A rugosidade superficial, ou simplesmente rugosidade, refere-se à característica de irregularidade da superfície. Na indústria de usinagem, esse conhecimento é considerado essencial, mas muitas vezes é um dos aspectos mais negligenciados. Para nós, que trabalhamos com usinagem e tendemos a nos concentrar mais em parâmetros, perfis de dentes e estruturas, frequentemente damos pouca atenção a esse aspecto. Pergunte-se: qual a aparência de uma superfície torneada com rugosidade Ra 1.6? Você consegue visualizar essa superfície concretamente?
O que é rugosidade superficial?
A rugosidade superficial é a característica da irregularidade de uma superfície. Ela é quantificada pelo desvio da direção do vetor normal de uma superfície real em relação à sua forma ideal. Se o desvio for grande, a superfície é rugosa; se for pequeno, a superfície é lisa. A rugosidade é geralmente considerada a componente de alta frequência e comprimento de onda curto de uma superfície medida. No entanto, na prática, muitas vezes é necessário compreender tanto a amplitude quanto a frequência para garantir que uma superfície seja adequada para um propósito específico. A rugosidade superficial é um indicador da textura da superfície de uma peça após o processamento, representando a média dos desvios e irregularidades microscópicas na superfície da peça usinada.
Indicadores de rugosidade superficial
A rugosidade da superfície desempenha um papel vital na forma como um objeto físico interage com o seu ambiente. Embora valores elevados de rugosidade sejam geralmente indesejáveis, o controle da rugosidade durante a fabricação pode ser difícil e dispendioso. Projetistas e engenheiros de processo frequentemente precisam encontrar um equilíbrio entre o custo de fabricação de uma peça e o seu desempenho na aplicação.
Os indicadores mais comuns de rugosidade superficial são os seguintes:
Ra
Ra é a média aritmética dos desvios da altura da superfície em relação à linha média, medidos ao longo de uma distância específica. A linha média é o "ponto médio" entre os picos e vales do perfil. Ra é a altura média de todos os picos acima dessa linha.
Rz
Rz é a altura máxima média das irregularidades da superfície. É a média das distâncias verticais entre o pico mais alto e o vale mais baixo ao longo de um determinado comprimento.
Rp
Rp é a altura do pico mais alto em relação à linha média dentro de um comprimento de amostragem especificado.
Rv
Rv é a profundidade do vale mais profundo a partir da linha média dentro de um comprimento de amostragem especificado.
Deitar
A direção principal da textura da superfície é chamada de "lay", indicando a direção em que se encontram a maioria das irregularidades da superfície.
O diagrama a seguir ilustra esses indicadores ao longo de uma amostra da superfície de uma peça.
Ra é o indicador mais utilizado para definir a rugosidade superficial em usinagem CNC, medido em µm (micrômetros). Quanto menor o valor de Ra, menor a variação nas irregularidades da superfície, resultando em uma superfície mais lisa. À medida que o valor de Ra aumenta, a superfície torna-se mais rugosa, com textura mais pronunciada.
Por que a rugosidade da superfície é importante?
A rugosidade da superfície é um fator crítico em projetos de usinagem CNC. Além de afetar a funcionalidade e a estética, ela influencia os custos de usinagem, a mão de obra e o tempo. Alguns efeitos da rugosidade da superfície em Peças usinadas CNC incluem:
Contato
O atrito é essencial para manter o contato entre superfícies e aumenta com a rugosidade da superfície. Para componentes que requerem contato sem movimento, como unidades de montagem e peças a serem manuseadas, é necessária uma rugosidade superficial suficiente para manter a aderência e minimizar o deslizamento.
Movimento
Embora o atrito seja vital para o contato estático, ele é prejudicial para peças móveis, vibratórias ou que suportam carga, pois dificulta o movimento, aumenta o consumo de energia, gera calor e acelera o desgaste. Para minimizar o atrito e melhorar a resistência ao desgaste, a rugosidade da superfície deve ser reduzida. Por outro lado, a rugosidade cria sulcos que melhoram a retenção do lubrificante, o que é essencial em sistemas de movimento.
Adesão ao revestimento
A rugosidade da superfície afeta a capacidade da superfície de suportar um revestimento como a anodização ou a pintura a pó. Micro-ranhuras em superfícies relativamente rugosas podem reter substâncias de revestimento, melhorando assim os efeitos de absorção e retenção do revestimento.
estética
A rugosidade da superfície impacta diretamente a qualidade estética de uma peça. Aparências brilhantes, espelhadas, granuladas ou foscas dependem de como a rugosidade da superfície interage com a luz. Por exemplo, uma menor rugosidade superficial resulta em melhor reflexão da luz e um acabamento mais brilhante, pois há menos irregularidades para dispersar a luz.
Custo
A obtenção de uma rugosidade superficial específica impacta o custo da peça. Por exemplo, alcançar baixa rugosidade superficial exige velocidades de usinagem lentas e múltiplas passagens, entre outras considerações. Esse movimento cuidadoso da ferramenta minimiza as irregularidades da superfície, mas aumenta o tempo, o esforço e o custo da usinagem.
Além disso, a rugosidade da superfície afeta a condutividade elétrica, a vedação, a higiene e as propriedades ópticas. Embora microscópica, a textura da superfície desempenha um papel crucial em diversas aplicações. A rugosidade da superfície em si não é inerentemente boa nem ruim; a rugosidade ideal depende da aplicação específica da peça.
Fatores básicos para rugosidade superficial
Comprimento da amostragem
O comprimento de amostragem L é um comprimento de linha de referência especificado, utilizado na avaliação da rugosidade superficial. Ele deve ser selecionado com base nas características reais de formação e textura da superfície da peça, de forma a refletir as particularidades da sua rugosidade. Ao medir o comprimento de amostragem, este deve estar alinhado com a direção geral do perfil da superfície. O objetivo de definir e selecionar um comprimento de amostragem é limitar e reduzir a influência da ondulação da superfície e dos erros de forma nos resultados da medição da rugosidade. As opções mais comuns para medidores de rugosidade são geralmente 0.25 mm, 0.8 mm e 2.5 mm.
Duração da avaliação
O comprimento de avaliação é o comprimento total necessário para avaliar o perfil e pode consistir em um ou vários comprimentos de amostragem. Como a rugosidade da superfície em diferentes partes de um componente pode não ser perfeitamente uniforme, um único comprimento de amostragem geralmente não reflete adequadamente as características de rugosidade de uma determinada superfície. Portanto, vários comprimentos de amostragem devem ser coletados ao longo da superfície para avaliação. O comprimento de avaliação geralmente contém de 1 a 5 comprimentos de amostragem (L). Por exemplo, se o comprimento de amostragem for definido como 0.8 mm e o comprimento de avaliação for selecionado como 5L, o comprimento total de avaliação será 5 * 0.8 = 4 mm.
Linha de referência
A linha de referência é a linha média do perfil usada para avaliar os parâmetros de rugosidade da superfície. Existem dois tipos de linhas de referência:
- Linha média dos mínimos quadrados do perfil: Dentro do comprimento de amostragem, é a linha onde a soma dos quadrados dos deslocamentos do perfil em relação à linha é minimizada, possuindo a forma geométrica do perfil.
- Linha média aritmética do perfil: Dentro do comprimento da amostragem, as áreas do perfil acima e abaixo dessa linha são iguais.
Teoricamente, a linha média dos mínimos quadrados é a linha de referência ideal, mas é difícil obtê-la em aplicações práticas. Portanto, a linha média aritmética é normalmente usada como substituta, e uma linha reta em uma posição aproximada pode ser usada durante a medição real.
Curso de medição (comprimento de percurso)
O curso de medição refere-se à distância real que a ponta de contato do sensor percorre sobre a peça de trabalho. O curso de medição é normalmente calculado como o comprimento de avaliação mais dois comprimentos de amostragem adicionais. Por exemplo, se o comprimento de avaliação for selecionado como 5L e o comprimento de amostragem L for 0.8 mm, o curso de medição será 5L + 2L = 7L. Assim, o curso de medição é 7 * 0.8 = 5.6 mm. Compreender isso é fundamental para calcular a distância real percorrida na peça de trabalho, o que ajuda a determinar o tamanho mínimo da superfície de contato necessária para uma medição válida.
Níveis de rugosidade superficial em usinagem CNC
A rugosidade da superfície usinada é normalmente medida pela rugosidade média (Ra). Os valores de Ra das peças fabricadas geralmente variam de 0.1 µm a 6.3 µm (de lisa a rugosa). Vale ressaltar que a rugosidade da superfície também pode atingir valores fora dessa faixa; por exemplo, wafers de silício usados na fabricação de semicondutores podem ser produzidos com uma rugosidade superficial de Ra 0.01 µm.
Comparação de graus de rugosidade superficial
A rugosidade da superfície não é aleatória; os fabricantes adotam medidas específicas de processo para atingir determinados valores de Ra. Para fins de padronização, a maioria dos fabricantes oferece quatro níveis de rugosidade superficial:
- 3.2 µm Ra
- 1.6 µm Ra
- 0.8 µm Ra
- 0.4 µm Ra
Esses graus de rugosidade superficial apresentam diferentes texturas, características, vantagens, limitações e aplicações adequadas.
Ra 3.2
A rugosidade Ra de 3.2 µm é o padrão comercial para peças usinadas por CNC. A menos que o cliente especifique o contrário, os fabricantes a utilizam como padrão. A rugosidade Ra de 3.2 µm caracteriza-se por linhas de corte da máquina claramente visíveis, mas a superfície é suficientemente lisa para a maioria das peças de consumo. Esta é a rugosidade máxima recomendada para peças sujeitas a tensões, cargas ou vibrações. Como referência, a rugosidade Ra de 3.2 µm não acarreta custos adicionais.
Aplicações: Suportes estruturais para máquinas, capôs automotivos, dispositivos de fixação para ferramentas em geral e chassis de máquinas.
Ra 1.6
A rugosidade Ra 1.6 µm é adequada para componentes com encaixe preciso e sujeitos a tensões, bem como para superfícies com movimento lento, vibração leve e cargas leves. Essa rugosidade é caracterizada por marcas de corte tênues e pouco visíveis. É obtida por meio de altas velocidades de usinagem, avanços baixos e cortes rasos. Essa rugosidade aumenta os custos de produção em aproximadamente 2.5%.
Aplicações: Hastes de pistão hidráulicas, caixas de engrenagens de baixa velocidade, fixadores de precisão e invólucros eletrônicos.
Ra 0.8
Classificado como um acabamento superficial de alta qualidade, o Ra 0.8 µm requer processos de acabamento para ser alcançado. É ideal para peças com alta concentração de tensões e cargas pesadas, bem como para componentes vibratórios e móveis. Devido à necessidade de controle rigoroso e usinagem de precisão, essa classificação aumenta o custo de produção de referência em 5%.
Aplicações: Engrenagens de precisão, componentes de válvulas hidráulicas, invólucros de dispositivos médicos e componentes de joalheria.
Ra 0.4
A rugosidade Ra de 0.4 µm é considerada uma textura lisa de altíssima qualidade e representa o padrão mais elevado de rugosidade para usinagem CNC oferecido pela maioria dos fabricantes. Não apresenta marcas de corte visíveis e é normalmente obtida por meio de usinagem fina e rigorosamente controlada, seguida de... polimentoEsse esforço adicional pode aumentar os custos de produção em até 15%. É adequado para peças e componentes de acoplamento que se movem rapidamente ou vibram, sob alta tensão e estresse.
Aplicações: Superfícies de apoio, hastes cilíndricas, componentes ópticos e moldes de injeção de precisão.
Como medir a rugosidade da superfície?
A medição da rugosidade superficial divide-se em dois métodos: qualitativo e quantitativo. A avaliação qualitativa envolve a comparação da superfície em teste com amostras padrão de rugosidades conhecidas, utilizando inspeção visual ou auxílio microscópico para determinar o grau de rugosidade. A avaliação quantitativa, por sua vez, utiliza métodos de medição específicos e instrumentos correspondentes para determinar o valor numérico da rugosidade superficial.
Método de comparação
Este método é utilizado para medições em oficinas no local e é comumente aplicado a superfícies de rugosidade média ou relativamente alta. Ele determina o valor da rugosidade da superfície comparando a superfície em teste com um padrão de rugosidade marcado com um valor numérico específico.
Método da caneta
A rugosidade da superfície é medida utilizando uma ponta de diamante com raio de aproximadamente 2 micrômetros, que desliza lentamente sobre a superfície em teste. O deslocamento vertical da ponta de diamante é convertido em um sinal elétrico por um sensor de comprimento elétrico. Após amplificação, filtragem e cálculo, o valor da rugosidade da superfície é indicado por um instrumento de exibição; um registrador também pode ser usado para mapear a curva de perfil da seção transversal medida.
Geralmente, um instrumento que apenas exibe os valores de rugosidade superficial é chamado de medidor de rugosidade superficial, enquanto um que pode registrar simultaneamente curvas de perfil da superfície é denominado perfilômetro de rugosidade superficial. Ambos os tipos de instrumentos de medição são equipados com circuitos eletrônicos ou computadores que podem calcular automaticamente o desvio médio aritmético do perfil (Ra), a altura de dez pontos das irregularidades microscópicas (Rz), a altura máxima do perfil (Ry) e vários outros parâmetros de avaliação. Este método oferece alta eficiência de medição e é adequado para medir a rugosidade superficial com valores de Ra variando de 0.025 a 6.3 micrômetros.
Seccionamento de luz
Neste método, uma faixa de luz formada pela passagem da luz através de uma fenda é projetada sobre a superfície em teste, e a rugosidade da superfície é medida utilizando a curva de perfil formada pela linha de interseção entre a faixa de luz e a superfície. A luz emitida por uma fonte passa por uma lente condensadora, uma fenda e a lente objetiva 1, projetando a fenda sobre a superfície em um ângulo de inclinação de 45° para formar uma imagem de perfil transversal. Esta imagem é então ampliada pela lente objetiva 2 e projetada em uma retícula. O valor “h” é lido inicialmente utilizando uma ocular micrométrica e um tambor de leitura, a partir do qual o valor “H” é calculado.
O instrumento que utiliza esse método é conhecido como microscópio de secção óptica. Ele é adequado para medir a rugosidade superficial com valores de Rz e Ry entre 0.8 e 100 micrômetros. No entanto, requer seleção manual de pontos e apresenta baixa eficiência de medição.
Interferometria
Este método utiliza o princípio da interferência de ondas de luz (ver superfícies ópticas e tecnologia de medição de comprimento a laser) para exibir os erros de forma da superfície em teste como padrões de franjas de interferência. Um microscópio de alta magnificação (até 500x) é usado para ampliar as porções microscópicas dessas franjas de interferência para medição, a fim de obter a rugosidade da superfície.
O instrumento de medição que emprega esse método é chamado de microscópio de interferência. Essa técnica é adequada para medir a rugosidade superficial com valores de Rz e Ry variando de 0.025 a 0.8 micrômetros.
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