Rugosidad de la superficie - Surface roughness

El símbolo básico de la rugosidad de la superficie.
Microscopio holográfico digital que mide la rugosidad de la prótesis de cadera

La rugosidad de la superficie , a menudo abreviada como rugosidad , es un componente de la textura de la superficie . Se cuantifica por las desviaciones en la dirección del vector normal de una superficie real de su forma ideal. Si estas desviaciones son grandes, la superficie es rugosa; si son pequeños, la superficie es lisa. En metrología de superficies , la rugosidad se considera típicamente como el componente de alta frecuencia y longitud de onda corta de una superficie medida. Sin embargo, en la práctica, a menudo es necesario conocer tanto la amplitud como la frecuencia para garantizar que una superficie sea adecuada para un propósito.

La rugosidad juega un papel importante en la determinación de cómo un objeto real interactuará con su entorno. En tribología , las superficies rugosas generalmente se desgastan más rápidamente y tienen coeficientes de fricción más altos que las superficies lisas. La rugosidad es a menudo un buen predictor del rendimiento de un componente mecánico, ya que las irregularidades en la superficie pueden formar sitios de nucleación de grietas o corrosión. Por otro lado, la rugosidad puede promover la adhesión . En términos generales, en lugar de descriptores específicos de escala, los descriptores de escala cruzada, como la fractalidad de la superficie, proporcionan predicciones más significativas de las interacciones mecánicas en las superficies, incluida la rigidez de contacto y la fricción estática .

Aunque a menudo no es deseable un alto valor de rugosidad, puede ser difícil y costoso de controlar en la fabricación . Por ejemplo, es difícil y costoso controlar la rugosidad de la superficie de las piezas fabricadas por modelado de deposición fundida (FDM). Disminuir la rugosidad de una superficie generalmente aumenta su costo de fabricación. Esto a menudo resulta en una compensación entre el costo de fabricación de un componente y su desempeño en la aplicación.

La rugosidad se puede medir mediante comparación manual con un "comparador de rugosidad superficial" (una muestra de rugosidad superficial conocida), pero más generalmente se realiza una medición del perfil de la superficie con un perfilómetro . Estos pueden ser de la variedad de contacto (típicamente una aguja de diamante) u ópticos (por ejemplo: un interferómetro de luz blanca o un microscopio confocal de barrido láser ).

Sin embargo, a menudo puede ser deseable una rugosidad controlada. Por ejemplo, una superficie brillante puede ser demasiado brillante a la vista y demasiado resbaladiza para el dedo (un panel táctil es un buen ejemplo), por lo que se requiere una rugosidad controlada. Este es un caso en el que tanto la amplitud como la frecuencia son muy importantes.

Parámetros

Un valor de rugosidad se puede calcular en un perfil (línea) o en una superficie (área). El parámetro de perfil de rugosidad ( , , ...) son más comunes. Los parámetros de zona de rugosidad ( , , ...) dan valores más significativos.

Parámetros de rugosidad del perfil

Rugosidad rus.png

Los parámetros de rugosidad del perfil están incluidos en la norma británica BS EN ISO 4287: 2000, idéntica a la norma ISO 4287: 1997. El estándar se basa en el sistema ″ M ″ (línea media).

Hay muchos parámetros de rugosidad diferentes en uso, pero es, con mucho, el más común, aunque esto a menudo se debe a razones históricas y no a un mérito particular, ya que los primeros medidores de rugosidad solo podían medir . Otros parámetros comunes incluyen , , y . Algunos parámetros se utilizan solo en determinadas industrias o dentro de determinados países. Por ejemplo, la familia de parámetros se usa principalmente para revestimientos de cilindros y los parámetros Motif se usan principalmente en la industria automotriz francesa. El método MOTIF proporciona una evaluación gráfica de un perfil de superficie sin filtrar la ondulación de la rugosidad. Un motivo consiste en la porción de un perfil entre dos picos y las combinaciones finales de estos motivos eliminan los picos ″ insignificantes ″ y retienen los picos ″ significativos ″. Tenga en cuenta que es una unidad dimensional que puede ser micrométrica o micropulgada .

Dado que estos parámetros reducen toda la información de un perfil a un solo número, se debe tener mucho cuidado al aplicarlos e interpretarlos. Pequeños cambios en cómo se filtran los datos del perfil sin procesar, cómo se calcula la línea media y la física de la medición pueden afectar en gran medida el parámetro calculado. Con equipos digitales modernos, el escaneo se puede evaluar para asegurarse de que no haya fallas obvias que desvíen los valores.

Debido a que puede no ser obvio para muchos usuarios lo que realmente significa cada una de las mediciones, una herramienta de simulación permite al usuario ajustar parámetros clave, visualizando cómo las superficies que son obviamente diferentes al ojo humano se diferencian por las mediciones. Por ejemplo, no distingue entre dos superficies en las que una está compuesta por picos en una superficie por lo demás lisa y la otra está compuesta por valles de la misma amplitud. Estas herramientas se pueden encontrar en formato de aplicación.

Por convención, cada parámetro de rugosidad 2D es una mayúscula seguida de caracteres adicionales en el subíndice. El subíndice identifica la fórmula que se utilizó y los medios por los que se aplicó la fórmula a un perfil de rugosidad 2D. Diferentes letras mayúsculas implican que la fórmula se aplicó a un perfil diferente. Por ejemplo, es el promedio aritmético del perfil de rugosidad, es el promedio aritmético del perfil en bruto sin filtrar y es el promedio aritmético de la rugosidad 3D.

Cada una de las fórmulas enumeradas en las tablas asume que el perfil de rugosidad se ha filtrado de los datos del perfil en bruto y se ha calculado la línea media. El perfil de rugosidad contiene puntos ordenados igualmente espaciados a lo largo de la traza y es la distancia vertical desde la línea media hasta el punto de datos. Se supone que la altura es positiva en la dirección ascendente, lejos del material a granel.

Parámetros de amplitud

Los parámetros de amplitud caracterizan la superficie en función de las desviaciones verticales del perfil de rugosidad de la línea media. Muchos de ellos están estrechamente relacionados con los parámetros que se encuentran en las estadísticas para caracterizar muestras de población. Por ejemplo, ¿ se determina el valor medio aritmético del perfil de rugosidad filtrado a partir de las desviaciones sobre la línea central dentro de la longitud de evaluación y es el rango de los puntos de datos de rugosidad recopilados?

La rugosidad media aritmética es el parámetro de rugosidad unidimensional más utilizado.

Parámetro Descripción Fórmula
Ra, Raa, Ryni Desviación media aritmética del perfil evaluado
Rq, Rms Raíz cuadrada media
Rv i; RV Profundidad máxima del valle por debajo de la línea media, dentro de una sola longitud de muestreo; Valor promedio de Rv sobre la duración de la evaluación ;
Rp i; Rp Altura máxima del pico por encima de la línea media, dentro de una sola longitud de muestreo; Valor promedio de Rp sobre la duración de la evaluación ;
Rz i ; Rz Altura máxima de pico a valle del perfil, dentro de una sola longitud de muestreo; Valor medio de Rz sobre la duración de la evaluación ;
Rsk Oblicuidad
Rku Curtosis
RzDIN, Rtm Distancia promedio entre el pico más alto y el valle más bajo en cada longitud de muestreo, ASME Y14.36M - 1996 Símbolos de textura de superficie , donde es el número de longitudes de muestreo y es para la longitud de muestreo.
RzJIS Estándar industrial japonés para , basado en los cinco picos más altos y los valles más bajos en toda la longitud de muestreo. , donde y son el pico más alto y el valle más bajo respectivamente.

Aquí hay una tabla de conversión común con también números de grado de rugosidad:

Rugosidad, N Valores de rugosidad, Ra RMS (µ pulg.) Promedio de la línea central . , CLA Rugosidad, Rt
Números de grado ISO micrómetros (µm) micro pulgadas (µin.) (µ pulg.) (µm)
N12 50 2000 2200 2000 200
N11 25 1000 1100 1000 100
N10 12,5 500 550 500 50
N9 6.3 250 275 250 25
N8 3.2 125 137,5 125 13
N7 1,6 63 69,3 63 8
N6 0,8 32 35,2 32 4
N5 0.4 dieciséis 17,6 dieciséis 2
N4 0,2 8 8.8 8 1.2
N3 0,1 4 4.4 4 0,8
N2 0,05 2 2.2 2 0,5
N1 0,025 1 1.1 1 0,3

Parámetros de pendiente, espaciado y conteo

Los parámetros de pendiente describen las características de la pendiente del perfil de rugosidad. Los parámetros de espaciado y recuento describen la frecuencia con la que el perfil cruza ciertos umbrales. Estos parámetros se utilizan a menudo para describir perfiles de rugosidad repetitivos, como los que se producen al girar un torno .

Parámetro Descripción Fórmula
el RMS del perfil dentro de la longitud de muestreo
la pendiente absoluta promedio del perfil dentro de la longitud de muestreo
donde delta i se calcula de acuerdo con ASME B46.1 y es un filtro de suavizado Savitzky-Golay de quinto orden

Otros parámetros "frecuencia" son S m , una y q . S m es el espaciado medio entre picos. Al igual que con las montañas reales, es importante definir un "pico". Para S m, la superficie debe haber descendido por debajo de la superficie media antes de volver a subir a un nuevo pico. La longitud de onda media de una y la raíz media longitud de onda cuadrada q se derivan de una . Al intentar comprender una superficie que depende tanto de la amplitud como de la frecuencia, no es obvio qué par de métricas describe de manera óptima el equilibrio, por lo que se puede realizar un análisis estadístico de pares de mediciones (por ejemplo: R z y a o R a y Sm) para encontrar la correlación más fuerte.

Conversiones comunes:

Parámetros de la curva de relación de demora

Estos parámetros se basan en la curva de relación de demora (también conocida como curva de Abbott-Firestone). Esto incluye la familia de parámetros Rk.

Bocetos que representan superficies con sesgo negativo y positivo. El trazo de rugosidad está a la izquierda, la curva de distribución de amplitud está en el medio y la curva del área de rumbo (curva de Abbott-Firestone) está a la derecha.

Teoría fractal

El matemático Benoît Mandelbrot ha señalado la conexión entre la rugosidad de la superficie y la dimensión fractal . La descripción proporcionada por un fractal en el nivel de microrrugosidad puede permitir el control de las propiedades del material y el tipo de formación de viruta que se produce. Pero los fractales no pueden proporcionar una representación a escala completa de una superficie mecanizada típica afectada por las marcas de avance de la herramienta; ignora la geometría del filo. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit .). Los descriptores fractales de superficies tienen un papel importante que desempeñar en la correlación de las propiedades físicas de la superficie con la estructura de la superficie. En múltiples campos, la conexión del comportamiento físico, eléctrico y mecánico con descriptores de superficie convencionales de rugosidad o pendiente ha sido un desafío. Empleando medidas de fractalidad de la superficie junto con medidas de rugosidad o forma de la superficie, ciertos fenómenos interfaciales que incluyen la mecánica del contacto, la fricción y la resistencia del contacto eléctrico, pueden interpretarse mejor con respecto a la estructura de la superficie.

Parámetros de rugosidad areal

Los parámetros de rugosidad del área se definen en la serie ISO 25178. Los valores resultantes son Sa, Sq, Sz, ... Muchos instrumentos de medición óptica pueden medir la rugosidad de la superficie en un área. Las mediciones de área también son posibles con sistemas de medición por contacto. Se toman múltiples escaneos 2D espaciados de cerca del área objetivo. Luego, estos se unen digitalmente utilizando el software correspondiente, lo que da como resultado una imagen en 3D y los parámetros de rugosidad del área que la acompañan.

Rugosidad de la superficie del suelo

La rugosidad de la superficie del suelo (SSR) se refiere a las variaciones verticales presentes en el micro y macro relieve de la superficie del suelo, así como a su distribución estocástica. Hay cuatro clases distintas de SSR, cada una de las cuales representa una escala de longitud vertical característica; la primera clase incluye variaciones de microrrelieve desde granos de suelo individuales hasta agregados del orden de 0.053–2.0 mm; la segunda clase consiste en variaciones debidas a terrones de suelo que oscilan entre 2 y 100 mm; la tercera clase de rugosidad de la superficie del suelo son las diferencias de elevación sistemáticas debidas a la labranza, denominadas rugosidad orientada (OR), que oscilan entre 100 y 300 mm; la cuarta clase incluye curvatura plana o características topográficas de macroescala.

Las dos primeras clases explican la denominada microrrugosidad, que se ha demostrado que está muy influenciada en un evento y en una escala temporal estacional por las lluvias y la labranza, respectivamente. La microrrugosidad se cuantifica más comúnmente por medio de la Rugosidad Aleatoria, que es esencialmente la desviación estándar de los datos de elevación de la superficie del lecho alrededor de la elevación media, después de la corrección de la pendiente utilizando el plano de mejor ajuste y la eliminación de los efectos de labranza en las lecturas de altura individuales. El impacto de la lluvia puede provocar una descomposición o un aumento de las microrrugosidades, según las condiciones iniciales de microrrugosidad y las propiedades del suelo. En superficies de suelo rugoso, la acción del desprendimiento de las salpicaduras de lluvia tiende a suavizar los bordes de la rugosidad de la superficie del suelo, lo que lleva a una disminución general de la RR. Sin embargo, un estudio reciente que examinó la respuesta de las superficies lisas del suelo a la lluvia mostró que el RR puede aumentar considerablemente para escalas de longitud de microrrugosidad inicial baja del orden de 0 a 5 mm. También se demostró que el aumento o la disminución es consistente entre varios índices de SSR.

Efectos practicos

La estructura de la superficie juega un papel clave en el gobierno de la mecánica de contacto , es decir, el comportamiento mecánico exhibido en una interfaz entre dos objetos sólidos cuando se acercan entre sí y pasan de condiciones de no contacto a contacto total. En particular, la rigidez de contacto normal se rige predominantemente por estructuras de aspereza (rugosidad, pendiente superficial y fractalidad) y propiedades del material.

En términos de superficies de ingeniería, se considera que la rugosidad es perjudicial para el rendimiento de la pieza. Como consecuencia, la mayoría de las impresiones de fabricación establecen un límite superior de rugosidad, pero no un límite inferior. Una excepción son los orificios de los cilindros donde el aceite se retiene en el perfil de la superficie y se requiere una rugosidad mínima.

La estructura de la superficie a menudo está estrechamente relacionada con las propiedades de fricción y desgaste de una superficie. Una superficie con una dimensión fractal más alta , un valor grande o positivo , generalmente tendrá una fricción algo mayor y se desgastará rápidamente. Los picos en el perfil de rugosidad no siempre son los puntos de contacto. También deben tenerse en cuenta la forma y la ondulación (es decir, tanto la amplitud como la frecuencia).

Ver también

Referencias

enlaces externos