidad superficial, por ser pocas las que exigen una calidad superior a la proporcionada por el proceso empleado para obtener las caractersticas 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 mximo, siendo aceptable bajo el punto de vista funcional cualquier superficie ms lisa, el coste, factor rpidamente creciente con la calidad, es quien fuerza a no emplear superficies de calidad superior al requerido para un funcionamiento adecuado. Un rasgo comn a todos los procesos de mecanizado es el rpido incremento de coste asociado a la mejora de la calidad superficial obtenida, debido fundamentalmente al incremento del tiempo de operacin requerido. En la tabla 4 se indica, a ttulo orientativo y para cada uno de los procesos de mecanizado ms usuales, el coste, en unidades de tiempo relativas, de la obtencin de los distintos grados de calidad superficial. Por ejemplo, si en el rectificado cilndrico de una determinada rea se requieren aproximadamente 3 minutos para obtener una rugosidad Ra de 0,4 m, para obtener una rugosidad Ra de 0,2 m, se requeriran aproximadamente 5 minutos. La tabla 4 no est prevista para establecer comparaciones de coste entre distintos procesos. Tal comparacin carece de sentido en trminos generales, siendo factible tan solo a nivel de taller, debido a que los costes relativos estn muy influenciados por la disponibilidad de mquinas, cargas y forma de trabajo, etc.

RUGOSIDAD 10.20

RUGOSIDAD 11.20

Parmetros de altura de perfil (Figura 6)

Rp Altura mxima de una cresta

Distancia del punto ms alto del perfil a la lnea media.

Rm Profundidad mxima del valle

Distancia del punto ms bajo del perfil a la lnea media.

Ry (Rt) Altura mxima del perfil

Distancia entre la cresta ms alta y el valle ms 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 ms altas y de las profundidades de los cinco valles del perfil ms bajos, dentro de la longitud bsica

( ) ( )5

...... 1042931 RRRRRRRz++++++

=

En la figura 6 vemos la representacin de los parmetros anteriormente mencionados.

Figura 6

RUGOSIDAD 12.20

TOLERANCIAS DE RUGOSIDAD Y SU REPRESENTACIN

Tolerancias de rugosidad

La determinacin del valor de la rugosidad para el comportamiento funcional de una pieza est poco definida partindose de la experiencia en casos semejantes. Usualmente, el comportamiento funcional de la pieza es poco sensible a variaciones de rugosidad relativamente grandes, admitindose incrementos tan elevados como el 100%. Por eso ISO 468-84 ha recomendado limitar los valores de rugosidad a una serie geomtrica de relacin 1,25 empezando por 0,008 hasta 100 micrmetros. Es importante hacer notar que la obtencin de.piezas con un estrecho intervalo de tolerancia implica un acabado fino de sus superficies. Es decir que las tolerancias dimensionales suelen ser bastante ms restrictivas que las de rugosidad. La tabla 4, indica los valores de rugosidad normalizados y sus aplicaciones mecnicas.

Simbolos de rugosidad UNE 1-037-83 / ISO 1302 de 1978

Smbolo general de rugosidad. La superficie puede ser obtenida mediante cualquier proceso de fabricacin.

La superficie debe ser obtenida por arranque de viruta.

La superficie debe ser obtenida sin arranque de viruta.

Colocacin de los valores sobre los smbolos

Cuando es necesario expresar los lmites mximos y mnimos

Cuando se exige un proceso particular de fabricacin

Cuando sea necesario indicar la longitud mnima de medicin.

Figura 7. Smbolos de rugosidad

RUGOSIDAD 13.20

RUGOSIDAD 14.20

EQUIPOS CON PALPADOR PARA LA MEDIDA DE RUGOSIDAD

Para la medida de rugosidad en piezas mecnicas los equipos con palpador son, con gran diferencia, los ms empleados. A ellos se debe el desarrollo de la normativa y parmetros analizados, por lo que constituyen la base de las medidas y estudios de rugosidad, cualquier otro mtodo 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. Patn.

Sistema de avance. Sistema de filtrado. Sistema de clculo.

Bancada

Segn tengan o no bancada los rugosmetros se pueden clasificar en fijos o porttiles, siendo los primeros mucho ms costosos y precisos. La bancada, tal como se indica en la Figura 14, est compuesta de una columna donde est 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. Patn.

RUGOSIDAD 15.20

Palpador o aguja

La punta del palpador de medida puede ser de diamante, o ms raramente de carburo de tungsteno, para asegurar que no se deforme en un plazo largo. La forma de la punta est normalizada en los valores que se indica en la Figura 15; los sealados con (*) son los ms empleados, de hecho, los palpadores con =60, tienen poca duracin, son frgiles y pueden hacer marcas en la pieza, por lo que se usan para materiales cermicos.

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 induccin de las bobinas, (Figura 16), lo que se traduce en el correspondiente desplazamiento. Tambin existen sistemas pticos y piezoelctricos para la medida de rugosidad, que tienen la ventaja que pueden medir piezas imantadas.

Figura 16 Captador inductivo

Patn

La aguja no podra apoyar directamente sobre la pieza si no tuviera un patn que la sirva de gua. El patn constituye el apoyo del palpador a una superficie de referencia sobre la que se calcula la rugosidad. Los tipos de patines ms usuales se reflejan en la Figura 17. Se pueden clasificar de la forma siguiente:

Palpadores de referencia extrnseca

El patn 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 difcil acceso. Son los empleados en casos de litigio.

RUGOSIDAD 16.20

Figura 17 Disposiciones constructivas del palpador

RUGOSIDAD 17.20

Palpadores de referencia intrnseca

El patn apoya sobre la pieza a medir. Tienen las ventajas siguientes: Son ms econmicos. Las medidas son ms rpidas. 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 misin 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 ms usual es del orden de 0,5 mm/s Tambin hay otras velocidades menos usuales como 0,05 0,1 0,15 1,5 mm/s El sistema de avance suele disponer de velocidades ms altas, del orden del doble, para el regreso del plpador 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 separacin se realiza eliminando los defectos de longitud de onda superior a la longitud bsica. A la "longitud bsica" se la conoce tambin como longitud de corte" o "cut off".

Ampliacin

El nmero de veces que se amplifica el perfil est normalizado, tanto en direccin horizontal o direccin de avance del palpador, como vertical o direccin de las desviaciones de rugosidad. Los valores de amplificacin para la direccin horizontal van desde: 10 a 4.000 y para la direccin vertical desde: 100 a 40.000 Lo normal es que los equipos puedan sintonizar un valor entre varios generalmente 6. Los valores ms corrientes de amplificacin son: Vertical 330 -1.000 -3.000 -10.000 -33.000 -100.000 Horizontal 2 -10 -20 -100

Sistema de clculo

En la actualidad existen dos grandes grupos de equipos para el tratamiento de la informacin:

Sistemas de clculo analgico Conservan un tratamiento analgico de las seales que reciben del amplificador. Este tipo de equipos imposibilita al usuario, el realizar cambios, y su modo de operacin suele ser muy rgido no permitiendo ninguna alteracin de los pasos indicados para efectuar las medidas o calibrar el equipo.

RUGOSIDAD 18.20

Sistemas de clculo digital La seal es digitalizada para explotarla, bien en el mismo equipo o, mediante un ordenador externo. Es el tipo de equipo de ms posibilidades para el anlisis de los parmetros de rugosidad, estudios funcionales, (I+D), etc.

FORMA DE REALIZAR LAS MEDIDAS

Los pasos usuales para la realizacin de las medidas son los siguientes:

Eleccin de la direccin de medida La direccin de medida debe ser perpendicular a la direccin de las estras del mecanizado. Si no se sabe a priori se debern realizar unas medidas previas para determinarlo.

Eleccin de la longitud bsica Si no se especifica nada en el plano, la longitud bsica o longitud de corte que se debe seleccionar es de 0,8 mm.

Eleccin del resto de los parmetros Normalmente los parmetros de longitud bsica, amplificacin horizontal y velocidad de medida suelen estar relacionados para cada tipo de rugosmetro.

Eleccin de la amplificacin vertical Se empezar por las ampliaciones ms bajas, normalmente por una amplificacin de 500, y se ir subiendo hasta encontrar la escala adecuada a la rugosidad de la pieza.

Comprobacin del rugosmetro Generalmente al principio de la sesin de trabajo se mide un patrn de rugosidad, de valor parecido al esperado en las piezas, para comprobar el correcto funcionamiento y la precisin del rugosmetro.

Medida y clculo de los parmetros Se rnedirn los parmetros de rugosidad en varios puntos de la pieza y se eliminarn aquellos que difieran ms de un 10% de la media.

Incertidumbre en la medida de rugosidad Para las medidas ms 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 habra que sumar la incertidumbre del aparato de medida que, en muchos casos, resulta de un orden de magnitud inferior.

RUGOSIDAD 19.20

1. La metrologa superficial ha cobrado importancia debido a:

a) Que los instrumentos electrnicos facilitan su evaluacin b) Se requiere personal con poca experiencia c) Necesidad de mayor seguridad d) La fabricacin en serie de piezas complejas.

2. Cul de las siguientes superficies es la mejor?

a) Una con una rugosidad de 0,01 m Ra b) Una superficie perfectamente lapeada c) Una superficie sin ondulacin d) Una con una rugosidad cercana pero inferior al valor especificada

3. Por lo general, qu ocurre si se realiza una medicin de rugosidad en una direccin diferente a la textura de mecanizado?

a) La lectura aumenta b) La lectura disminuye c) La lectura permanece igual d) La lectura vara

4. Por lo general, qu ocurre si se realiza una medicin de rugosidad con un valor diferente de cut-off?

a) La lectura aumenta b) La lectura disminuye c) La lectura permanece igual d) La lectura vara

5. Qu trminos pueden considerarse como equivalentes en la prctica?

a) Ondulacin y rugosidad b) Cut-off y longitud de muestreo c) Longitud de muestreo y longitud de evaluacin d) Cut-off y recorrido

6. Normalmente, cuntas longitudes de muestreo se utilizan como longitud de evaluacin?

a) 1 b) 3 c) 5 d) Depende de la aplicacin

7. Por qu han proliferado los parmetros de medicin de la rugosidad?

a) Aplicaciones especficas requieren parmetros especficos b) Cuantos mas parmetros, mejor se evala la calidad superficial c) Son mas fiables que Ra d) Diferentes pases utilizan diferentes parmetros

RUGOSIDAD 20.20

8. Cul de los siguientes smbolos representa al cut-off?

a) le b) lm c) C d) f

9. Cul de los siguientes parmetros 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. Cul es la finalidad de utilizar los grados de rugosidad N1 a N12? a) Evitar confusin entre milmetros y pulgadas b) Utilizar simbologa normalizada c) Es mas compacto y ahorra espacio d) Que todo el mundo lo entienda

11. Cmo indicaramos en el dibujo siguiente que se desea una rugosidad de 0,8 m Rz con un valor de cut-off de 2,5 mm.?

12. Y un Ra comprendido entre 3 y 7 m obtenido en un proceso por arranque de viruta?

13. En relacin con la pregunta anterior, cmo realizaramos la medicin? a) Paralelamente a las marcas b) Perpendicularmente a las marcas c) A 45 con respecto a las marcas d) En cualquier direccin e) Habra que preguntar