Diseño Mecanico Capítulo V

Diseo Mecnico Captulo V: Rugosidad Superficial

Ing. Csar A. Quispe Gonzles, M Sc. Pgina 74

CAPTULO V - RUGOSIDAD SUPERFICIAL

5.1 INTRODUCCIN.

Las superficies de las piezas definen la frontera de separacin entre la parte fsica de la pieza y el medio exterior o la parte a travs de las cuales se unen una pieza con otra. La funcionalidad de un sistema mecnico, tales como la eficiencia de una mquina o mecanismo, su longevidad, posibilidad de venta y otros; dependen del estado de la superficie. Por eso, el estudio de la rugosidad es un captulo muy importante y merece una atencin especial.

En este sentido, es necesario establecer determinados requerimientos tecnolgicos que deben cumplir las superficies de piezas fabricadas, para hacer que el producto diseado o fabricado responda a las condiciones de funcionamiento y duracin esperadas, bajo un precio competitivo y de operaciones tecnolgicas no complejas. Estos requerimientos tecnolgicos deben ser expresados en los planos de proyecto y de fabricacin, existiendo para ello un lenguaje tcnico.

La representacin del acabado superficial tiene una gran importancia, ya que incide dentro del costo de produccin y en la eleccin de los procedimientos adecuados para satisfacer los requerimientos funcionales. Por este motivo, es necesario que el personal profesional y tcnico tengan conocimiento de los sistemas de acabado y los mtodos empleados para satisfacer a cabalidad las exigencias tcnicas asociadas a un elemento mecnico o pieza.

Los objetivos ms importantes de las superficies pueden resumirse en: a) Proteccin, proporcionando resistencia a la oxidacin, corrosin, y resistencia a la

absorcin; b) decorativos, mejorando el aspecto exterior del elemento o pieza; c) tecnolgicos, disminuyendo o aumentando el rozamiento, ofreciendo resistencia al

desgaste manteniendo los juegos o facilitando la intercambiabilidad; resistencia a la fatiga, reflectividad, prevencin del gripado (deformaciones trmicas), mejorando la soldabilidad, conductividad o aislamiento elctrico.

La satisfaccin de los aspectos funcionales de las superficies de piezas elaboradas puede darse a travs de dos factores: a) el acabado (rugosidad superficial), b) tratamientos y recubrimiento a aplicar sobre las superficies. Este captulo trata fundamentalmente del acabado superficial, el cual est ligado al proceso de produccin de la pieza o elemento mecnico.

5.2 MTODOS DE PRODUCCIN DE SUPERFICIES.

Durante el proceso de produccin de piezas y elementos mecnicos, la generacin de superficies se consigue utilizando distintos medios de produccin. Entre ellos se puede distinguir:

Moldeo Forja Estampacin Laminado Extruido Mquinas herramientas de arranque de viruta Mquinas herramientas sin arranque de virutas Mquinas herramientas que utilizan abrasivos Bruido Chorro de arena (1) Barrilado (1) Chorro de perdigones (Shot Peening) (2) Procedimientos manuales

El arenado (chorro de arena) es un procedimiento utilizado tanto para eliminacin de asperezas como para limpieza y decapado, en tanto que el chorro de perdigones, es un procedimiento que se utiliza para aumentar dureza superficial, mejorar la resistencia a la fatiga y la adherencia del cromado en recubrimientos electrolticos, realizado al proyectar un chorro de perdigones metlicos contra la



superficie de la pieza, mediante una corriente de aire con velocidad, intensidad y tamao de perdign controlados.

5.3 FUNCIN DE LAS SUPERFICIES

La funcin que realiza una superficie depende de las relaciones que tenga con las superficies de otras piezas. En base a ello, las superficies se pueden clasificar en:

Superficies de apoyo.- Son las que estn en contacto esttico con otras superficies ajenas a la pieza. Estas superficies posicionan a la pieza o sirven de apoyo para otras piezas.

Superficies funcionales.- Son las que estn en contacto dinmico con otras, producindose un desplazamiento relativo entre ambas superficies (deslizamiento, guas de ejes, rodadura, pistas de rodamientos, etc.). Se requiere que estas superficies tengan un mnimo coeficiente de rozamiento para tener la menor prdida de energa.

Superficies libre.- son aquellas que no estn en contacto con otras, tienen como misin principal definir la forma de la pieza.

Estas superficies se muestran en la Fig. 5.1.

Superficie funcional Superficie de apoyo

Superficie funcional

Superficie libre Superficie de apoyo Superficie funcional

Figura 5.1 - Ejemplo de tipos e superficies.

5.4 CONSIDERACIONES BSICAS PARA LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL

Durante la elaboracin de dibujos y planos, las superficies de las piezas se representan mediante lneas uniformes. Sin embargo, como consecuencia de los defectos originados por los procesos de fabricacin (por la accin de mquinas herramientas con o sin arranque de viruta), estas superficies distan de tener una superficie uniforme presentando irregularidades que son necesarias de controla para que la pieza cumpla con la funcin a la cual est destinada.

El aspecto que presenta una superficie depende fundamentalmente del material con que est fabricada la pieza y de su proceso de conformacin. En cuanto al proceso, existe una implicacin econmica relacionada con el proceso de fabricacin por lo que el grado de acabado superficial debe reunir dos condiciones::

Calidad mnima: La calidad de la superficie debe ser suficiente para que la pieza cumpla su funcin (menor costo).

Calidad mxima: la calidad de las piezas debe ser compatible con el costo de la pieza y por tanto no debe ser mayor que la necesaria (mayor costo).

Se debe indicar que mediante las tolerancias dimensionales y geomtricas (de forma y posicin), se garantizan la intercambiabilidad de piezas dentro de un conjunto, pero no se garantiza el estado de las superficies de la pieza, factor que influye en el funcionamiento del mecanismo.

Al igual que es imposible fabricar con exactitud una forma, tampoco es posible obtener con exactitud un acabado superficial requerido. Este se encontrar dentro de unos lmites ms o menos grandes. Las imperfecciones superficiales (Fig. 5.2) se clasifican en:

rugosidades, producto de las huellas de la herramienta que se emplea para fabricar la pieza



ondulaciones, causadas por los desajustes de las mquinas-herramientas utilizadas en el maquinado.

Aparicin conjunta de ambos defectos.

Figura 5.2 - Tipos de acabados superficiales: a) rugoso, b) ondulado, c) rugoso y ondulado.

Las superficies onduladas se consideran como errores de forma, mientras que las superficies rugosas, estn referenciadas a superficies con cierto grado de rugosidad. Las ondulaciones son llamadas "estructura secundaria" y la rugosidad "estructura primaria", siendo necesario aclarar que el establecer una separacin rigurosa entre ondulacin y rugosidad es prcticamente imposible.

Un criterio admitido es el de considerar rugosidad cuando la separacin entre estras est entre 4 y 50 veces el valor de la altura mxima de las mismas y ondulacin cuando la longitud de onda es 100 a 1000 veces su altura, siendo necesario que para la consideracin de sta en la longitud de exploracin existan como mnimo dos, tomndose en caso contrario el defecto como error de forma. Usualmente en las piezas se presentar una composicin de diferentes longitudes de onda, Se puede decir por tanto que el aspecto final de una superficie es consecuencia de la suma de diferencias de forma de distintas longitudes de onda y amplitudes.

A pesar de las inevitables imperfecciones que presenta una superficie a causa del propio proceso de conformacin, es necesario que esta posea un cierto grado de uniformidad y alisado. La uniformidad se entiende como el mantenimiento de la forma geomtrica a lo largo de toda la extensin de una superficie de una pieza. El alisado est en funcin del aspecto y tipo de la estra producida por el mecanizado. El grado de alisado puede ser fino o basto, pero regular en toda la superficie.

5.5 DEFINICIONES Y PARMETROS DE LA RUGOSIDAD

Los diferentes conceptos y terminologas estn normados, estableciendo un lenguaje comn para especificar los aspectos relacionados a los acabados superficiales en los documentos tcnicos. As, la norma ISO 4287/1-1984 define los trminos de rugosidad superficial. La norma ISO 468-1982, establece los parmetros, tipos de direccin de las irregularidades superficiales y las reglas generales para la determinacin de la rugosidad, aplicables a aquellos materiales y mtodos que puedan asegurar los lmites establecidos en esta norma. La norma ISO 1302 especifica los smbolos e indicaciones complementarias de los estados superficiales a utilizar en los dibujos tcnicos. A continuacin se describen los conceptos bsicos:

Superficie real: superficie que limita el cuerpo y lo separa del medio que lo rodea (Fig. 5.3a). Superficie nominal o geomtrica: Superficie ideal cuya forma nominal est definida por el

dibujo (Fig. 5.3b) Imagen de contorno de una superficie: Conjunto de lneas de interseccin de una

superficie real por una serie de secciones equidistantes (Fig. 5.3c) Perfil transversal: perfil resultante de la interseccin de una superficie con el plano normal

perpendicular a la direccin de as irregularidades (Fig. 5.3d)

a) b) c) d)

Figura 3 - Superficie real (a) y nominal (b).

b) a) c)



Lnea de referencia: Lnea con relacin a la cual se determinan los parmetros de medida Longitud bsica, l: Longitud de la lnea de referencia utilizada para separar las

irregularidades que forman la rugosidad superficial (Fig. 5.4). Longitud de evaluacin ln: longitud utilizada para determinar los valores de los paramentos

de rugosidad superficial. Puede comprender una o ms longitudes bsicas (Fig. 5.4). Desviacin (diferencial del perfil, y: distancia entre el punto del perfil y la lnea de referencia

siguiendo la direccin de la medida (Fig. 5). Lnea media de los mnimos cuadrados o lnea media m: lnea de referencia cuya forma es

la del perfil geomtrico y divide al perfil de forma que dentro de la longitud bsica, la suma de los cuadrados de las desviaciones (diferencias) a partir de esta lnea es mnima (Fig. 5).

Figura 5.4 Longitud bsica, longitud de evluacin y lnea media

Lnea media aritmtica del perfil o lnea central: Lnea de referencia que tiene la forma del perfil geomtrico paralela a la direccin general del perfil dentro de la longitud bsica y que divide al perfil de tal forma que la suma de las reas comprendidas entre ella y el perfil es igual (Fig. 5.5). Se utiliza para la determinacin grfica de la lnea media de mnimos cuadrados, cuando el perfil tiene una periodicidad perceptible es nica. Para esta lnea se

cumple que: '1 1

n n

i ii i

F F= =

=

Figura 5.5 Lnea media aritmtica del perfil o lnea central.

Sistema de la lnea media: Sistema de clculo utilizado para evaluar los parmetros de rugosidad superficial cuando una lnea media definida se toma como lnea de referencia.

Irregularidad del perfil: Cresta del perfil y valle adyacente, entendiendo como cresta la parte de perfil dirigida hacia el exterior y que une dos intersecciones consecutivas de ste con la lnea media y valle lo mismo hacia el interior.

Rugosidad superficial: Conjunto de las irregularidades superficiales de paso relativamente pequeo, correspondiente a las huellas dejadas en la superficie real por el procedimiento de elaboracin u otras influencias.



Como parmetros ms significativos en la valoracin de la rugosidad se consideran: Altura mxima del perfil, Ry: Distancia entre el pico de cresta ms alto y el fondo del valle

ms profundo dentro de la longitud bsica. Altura de las irregularidades en diez puntos, Rz: Media de los valores absolutos de las

alturas de las cinco crestas yp ms altas y los cinco valles ms profundos yv dentro de la longitud bsica.

5 5

, ,

1 1

5

p i v ii i

z

y yR = =

+

=

Valor de rugosidad Ra media aritmtica del perfil: Media aritmtica de los valores absolutos de las desviaciones del perfil, en los lmites de la longitud bsica l. Es el parmetro ms comn en la medida de la rugosidad (Fig. 5.6). Esta dado por la relacin siguiente:

( )0

1 laR y x dxl

=

Figura 5.6 Determinacin del valor Ra de la rugosidad.

Desviacin media cuadrtica del perfil Rq: Valor medio cuadrtico de las desviaciones del perfil, en los lmites de la longitud bsica, (valor utilizado con preferencia en normas americanas).

( )20

1 lqR y x dxl

=

5.6 INDICACIN DE ESTADOS SUPERFICIALES EN PLANOS Y DIBUJOS

Para indicar las caractersticas superficiales en los planos, se utiliza una simbologa particular, las cuales se definen a continuacin:,

Smbolo bsico (Fig. 5.7a), representado por dos trazos desiguales, inclinados 60 respecto a la superficie donde se apoyan. Solamente puede utilizarse cuando su significado se exprese mediante una nota.

Si el mecanizado se realiza por arranque de viruta (taladrado, torneado, fresado, cepillado, etc.) se utiliza el smbolo indicado por la Fig. 5.7b.

Si el mecanizado se efecta con un proceso de conformacin, sin arranque de viruta, (laminado, estirado, estampado, forjado, etc.) se emplea el smbolo indicado en la Fig. 5.7c.

Para indicar caractersticas especiales del estado superficial se utiliza el smbolo mostrado en la Fig. 5.7d.

a) b) c) d)

Figura 5.7 Smbolos utilizados en la indicacin de estados superficiales



5.7 DIRECCIN DE LAS ESTRAS PARA ACABADOS SUPERFICIALES

Durante el proceso de fabricacin, la mayora de las superficies se obtienen con arranque de viruta, las cuales generan estras con direccin determinada. Estas direcciones de las estras se indican con los smbolos indicados en la Tabla 5.1.

Tabla 5.1 Indicacin de la direccin de las estras

5.8 SIMBOLOGA PARA INDICAR EL ACABADO SUPERFICIAL

La informacin referente al acabado superficial incluye una serie de datos, que deben distribuirse adecuadamente en el smbolo de acabado superficial. En la Fig. 5.8 se muestra ste smbolo, as como diversos campos donde debe indicarse la informacin especfica que es:

Figura 5.8 Simbologa para el acabado superficial.

a) Valor de la rugosidad Ra en micrmetros b) Proceso de fabricacin, tratamiento o recubrimiento. c) Longitud bsica d) Direccin de las estras de mecanizado. e) Sobre medida para el mecanizado f) Otros valores de rugosidad (entre parntesis).

5.9 CLASES DE LA CALIDAD DE SUPERFICIES

El estndar contempla 14 clases de calidad de la superficie. Generalmente, las clases 6 14 estn subdivididas en categoras a, b y c con valores ms fraccionados para Ra y Rz. Para las clases 6 12 lo fundamental es la escala Ra y para las clases 1 5 y 13 14 el valor fundamental es la escala Rz.



Los valores de Ra y Rz estn enlazados entre si por las siguientes proporciones:

Para las clases 1 6: 4z aR R= Para las clases 7 14: 5 5 aR R=

Los valores numricos de las micro-irregularidades, que sirven de base para la divisin en clases slo limitan su mxima magnitud. Si se necesita establecer las magnitudes mximas y mnimas de las micro-irregularidades, se citan dos nmeros de clase. En la Tabla 5.2, se muestran los diferentes valores para las clases de calidad de superficies.

Tabla 5.2 Clases de calidad de acabados superficiales

R a ( m) R z (m) R a ( m) R z (m)

1 80 3202 40 160 9 0.32 1.63 20 80 10 0.16 0.84 10 40 11 0.08 0.45 50 20 12 0.04 0.26 2.5 107 1.25 6.3 13 0.02 0.18 0.63 3.2 14 0.01 0.05

8

2.5

0.8

0.25

0.08

no ms de

Clase derugosidad

longitudbase l (mm)

Clase derugosidad

longitudbase l (mm)no ms de

5.10 ACOTACIN DE LA RUGOSIDAD EN PLANOS Y DIBUJOS

La disposicin de los smbolos e inscripciones deben de orientarse de manera que puedan leerse desde la parte inferior del dibujo o desde el lado derecho (Fig. 5.9), si esto no es posible y siempre que solo se exprese el valor de rugosidad Ra los smbolos pueden orientarse en cualquier direccin mantenindose lo anterior para la lectura del valor de rugosidad.

Figura 5.9 Disposicin de los smbolos de rugosidad.

Los smbolos o las flechas deben de indicarse en la parte exterior de la pieza que representa la superficie o sobre una lnea prolongacin de la misma y una sola vez, preferentemente sobre la vista que define la medida de dicha superficie.

Cuando se exija para todas las superficies de la pieza el mismo estado de superficie, basta con la colocacin del smbolo en las proximidades de la pieza, del cuadro de rotulacin o en el espacio previsto para notas generales (Fig.5.10)



Figura 5.10 Indicacin de la rugosidad comn para todas las superficies.

Cuando la mayora de las superficies requieren el mismo estado de superficie (Fig. 5.11), el smbolo correspondiente a ese estado debe de ir seguido de: La frase salvo indicacin particular; o el smbolo bsico entre parntesis sin ninguna otra indicacin.

Figura 5.11 Superficies con misma clase de calidad.

Las indicaciones relativas a tratamientos o recubrimientos se realizan como se indica en la Fig. 5.12

Figura 5.12 Superficies con tratamientos o recubrimientos. Slo se debern dar indicaciones referidas a la rugosidad, sobre medidas de mecanizado,

etc. cuando sea estrictamente necesario para el buen funcionamiento del sistema y slo en las superficies que lo exijan. El especificar un estado superficial determinado en una zona donde no es necesario obliga al control de calidad de dicha especificacin y aumenta los costes de produccin de la pieza.

La indicacin de estado superficial no es necesaria si el taller donde se producen las piezas las realiza con el estado superficial exigido.

Un aspecto importante a tener en cuenta al especificar valores de rugosidad es la relacin entre sta y las tolerancias de fabricacin ya que una superficie rugosa en piezas sometidas a deslizamiento,



presentar rpidamente un desgaste consecuencia de la destruccin de los picos, perdindose por tanto la medida exterior y en consecuencia la tolerancia de funcionamiento, efecto que tardar ms en presentarse cuando esa superficie sea lisa y uniforme, en la Tabla 5.3 se especifican como orientacin los valores de rugosidad para distintas calidades de tolerancia de fabricacin.

Tabla 5.3 Rugosidades de superficies respecto a la tolerancia de fabricacin

IT 6 IT 7 IT 8 IT 9 IT 10 IT 11 IT 12 IT 13 IT 14

menor de 3 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2 2 3 5 8de 3 hasta 18 0.3 0.5 0.8 1.2 2 3 5 8 12de 18 ahasta 80 0.5 0.8 1.2 2 3 5 8 12 20de 80 hasta 250 0.8 1.2 2 3 5 8 12 20 30mayores de 250 1.2 2 3 5 8 12 20 30 50

1.2 2 3 5 8 12 20 30 50

Rugosidad Ra ( m)

Superficies planas

Superficies cilndricas

con dimetro en mm

Tipo de superficiesTolerancia ISO

Tabla 5.4 Rugosidades obtenidas en procesos sin arranque de viruta



Tabla 5 Rugosidades obtenidas en procesos con arranque de viruta

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