La rugosidad superficial, o simplemente rugosidad, se refiere a la característica de la irregularidad de la superficie. En la industria del mecanizado, este conocimiento se considera fundamental, pero a menudo es uno de los más descuidados. Quienes trabajamos en el mecanizado, y solemos centrarnos más en parámetros, perfiles dentados y estructuras, solemos prestarle poca atención. Pregúntese: ¿cómo se ve una superficie torneada con Ra 1.6? ¿Tiene una imagen concreta de ella en mente?
¿Qué es la rugosidad de la superficie?
La rugosidad superficial es la característica de la irregularidad de una superficie. Se cuantifica mediante la desviación de la dirección del vector normal de una superficie real con respecto a su forma ideal. Si la desviación es grande, la superficie es rugosa; si es pequeña, es lisa. Generalmente, se considera que la rugosidad es el componente de alta frecuencia y longitud de onda corta de una superficie medida. Sin embargo, en la práctica, suele ser necesario comprender tanto la amplitud como la frecuencia para garantizar que una superficie sea adecuada para un propósito específico. La rugosidad superficial es un indicador de la textura superficial de una pieza después del procesamiento, representando el promedio de las desviaciones e irregularidades microscópicas en la superficie de la pieza mecanizada.
Indicadores de rugosidad superficial
La rugosidad superficial desempeña un papel fundamental a la hora de determinar cómo interactúa un objeto físico con su entorno. Si bien los valores altos de rugosidad suelen ser indeseables, controlarla durante la fabricación puede ser difícil y costoso. Los diseñadores e ingenieros de procesos a menudo necesitan encontrar un equilibrio entre el coste de fabricación de una pieza y su rendimiento en la aplicación.
Los indicadores más comunes de rugosidad superficial son los siguientes:
Ra
Ra es la media aritmética de las desviaciones de la altura de la superficie con respecto a la línea media, medidas a lo largo de una distancia específica. La línea media es el punto medio entre los picos y valles del perfil. Ra es la altura media de todos los picos por encima de esta línea.
Rz
Rz es la altura máxima promedio de las irregularidades de la superficie. Es el promedio de las distancias verticales entre el pico más alto y el valle más bajo a lo largo de una longitud dada.
Rp
Rp es la altura del pico más alto desde la línea media dentro de una longitud de muestreo especificada.
Rv
Rv es la profundidad del valle más profundo desde la línea media dentro de una longitud de muestreo especificada.
Lay
La disposición es la dirección principal de la textura de la superficie e indica la dirección en la que se encuentran la mayoría de las irregularidades de la superficie.
El siguiente diagrama ilustra estos indicadores sobre una longitud de muestra de la superficie de una pieza.
Ra es el indicador más utilizado para definir la rugosidad superficial en el mecanizado CNC, medido en µm (micrómetros). Cuanto menor sea el valor de Ra, menor será la variación en las irregularidades de la superficie, lo que resulta en una superficie más lisa. A medida que aumenta el valor de Ra, la superficie se vuelve más rugosa y presenta una textura más pronunciada.
¿Por qué es importante la rugosidad de la superficie?
La rugosidad superficial es un factor crítico en los proyectos de mecanizado CNC. Además de afectar la funcionalidad y la estética, influye en los costos, la mano de obra y el tiempo de mecanizado. Algunos efectos de la rugosidad superficial en Piezas mecanizadas CNC incluir lo siguiente:
Contacto
La fricción es esencial para mantener el contacto entre superficies, y aumenta con la rugosidad superficial. Para componentes que requieren contacto fijo, como unidades de ensamblaje y piezas para manipular, se necesita una rugosidad superficial suficiente para mantener el agarre y minimizar el deslizamiento.
Motion
Si bien la fricción es vital para el contacto estático, es perjudicial para las piezas acopladas móviles, vibratorias o que soportan carga, ya que dificulta el movimiento, aumenta el consumo de energía, genera calor y acelera el desgaste. Para minimizar la fricción y mejorar la resistencia al desgaste, es necesario reducir la rugosidad superficial. Por el contrario, la rugosidad crea ranuras que mejoran la retención de lubricante, esencial en los sistemas de movimiento.
Adherencia de recubrimiento
La rugosidad superficial afecta la capacidad de una superficie para soportar un recubrimiento como el anodizado o el recubrimiento en polvo. Las microranuras en superficies relativamente rugosas pueden atrapar las sustancias del recubrimiento, mejorando así su absorción y retención.
Estética
La rugosidad superficial afecta directamente la calidad estética de una pieza. El aspecto brillante, espejado, granulado o mate depende de cómo interactúa la rugosidad superficial con la luz. Por ejemplo, una rugosidad superficial menor produce una mejor reflexión de la luz y un acabado superficial más brillante, ya que hay menos irregularidades que la dispersen.
Costo
Lograr una rugosidad superficial específica afecta el costo de la pieza. Por ejemplo, lograr una rugosidad superficial baja requiere velocidades de mecanizado lentas y múltiples pasadas, entre otras consideraciones. Este movimiento cuidadoso de la herramienta minimiza las irregularidades de la superficie, pero aumenta el tiempo, el esfuerzo y el costo del mecanizado.
Además, la rugosidad superficial afecta la conductividad eléctrica, el sellado, la higiene y las propiedades ópticas. Aunque microscópica, la textura superficial desempeña un papel crucial en diversas aplicaciones. La rugosidad superficial en sí misma no es intrínsecamente buena ni mala; la rugosidad ideal depende de la aplicación específica de la pieza.
Factores básicos para la rugosidad superficial
Longitud de muestreo
La longitud de muestreo L es una longitud de línea de referencia específica que se utiliza para evaluar la rugosidad superficial. Debe seleccionarse en función de las características reales de formación y textura de la superficie de la pieza para reflejar las características específicas de su rugosidad. Al medir la longitud de muestreo, esta debe alinearse con la dirección general del perfil superficial real. El propósito de definir y seleccionar una longitud de muestreo es limitar y reducir la influencia de la ondulación superficial y los errores de forma en los resultados de la medición de rugosidad. Las opciones más comunes para los rugosímetros son 0.25 mm, 0.8 mm y 2.5 mm.
Duración de la evaluación
La longitud de evaluación es la longitud total necesaria para evaluar el perfil y puede constar de una o varias longitudes de muestreo. Dado que la rugosidad superficial en las diferentes partes de un componente puede no ser perfectamente uniforme, una sola longitud de muestreo a menudo no refleja adecuadamente las características de rugosidad de una superficie determinada. Por lo tanto, se deben tomar varias longitudes de muestreo a lo largo de la superficie para su evaluación. La longitud de evaluación generalmente contiene de 1 a 5 longitudes de muestreo (L). Por ejemplo, si la longitud de muestreo se establece en 0.8 mm y la longitud de evaluación se selecciona en 5L, la longitud de evaluación total es 5 * 0.8 = 4 mm.
Linea de referencia
La línea de referencia es la línea media del perfil que se utiliza para evaluar los parámetros de rugosidad superficial. Existen dos tipos de líneas de referencia:
- Línea media de mínimos cuadrados del perfil: Dentro de la longitud de muestreo, es la línea donde se minimiza la suma de los cuadrados de los desplazamientos del perfil respecto de la línea, poseyendo la forma geométrica del perfil.
- Línea media aritmética del perfil: Dentro de la longitud de muestreo, las áreas del perfil por encima y por debajo de esta línea son iguales.
En teoría, la línea media de mínimos cuadrados es la línea de referencia ideal, pero es difícil de obtener en la práctica. Por lo tanto, se suele utilizar la línea media aritmética como alternativa, y durante la medición real se puede utilizar una línea recta en una posición aproximada.
Recorrido de medición (longitud transversal)
La carrera de medición se refiere a la distancia real que recorre el palpador del sensor sobre la pieza de trabajo. Normalmente, se calcula como la longitud de evaluación más dos longitudes de muestreo adicionales. Por ejemplo, si se selecciona una longitud de evaluación de 5L y la longitud de muestreo L es de 0.8 mm, la carrera de medición es 5L + 2L = 7L. Por lo tanto, la carrera de medición es 7*0.8 = 5.6 mm. Comprender esto es fundamental para calcular la distancia real de recorrido sobre la pieza de trabajo, lo que ayuda a determinar la superficie de contacto mínima necesaria para una medición válida.
Grados de rugosidad superficial del mecanizado CNC
La rugosidad superficial mecanizada se mide típicamente mediante la rugosidad media (Ra). Los valores de Ra de las piezas fabricadas generalmente oscilan entre 0.1 µm y 6.3 µm (de lisas a rugosas). Cabe destacar que la rugosidad superficial también puede alcanzar valores fuera de este rango; por ejemplo, las obleas de silicio utilizadas en la fabricación de semiconductores pueden producirse con una rugosidad superficial de Ra de 0.01 µm.
Comparación de grados de rugosidad superficial
La rugosidad superficial no es aleatoria; los fabricantes implementan procesos específicos para lograr valores Ra específicos. Para estandarizar, la mayoría de los fabricantes ofrecen cuatro grados de rugosidad superficial:
- 3.2 µm Ra
- 1.6 µm Ra
- 0.8 µm Ra
- 0.4 µm Ra
Estos grados de rugosidad superficial tienen diferentes texturas, características, ventajas, limitaciones y aplicaciones adecuadas.
Ra 3.2
Ra 3.2 µm es el estándar comercial para piezas mecanizadas CNC. Salvo que el cliente especifique lo contrario, los fabricantes lo utilizan como valor predeterminado. Ra 3.2 µm se caracteriza por líneas de corte claramente visibles, pero la superficie es lo suficientemente lisa para la mayoría de las piezas de consumo. Esta es la rugosidad máxima recomendada para piezas sujetas a tensión, cargas o vibraciones. Como referencia, Ra 3.2 µm no supone ningún coste adicional.
Aplicaciones: Soportes de máquinas estructurales, capós de automóviles, accesorios de herramientas generales y chasis de máquinas.
Ra 1.6
El grado Ra 1.6 µm es adecuado para componentes con ajuste apretado y sometidos a tensión, así como para superficies con movimiento lento, ligeras vibraciones y cargas ligeras. Este grado se caracteriza por marcas de corte tenues y poco visibles. Esto se consigue mediante altas velocidades de mecanizado, avances bajos y cortes superficiales. Este grado incrementa los costes de producción aproximadamente un 2.5 %.
Aplicaciones: Vástagos de pistones hidráulicos, cajas de engranajes de baja velocidad, sujetadores de precisión y carcasas electrónicas.
Ra 0.8
Clasificado como un acabado superficial de alta calidad, el Ra 0.8 µm requiere procesos de acabado para lograrlo. Es ideal para piezas con alta concentración de tensiones y cargas pesadas, así como para componentes vibrantes y móviles. Debido a la necesidad de un control estricto y un mecanizado fino, este grado incrementa el coste de producción de referencia en un 5 %.
Aplicaciones: Engranajes de precisión, componentes de válvulas hidráulicas, carcasas de dispositivos médicos y componentes de joyería.
Ra 0.4
Ra 0.4 µm se considera una textura suave de muy alta calidad y representa el estándar de rugosidad de mecanizado CNC más alto que ofrecen la mayoría de los fabricantes. No presenta marcas de corte visibles y se consigue normalmente mediante un mecanizado fino y estrictamente controlado, seguido de... pulidoEste esfuerzo adicional puede incrementar los costos de producción hasta en un 15 %. Es adecuado para piezas y componentes acoplados con movimiento rápido o vibración, sometidos a alta tensión y estrés.
Aplicaciones: Superficies de apoyo, vástagos de cilindros, componentes ópticos y moldes de inyección de precisión.
¿Cómo medir la rugosidad de la superficie?
La medición de la rugosidad superficial se divide en dos métodos: cualitativo y cuantitativo. La evaluación cualitativa consiste en comparar la superficie ensayada con muestras estándar de rugosidad conocida, mediante inspección visual o microscopio para determinar su grado. La evaluación cuantitativa, por otro lado, utiliza métodos de medición específicos e instrumentos correspondientes para determinar el valor numérico de la rugosidad superficial.
Método de comparación
Este método se utiliza para mediciones en taller in situ y se aplica comúnmente a superficies de rugosidad media o relativamente alta. Determina el valor de la rugosidad superficial comparando la superficie en prueba con una muestra de rugosidad marcada con un valor numérico específico.
Método del lápiz óptico
La rugosidad superficial se mide con un palpador de diamante con un radio de punta de aproximadamente 2 micrómetros, que se desliza lentamente sobre la superficie ensayada. El desplazamiento vertical del palpador se convierte en una señal eléctrica mediante un sensor de longitud eléctrico. Tras la amplificación, el filtrado y el cálculo, el valor de la rugosidad superficial se indica mediante un instrumento de visualización; también se puede utilizar un registrador para representar la curva del perfil de la sección transversal medida.
Generalmente, una herramienta que solo muestra valores de rugosidad superficial se denomina rugosímetro, mientras que una que registra simultáneamente curvas de perfil superficial se denomina perfilómetro. Ambos tipos de herramientas de medición están equipados con circuitos electrónicos o computadoras que calculan automáticamente la desviación media aritmética del perfil (Ra), la altura de diez puntos de las irregularidades microscópicas (Rz), la altura máxima del perfil (Ry) y otros parámetros de evaluación. Este método ofrece una alta eficiencia de medición y es adecuado para medir la rugosidad superficial con valores de Ra de 0.025 a 6.3 micrómetros.
Seccionamiento de luz
En este método, se proyecta sobre la superficie bajo prueba una banda de luz formada al pasar luz a través de una rendija, y la rugosidad superficial se mide utilizando la curva de perfil formada por la línea de intersección entre la banda de luz y la superficie. La luz emitida por una fuente pasa a través de una lente condensadora, una rendija y el objetivo 1, proyectando la rendija sobre la superficie con un ángulo de inclinación de 45° para formar una imagen de perfil transversal. Esta imagen se amplía posteriormente con el objetivo 2 y se proyecta sobre una retícula. El valor "h" se lee primero con un ocular micrométrico y un tambor de lectura, a partir del cual se calcula.
La herramienta que utiliza este método se conoce como microscopio de corte óptico. Es adecuada para medir la rugosidad superficial con valores Rz y Ry entre 0.8 y 100 micrómetros. Sin embargo, requiere la selección manual de puntos y presenta una baja eficiencia de medición.
Interferometria
Este método utiliza el principio de interferencia de ondas de luz (véase planos ópticos y tecnología de medición de longitud láser) para mostrar los errores de forma de la superficie bajo prueba como patrones de franjas de interferencia. Se utiliza un microscopio de gran aumento (hasta 500x) para ampliar las porciones microscópicas de estas franjas de interferencia y así obtener la rugosidad de la superficie.
La herramienta de medición que emplea este método se denomina microscopio de interferencia. Esta técnica es adecuada para medir la rugosidad superficial con valores Rz y Ry de 0.025 a 0.8 micrómetros.
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