rugosidad superficial

La rugosidad superficial , o simplemente rugosidad, es la cualidad de una superficie de no ser lisa y, por lo tanto, está vinculada a la percepción humana ( háptica ) de la textura superficial. Desde una perspectiva matemática, se relaciona con la estructura de variabilidad espacial de las superficies y, por naturaleza, es una propiedad multiescala. Presenta diferentes interpretaciones y definiciones según las disciplinas consideradas.

En metrología de superficies , la rugosidad superficial es un componente del acabado superficial (textura superficial) . Se cuantifica mediante las desviaciones en la dirección del vector normal de una superficie real con respecto a su forma ideal. Si estas desviaciones son grandes, la superficie es rugosa; si son pequeñas, la superficie es lisa. Generalmente, se asume que la rugosidad es 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 asegurar que una superficie sea adecuada para un propósito específico.

La rugosidad desempeña un papel importante a la hora de determinar cómo interactúa un objeto real con su entorno. En tribología , las superficies rugosas suelen desgastarse más rápidamente y presentan coeficientes de fricción más elevados que las superficies lisas. La rugosidad suele ser un buen indicador del rendimiento de un componente mecánico, ya que las irregularidades en la superficie pueden constituir puntos de nucleación para grietas o corrosión. Por otro lado, la rugosidad puede favorecer la adhesión . En general, en lugar de descriptores específicos de escala, los descriptores multiescala, como la fractalidad de la superficie , proporcionan predicciones más significativas de las interacciones mecánicas en las superficies, incluyendo la rigidez de contacto ^{[ 1 ]} y la fricción estática ^{[ 2 ]} .

Si bien un valor de rugosidad elevado suele ser indeseable, su control en la fabricación puede resultar difícil y costoso . Por ejemplo, controlar la rugosidad superficial de las piezas fabricadas mediante modelado por deposición fundida (FDM) es complejo y costoso. ^{[ 3 ]} Disminuir la rugosidad de una superficie generalmente incrementa su costo de fabricación. Esto suele generar una disyuntiva entre el costo de fabricación de un componente y su rendimiento en la aplicación.

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

Sin embargo, a menudo se desea una rugosidad controlada. Por ejemplo, una superficie brillante puede resultar demasiado reluciente a la vista y demasiado resbaladiza al tacto (un panel táctil es un buen ejemplo), por lo que se requiere una rugosidad controlada. En este caso, tanto la amplitud como la frecuencia son muy importantes.

La estructura superficial desempeña un papel fundamental en la mecánica de contacto , ^{[ 1 ]} es decir, en el comportamiento mecánico que se manifiesta en la interfaz entre dos objetos sólidos a medida que se aproximan y pasan de condiciones de no contacto a contacto total. En particular, la rigidez de contacto normal está determinada principalmente por las estructuras de aspereza (rugosidad, pendiente superficial y fractalidad) y las propiedades del material.

En términos de superficies de ingeniería, la rugosidad se considera perjudicial para el rendimiento de las piezas. Por consiguiente, la mayoría de los planos de fabricación establecen un límite superior de rugosidad, pero no un límite inferior. Una excepción se da en los orificios de los cilindros, donde el aceite se retiene en el perfil de la superficie y se requiere una rugosidad mínima. ^{[ 4 ]}

La estructura superficial suele estar estrechamente relacionada con las propiedades de fricción y desgaste de una superficie. ^{[ 2 ]} Una superficie con una dimensión fractal más alta , grande${\displaystyle Ra}$valor, o un positivo${\displaystyle Rsk}$Por lo general, presentarán una fricción algo mayor y se desgastarán rápidamente. Los picos en el perfil de rugosidad no siempre coinciden con los puntos de contacto. También deben considerarse la forma y la ondulación (es decir, tanto la amplitud como la frecuencia).

Un valor de rugosidad se puede calcular sobre un perfil (línea) o sobre una superficie (área). El parámetro de rugosidad del perfil (${\displaystyle Ra}$,${\displaystyle Rq}$, ...) son más comunes. Los parámetros de rugosidad del área (${\displaystyle Sa}$,${\displaystyle Sq}$, ...) dan valores más significativos.

Parámetros de rugosidad del perfil

Los parámetros de rugosidad del perfil ^{[ 5 ]} están incluidos en la norma británica BS EN ISO 4287:2000, idéntica a la norma ISO 4287:1997. ^{[ 6 ]} La norma se basa en el sistema ″M″ (línea media). Existen muchos parámetros de rugosidad diferentes en uso, pero${\displaystyle Ra}$es, con mucho, la más común, aunque esto suele deberse a razones históricas y no a méritos particulares, ya que los primeros medidores de rugosidad solo podían medir${\displaystyle Ra}$Otros parámetros comunes incluyen:${\displaystyle Rz}$,${\displaystyle Rq}$, y${\displaystyle Rsk}$Algunos parámetros se utilizan solo en ciertas industrias o dentro de ciertos países. Por ejemplo, el${\displaystyle Rk}$La familia de parámetros se utiliza principalmente para revestimientos de cilindros, y los parámetros Motif se utilizan principalmente en la industria automotriz francesa. ^{[ 7 ]} 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 conservan los "significativos". Tenga en cuenta que${\displaystyle Ra}$es una unidad dimensional que puede ser micrómetro o micropulgada .

Dado que estos parámetros reducen toda la información de un perfil a un solo número, es fundamental tener mucho cuidado al aplicarlos e interpretarlos. Pequeños cambios en el filtrado de los datos brutos del perfil, el cálculo de la línea media y la física de la medición pueden afectar significativamente el parámetro calculado. Con equipos digitales modernos, es posible evaluar el escaneo para asegurar que no existan fallos evidentes que distorsionen los valores.

Dado que para muchos usuarios puede no ser obvio lo que significa cada una de las mediciones, una herramienta de simulación permite al usuario ajustar parámetros clave, visualizando cómo las superficies que son obviamente diferentes a simple vista se diferencian mediante las mediciones. Por ejemplo,${\displaystyle Ra}$No logra distinguir entre dos superficies donde una está compuesta por picos en una superficie que, por lo demás, es lisa, y la otra está compuesta por valles de la misma amplitud. Dichas herramientas se pueden encontrar en formato de aplicación. ^{[ 8 ]}

Por convención, cada parámetro de rugosidad 2D es una mayúscula.${\displaystyle R}$seguido de caracteres adicionales en el subíndice. El subíndice identifica la fórmula que se utilizó y la${\displaystyle R}$significa que la fórmula se aplicó a un perfil de rugosidad 2D. Las diferentes letras mayúsculas implican que la fórmula se aplicó a un perfil diferente. Por ejemplo,${\displaystyle Ra}$es el promedio aritmético del perfil de rugosidad,${\displaystyle Pa}$es el promedio aritmético del perfil bruto sin filtrar, y${\displaystyle Sa}$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 a partir de los datos brutos del perfil y se ha calculado la línea media. El perfil de rugosidad contiene${\displaystyle n}$puntos ordenados y equidistantes a lo largo del trazado, y${\displaystyle y_{i}}$es la distancia vertical desde la línea media hasta la${\displaystyle i^{\text{th}}}$Punto de datos. Se supone que la altura es positiva en la dirección ascendente, alejándose del material a granel.

Parámetros de amplitud

Los parámetros de amplitud caracterizan la superficie en función de las desviaciones verticales del perfil de rugosidad con respecto a 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,${\displaystyle Ra}$es el valor promedio aritmético del perfil de rugosidad filtrado determinado a partir de las desviaciones alrededor de la línea central dentro de la longitud de evaluación y${\displaystyle Rt}$ is the range of the collected roughness data points.

The arithmetic average roughness, ${\displaystyle Ra}$, is the most widely used one-dimensional roughness parameter.

Here is a common conversion table with roughness grade numbers:

Slope, spacing and counting parameters

Slope parameters describe characteristics of the slope of the roughness profile. Spacing and counting parameters describe how often the profile crosses certain thresholds. These parameters are often used to describe repetitive roughness profiles, such as those produced by turning on a lathe.

Otros parámetros de "frecuencia" son S _m ,${\displaystyle \lambda }$_un y${\displaystyle \lambda }$_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 ascender a un nuevo pico. La longitud de onda media${\displaystyle \lambda }$_a y la longitud de onda cuadrática media${\displaystyle \lambda }$_q se derivan de${\displaystyle \Delta }$_a . Al tratar de comprender una superficie que depende tanto de la amplitud como de la frecuencia, no es obvio qué par de métricas describe de forma óptima el equilibrio, por lo que se puede realizar un análisis estadístico de pares de mediciones (por ejemplo: R _z y${\displaystyle \lambda }$_a o R _a y Sm) para encontrar la correlación más fuerte.

Parámetros de la curva de relación de soporte

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

Teoría fractal

El matemático Benoît Mandelbrot señaló la conexión entre la rugosidad superficial y la dimensión fractal . ^{[ 11 ]} La descripción proporcionada por un fractal a nivel de microrrugosidad puede permitir el control de 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 marcas de avance de la herramienta; ignoran la geometría del filo de corte. (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, conectar el comportamiento físico, eléctrico y mecánico con los descriptores de superficie convencionales de rugosidad o pendiente ha sido un desafío. Al emplear medidas de fractalidad superficial junto con medidas de rugosidad o forma de la superficie, ciertos fenómenos interfaciales, incluyendo la mecánica de contacto, la fricción y la resistencia de contacto eléctrico , pueden interpretarse mejor con respecto a la estructura de la superficie. ^{[ 12 ]}

• Discontinuidad (Ingeniería geotécnica)
• Rugosidad
• rigidez de contacto normal
• Acabado superficial
• Metrología de superficies
• Medición de la rugosidad superficial ISO 25178
• Ondulación
• Aspereza (ciencia de los materiales)
• Rugosidad de la superficie del suelo

• Guía de metrología de superficies
• Terminología de rugosidad. Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine.
• Descripción de Ra y Rz
• Revisión y ecuaciones de la rugosidad superficial (acabado)
• SPE (Explorador de Perfil de Superficie)
• Calculadora en línea para convertir los parámetros de rugosidad Ra y Rz.
• Enache, Ştefănuţă, La qualité dessurfaces usinées (Trad.: Calidad de las superficies mecanizadas). Dunod, París, 1972, 343 págs.
• Husu, AP, Vitenberg, Iu., R., Palmov, VA, Sherohovatost poverhnostei (Teoretiko-veroiatnostnii podhod) (Traducción: rugosidad de la superficie (enfoque teórico-probabilístico)), Izdatelstvo "Nauka", Moskva, 1975, 342 págs.
• Davim, J. Paulo, Integridad superficial en el mecanizado, Springer-Verlag London Limited 2010, ISBN 978-1-84882-873-5
• Whitehouse, D. Manual de metrología de superficies, Institute of Physics Publishing para Rank Taylor-Hobson Co., Bristol 1996.