La rugosidad de la superficie es un parámetro de material especial. Este nombre a menudo se reduce a rugosidad y es un componente de la textura de la superficie. Está determinada cuantitativamente por las desviaciones de la dirección del vector de 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 generalmente se considera como el componente de alta frecuencia y longitud de onda corta de la superficie que se mide. 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 particular. La rugosidad de la superficie es un parámetro de diseño muy importante.
Función y significado
La rugosidad juega un papel importante en la determinación de cómo un objeto real interactuará con su entorno. en tribologíaLas superficies ásperas generalmente se desgastan más rápido y tienen coeficientes de fricción más altos que las superficies lisas. La rugosidad suele ser un buen predictor del rendimiento de un componente mecánico, ya que las irregularidades de la superficie pueden formar sitios de nucleación para grietas o corrosión. Por otro lado, la rugosidad puede promover la adhesión. En términos generales, en lugar de descriptores de escala, los descriptores de escala cruzada, como la fractalidad de la superficie, brindan predicciones más significativas de las interacciones mecánicas en las superficies, incluida la rigidez de contacto y la fricción estática. La rugosidad de la superficie es un parámetro bastante complejo, cuyos detalles se pueden encontrar a continuación.
Valores altos y bajos
Aunque un alto valor de rugosidad a menudo no es deseable, puede ser difícil y costoso controlarlo durante la fabricación. Por ejemplo, es difícil y costoso controlar la rugosidad de la superficie de las piezas FDM. La reducción de estas tasas generalmente aumenta el costo de fabricación. Esto a menudo resulta en una compensación entre el costo de producir un componente y su eficiencia en la aplicación.
Métodos de medición
El índice se puede medir por comparación manual con un "comparador de rugosidad" (una muestra de rugosidad superficial conocida), pero, de manera más general, la medición del perfil de una superficie se realiza con perfilómetros. Pueden ser del tipo de contacto (normalmente una aguja de diamante) u ópticos (por ejemplo,interferómetro de luz blanca o microscopio confocal de barrido láser).
Sin embargo, la aspereza controlada a menudo puede ser deseable. Por ejemplo, una superficie brillante puede ser demasiado brillante para los ojos y demasiado resbaladiza para el dedo (un buen ejemplo es el panel táctil), por lo que se requiere un rendimiento controlado. La rugosidad de la superficie es donde la amplitud y la frecuencia son muy importantes.
Su valor se puede calcular a partir del perfil (línea) o de la superficie (área). El parámetro de rugosidad del perfil (Ra, Rq, …) es más común. Los parámetros de rugosidad del área (Sa, Sq, …) brindan definiciones más significativas.
Parámetros
Cada uno de los parámetros de rugosidad se calcula mediante la fórmula de descripción de la superficie. Las referencias estándar que describen detalladamente cada uno de ellos son las superficies y sus medidas. La rugosidad de la superficie es una característica.
Los parámetros de rugosidad del perfil están incluidos en la norma británica (y mundial) BS EN ISO 4287: 2000, que es idéntica a la norma ISO 4287: 1997. La norma se basa en el sistema ″M″ (línea media).
Hay muchos parámetros de rugosidad diferentes, pero los anteriores son los más comunes, aunque la estandarización a menudo ocurre por razones históricas más que por méritos. La rugosidad de la superficie es un conjunto de irregularidades.
Algunos parámetros solo se usan en ciertas industrias o en ciertos países. Por ejemplo, los parámetros MOTIF se utilizan principalmente en la industria automotriz francesa. Método MOTIVOproporciona una evaluación gráfica del perfil de la superficie sin filtrar la ondulación de la rugosidad. MOTIF consiste en la porción del perfil entre dos picos, y las combinaciones finales eliminan los picos "menores" y retienen los "significativos". La rugosidad de la superficie en un dibujo es la presencia de protuberancias impresas y cuidadosamente medidas en él.
Debido a que estos parámetros reducen toda la información del perfil a un solo número, se debe tener cuidado al aplicarlos e interpretarlos. Pequeños cambios en cómo se filtran los datos de perfil sin procesar, cómo se calcula la línea media y la física de la medición pueden afectar en gran medida el parámetro calculado. En los equipos digitales modernos, los escaneos se pueden evaluar para garantizar que no haya fallas obvias que distorsionen los valores.
Características de parámetros y medidas
Debido a que puede no ser obvio para muchos usuarios lo que realmente significa cada medida, la herramienta de modelado permite al usuario ajustar parámetros clave, renderizando superficies que son claramente diferentes del ojo humano, difieren en las medidas. Por ejemplo, algunos parámetros no pueden distinguir entre dos superficies, donde una consiste en picos y la otra consiste en valles con la misma amplitud.
Por convención, cada parámetro de rugosidad 2D es una R mayúscula seguida de caracteres adicionales en un subíndice. El subíndice especifica la fórmula que se utilizó, yR significa que la fórmula se ha aplicado a un perfil de rugosidad 2D.
Diferentes mayúsculas significa que la fórmula se aplicó a un perfil diferente. Por ejemplo, Ra es la media aritmética del perfil de rugosidad, Pa es la media aritmética del perfil bruto sin filtrar y Sa es la media aritmética de la rugosidad 3D.
Ajustes de amplitud
Los parámetros de amplitud caracterizan la superficie en función de las desviaciones verticales del perfil de rugosidad desde la línea media. Por ejemplo, la media aritmética del perfil de rugosidad filtrado, determinado a partir de las desviaciones de la línea central dentro de la longitud de evaluación, se puede relacionar con el rango de puntos recopilados para esa rugosidad. Este valor se utiliza a menudo como referencia a la rugosidad de la superficie.
La rugosidad media aritmética es el parámetro unidimensional más utilizado.
Investigación y observación
El matemático Benoit Mandelbrot señaló la relación entre la rugosidad de la superficie y la dimensión fractal. La descripción representada por un fractal a nivel de microrrugosidad puede permitir controlar las propiedades del material y el tipo de formación de virutas. 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, ignoran la geometría del filo.
Un poco más sobre medidas
Los parámetros de rugosidad superficial se definen en la serie ISO 25178.valores: Sa, Sq, Sz… Muchos instrumentos de medida ópticos son capaces de medir la rugosidad superficial por áreas. Las mediciones de área también son posibles con sistemas de contacto. Se toman múltiples escaneos 2D muy próximos entre sí del área de destino. Luego se unen digitalmente usando el software apropiado, lo que da como resultado una imagen 3D y los parámetros de rugosidad correspondientes.
Superficie del suelo
La rugosidad de la superficie del suelo (SSR) se refiere a los cambios verticales presentes en la micro y macrotopografía de la superficie del suelo, así como su distribución estocástica. Hay cuatro clases diferentes de SSR, cada una de las cuales representa una escala de longitud vertical característica:
- primera clase incluye cambios en el microrrelieve de granos de suelo individuales a agregados del orden de 0,053–2,0 mm;
- segunda clase consiste en variaciones de terrones de suelo de 2 a 100 mm;
- la tercera clase de rugosidad de la superficie del suelo son los cambios de elevación sistemáticos debidos a la labranza, llamada rugosidad orientada (OS), que varía de 100 a 300 mm;
- cuarta clase incluye curvatura plana o características topográficas a macroescala.
Las dos primeras clases explican la llamada microrrugosidad, que se ha demostrado que influye en gran medida en el evento y la escala estacional dependiendo de la lluvia y la labranza, respectivamente. La microrrugosidad se determina con mayor frecuenciacuantificada por la rugosidad aleatoria, que es esencialmente la desviación estándar de los datos de elevación de la superficie de la capa alrededor de la altura media después de la corrección de la pendiente, utilizando un plano de mejor ajuste y eliminando los efectos de labranza en las lecturas de altura individuales. La exposición a las precipitaciones puede provocar el deterioro o el aumento de la microrrugosidad, según las condiciones iniciales y las propiedades del suelo.
En superficies de suelo rugoso, la acción de ruptura del rocío de lluvia tiende a suavizar los bordes de la rugosidad de la superficie del suelo, lo que resulta en una reducción general de RR. Sin embargo, un estudio reciente que examinó la respuesta de las superficies de suelos lisos a la lluvia mostró que la RR puede aumentar significativamente en escalas de microrrugosidad iniciales pequeñas del orden de 0-5 mm. También se ha demostrado que el aumento o la disminución es constante en diferentes puntuaciones SSR.
Mecánica
La estructura de la superficie desempeña un papel clave en el control de la mecánica de contacto, es decir, el comportamiento mecánico que se produce en la interfaz entre dos objetos sólidos a medida que se acercan y pasan de no estar en contacto a estar en contacto total. En particular, la rigidez de contacto normal está determinada predominantemente por las estructuras de rugosidad (pendiente superficial y fractalidad) y las propiedades del material.
Desde la perspectiva de la superficie de ingeniería, la rugosidad se considera perjudicial para el rendimiento de la pieza. Como consecuencia, la mayoría de las impresiones de producción establecen un límite superioraspereza, pero no fondo. La excepción son los orificios de los cilindros en los que el aceite se retiene en el perfil de la superficie y se requiere una rugosidad superficial mínima (Rz).
Estructura y fractalidad
La estructura de una superficie suele estar estrechamente relacionada con sus propiedades de fricción y resistencia al desgaste. Una superficie con una dimensión fractal más alta, un valor grande o un valor positivo generalmente tendrá una fricción ligeramente mayor y se desgastará rápidamente. Los picos en el perfil de rugosidad no siempre son puntos de contacto. También se debe considerar la forma y la ondulación (es decir, tanto la amplitud como la frecuencia), especialmente cuando se procesa la rugosidad de la superficie.
