3.1 Analasisis De La Superficie A Maquinar

3.1 ANÁLISIS DE LAS SUPERFICIES A MAQUINAR PIEZAS INTEGRANTES Manufactura Avanzada Catedratico: IMA. Carlos Eduardo De La O Bolaños

RAYMUNDO EDGARIEL AGUILAR GÓMEZ ANGEL VICENTE MUÑOZ ORDOÑEZ CRISTHIAN VIDAL ESTRADA

¿QUÉ ES EL ANÁLISIS DE SUPERFICIES? El análisis de la superficie, o la metrología en superficies, es un vasto campo que abarca el análisis de texturas y la medición de características tales como la ondulación, la rugosidad, y la redondez de los materiales y objetos. El objetivo de estos estudios es entender el origen y la historia de un objeto (por ejemplo, procesos de fabricación y el desgaste) que han influido en su textura y cómo esto afectará a sus interacciones con otros componentes y materiales. Las mediciones precisas y reproducibles de diferenciaciones y correlaciones en la textura son vitales ya que dan lugar a las propiedades fundamentales como la adherencia, abrasión, fricción y estética superficial.

La optimización de carácter superficial puede mejorar el rendimiento de producto en prácticamente todas las industrias, pero el comportamiento deseado puede variar considerablemente con el uso. En muchas industrias, por ejemplo, un alto grado de aspereza es indeseable por fricción, desgaste y fatiga, que en última instancia puede conducir a la ruptura prematura de los componentes. En otras industrias, una cierta cantidad de rugosidad puede ser beneficiosa ya que permite que las superficies atrapen lubricantes más fácilmente. La metrología superficial se utiliza también para apoyar la investigación en una variedad de campos de análisis de minerales en la geología, para el desarrollo de dispositivos médicos nuevos, donde la última generación de implantes está utilizando nuevos acabados para reducir la adherencia de las bacterias y el desarrollo de biofilms perjudiciales.

Con el fin de evaluar las variaciones en la textura de la superficie, los metrólogos se basan en una variedad de técnicas de microscopía de campo claro análisis sencillo a diferencia de microscopía de contraste de interferencia (DIC), interferometría y análisis de la polarización. Dependiendo de la aplicación prevista del material u objeto, la escala de interés puede variar de la micra hasta el nanómetro, pero en todos los casos la calidad de los objetivos es de suma importancia. El análisis preciso de la textura puede revelar las características topográficas cruciales que determinan las capacidades funcionales, limitaciones y el desempeño general de los productos y dispositivos.

El uso de estas técnicas de análisis superficiales, nos permite entre otros: • Evaluar y optimizar de los procesos para la preparación de superficies. • Evaluar los sistemas de protección frente a la corrosión. • Investigar y conocer los procesos de adhesión y ruptura de los adhesivos sobre diversos sustratos. • Análisis de fallos en uniones adhesivas • Caracterización y determinación de los fenómenos de envejecimiento y degradación.

Entre las técnicas de análisis de superficies podemos citar: • XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy - Espectroscopia de fotoelectrones emitidos mediante rayos X • AES – Auger Electron Spectroscopy – Espectroscopia mediante electrones Auger • EDX Energy Dispersive X-ray – Análisis de la energía dispersiva mediante Rayos X

• SIMS – Espectroscopia de masa por ion secundario • SPM – Scanning Probe Microscopy – Microscopio de sonda por barrido

ESTUDIO DE LA INFORMACIÓN GEOMÉTRICA DEL PLANO Antes de realizar operación alguna, se debe determinar la fabricabilidad de la pieza, ya que en el contrato el fabricante se compromete a asegurar el cumplimiento de las especificaciones del plano. • En primer lugar se deben contrastar la validez de los procesos disponibles estudiando las cotas críticas y decidiendo los puntos de amarre para conseguirlas. • Se han de tener en cuenta si se tienen que realizar operaciones intermedias como tratamientos térmicos, si se han de diseñar amarres especiales, etc. • Por último y como cosa importante se han de prever los instrumentos de control necesarios para el control de calidad antes de dar salida al producto. • Para realizar bien este estudio previo a la fabricación se va describir una metodología que conviene utilizar sobretodo para los planificadores noveles.

Los pasos a seguir son: • Numeración de las superficies a mecanizar • Análisis de las especificaciones de las superficies • Análisis de la preforma necesaria. • Análisis del resto de las especificaciones.

NUMERACIÓN DE SUPERFICIES • En el plano se numeran todas las superficies que tienen especificaciones propias. Es decir, las que tienen algo característico que la distingue de las demás. En esta etapa más vale pasarse de más que de menos.

ANÁLISIS DE LAS ESPECIFICACIONES DE LAS SUPERFICIES Las superficies vendrán caracterizadas por distintos parámetros que señalan características de:

• Acabado superficial. Habitualmente se señalan sus características de Rugosidad media Ra y textura. • Tolerancias dimensionales. Valores máximos y mínimos señaladas habitualmente en las cotas. Estas tolerancias pueden estar indefinidas por que esa superficie no es funcional, pueden ser unilímites, o pueden estar perfectamente definidas señalando su máximo y su mínimo. Estas cotas dimensionales también se pueden clasificar en: • Intrínsecas a las superficies • Tolerancias geométricas. Son tolerancias de forma y posición las cuales condicionan la máquina utilizada, el amarre, la secuencia de operaciones, las condiciones de corte, etc. • Para esto debemos recordar como se mide la rugosidad.

ANÁLISIS DE LA PREFORMA Para elegir la preforma a partir de la cual se va a fabricar la pieza, se debe elegir: • Tipo de material: Del cual se deben tener datos sobre su maquinabilidad, sus tratamientos térmicos si los necesitara, así como la capacidad de soportar aprietos por parte de lo s amarres. • Forma y dimensiones: Se han de tener en cuenta su deformabilidad, mediante el Módulo de Young E, la dificultad del amarre, el acceso de las herramientas a todas las superficie s a mecanizar, así como el comportamiento vibracional del conjunto herramienta pieza durante el mecanizado. La preforma tiene unas dimensiones mayores que las del sólido que circunscribe a la pieza a fabricar. Ese sobredimensionamiento se denomina creces. Para la elección del bruto se tendrá en cuenta la disponibilidad comercial, así como el tamaño del lote que se fabrica.

RUGOSIDAD RUGOSIDAD, ¿QUÉ ES? Son irregularidades provocadas por la herramienta de corte o elemento utilizados en su proceso de producción, corte, arranque y fatiga superficial., en pocas palabras es la huella digital de una pieza. El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macrogeométricos y microgeométricos. La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real, definidas convencionalmente en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados.

Durante mucho tiempo la medición de rugosidad no fue considerada como una rama de la metrología, en la actualidad es un requerimiento importante debido al reconocimiento creciente de la importancia y necesidad de esta medición. Errores Micro-geométricos , Textura primaria o RUGOSIDAD •Es el pequeño relieve que caracteriza a una superficie, proveniente del proceso de producción. Se originan en las imperfecciones de los mecanismos, entre las máquinas y las herramientas, en las vibraciones del sistema pieza-herramienta, el desgaste de las herramientas, y por el propio método de conformación de la pieza. Errores Macro-geométricos, Textura secundaria u ONDULACIÓN. Se le llama así a los errores de forma. Las principales causas, son los defectos en las guías de la máquina o la herramienta, durante el proceso de fabricación. Los desvíos de la máquina o la pieza, la fijación incorrecta de la pieza, o la distorsión debido a algún tratamiento térmico.

Superficie ideal Es la superficie ideal, por definición sin errores, perfecta. Ejemplo: superficie plana (figura 2), cilíndrica, etc. Perfil Ideal Perfil resultante del corte de una superficie ideal por un plano perpendicular (figura 3). En algunas normas esta característica es denominada perfil nominal, y es el perfil ideal, por definición sin errores. Superficie Real Es la superficie que limita al cuerpo y la separa del medio ambiente (figura 4).

Perfil Real: Es el perfil resultante de cortar una superficie real por un plano definido en relación a la superficie ideal. Limita la sección material y la separa del medio ambiente, incluida la ondulación (fig. 5). Perfil Efectivo: Imagen aproximada de un perfil real obtenido por un medio de evaluación ó medición. El perfil efectivo es función de las características geométricas y físicas del instrumento de medición y de la técnica utilizada para su evaluación. No es filtrado y su diferencia con el perfil real es una cierta deformación causada por la imprecisión del aparato. Perfil de rugosidad: Se obtiene a partir del perfil efectivo por un instrumento de evaluación con sistema de filtrado (filtrado de ondas) para excluir otras irregularidades (ondulación, por ejemplo). De acuerdo a las definiciones presentadas, se concluye que el perfil de rugosidad está superpuesto al perfil de ondulación, de allí la necesidad de contar con un sistema que permita excluir a este último para una

Los errores superficiales mencionado se presentan simultáneamente sobre una superficie, lo que le dificulta la medición individual de cada uno de ellos. La rugosidad de una superficie maquinada tiene bastante influencia sobre: • • • • •

El desgasste de la pieza Caracteristicas de friccion y deslizamientos Capacidad de adherencia al aceite Resistencia a la corrosión Caracteristicas de ajuste

Rugosidad promedio en micrómetros

Importancia del acabado superficial

El interés que despierta la obtención de buenas características del acabado superficial está fundamentado en que las mismas influyen en la prestación de las superficies, atento a que suelen tener que responder a una múltiple gama de solicitudes, entre ellas las siguientes: • Especularita • Resistencia al desgaste • Precisión de tolerancia • Resistencia a la fatiga • Resistencia a la corrosión • Pasaje de fluidos

Susceptibles de ser optimizadas a partir de sistemas de evaluación de acabado superficial.

Aspecto económico: El acabado superficial de un componente mecánico debe tener en cuenta no solamente el aspecto estético como una función específica, sino que también debe ser producido al menor costo posible, considerando que existe una relación directa entre el grado de acabado y el tiempo necesario para lograrlo, como muestra el gráfico de la Figura 7.

Influencia de la capacidad relativa de carga: En el estudio de dos marcas de motores de combustión interna se observa que la rugosidad, tanto de los metales de biela como de los muñones de cigüeñal, debe ser tanto menor cuanto mayores sean las condiciones de carga. En la Figura 8 podemos observar como varía con la rugosidad superficial, la capacidad de carga de un metal: la máxima capacidad de carga es obtenida con una mejoría del 100% en relación a una superficie simplemente rectificada.

Efecto de la rugosidad en la lubricación:

La efectividad de una película de aceite en la lubricación de dos piezas en movimiento será nula si su espesor es menor que la profundidad de la rugosidad, ya que eso significa que habrá contacto de metal con metal, pudiendo influir no solamente en su altura como también en su forma, como muestra la figura 9.

Influencia en la transmisión de calor:

La influencia de la rugosidad superficial también puede notarse en la transmisión del calor entre dos superficies, donde se observa que a medida que la rugosidad disminuye, el coeficiente de transmisión de calor aumenta, debido a que es mayor el área de contacto.

Sistemas de medición de la rugosidad La definición de medición de textura superficial se realiza en forma geométrica, ante la imposibilidad de una definición funcional. Las definiciones geométricas son bastante abstractas porque están basadas en una línea de referencia que existe solamente en teoría. Los resultados incluso sufren ciertas distorsiones por la utilización de filtros para excluir la ondulación cuando se pretende definir la rugosidad. Fueron desarrollados dos sistemas de referencia: El sistema “E” o de la envolvente y el sistema “M” o de la línea media. Sistema “E” o de la envolvente (Figura 10) Este sistema tiene por base las líneas envolventes descriptas por los centros de dos círculos, uno de radio R (normalmente 250 mm) y otro de radio r (normalmente 25 mm) respectivamente, que ruedan sobre el perfil efectivo. Las líneas AA y CC así generadas, son colocadas paralelamente a sí mismas en dirección perpendicular al perfil geométrico, tocando el perfil efectivo y generando las posiciones BB y DD. La rugosidad es definida como el error del perfil efectivo en relación a la línea DD. La ondulación está indicada como el error del perfil efectivo en relación a la línea DD. La ondulación está indicada como el error de la línea DD en relación a línea BB.

Finalmente el error de la línea BB en relación al perfil geométrico y considerado como error de forma. La línea envolvente puede ser colocada de manera de obtener la igualdad de áreas del perfil situadas por encima y por debajo de ellas. Obteniéndose una línea correspondiente a la línea media del sistema M, a partir de la que pueden ser calculados los parámetros Ra y Rq (definidos mas adelante). De manera semejante, desplazando la línea envolvente hasta tocar el punto más bajo del perfil se obtiene la línea EE que permite la medición del parámetro Rmáx (definido mas adelante). Por este método, la línea de referencia es obtenida a través de la envolvente del círculo y su mayor dificultad reside en la definición del perfil geométrico, que debe ser ampliado por igual en ambas direcciones, consecuentemente la cantidad de papel gráfico que se requiere es considerable.

Sistema “M” o de la línea media Dentro de la metrología de superficies no se mide la dimensión de un cuerpo (eso corresponde a la metrología dimensional) pero sí los desvíos en relación a una forma ideal (forma perfectamente plana, por ejemplo). De esta manera, tenemos que usar como línea de referencia una forma ideal (o una forma próxima a ésta, como ocurre en la práctica). Figura 11. En el sistema M, la línea de referencia utilizada es la Línea Media, que se define como la línea localizada en la parte media del perfil de rugosidad, con la misma forma que el perfil geométrico, dispuesta paralela a la dirección general del perfil, dentro de los límites comprendidos como base de medición, de modo que la suma de las áreas por encima de ella sean exactamente iguales a la suma de las áreas que están por debajo.

Representando el acabado superficial una parte importante del costo de producción de una pieza, la elección de los procedimientos adecuados para la satisfacción de los requerimientos funcionales adquiere una gran importancia y se hace necesario para el proyectista tener conocimiento de los sistemas de acabados y de los métodos empleados, para satisfacer cada una de las necesidades a cubrir. Los objetivos funcionales a cumplir por una superficie se pueden clasificar en: Protectores • Resistencia a la oxidación y corrosión • Resistencia a la absorción Decorativos • Mejora del aspecto

Tecnológicos • Disminución o aumento del rozamiento • Resistencia al desgaste, con los consiguientes beneficios de: • Mantenimiento de juegos • Facilidad de intercambiabilidad • Resistencia a la fatiga • Reflectividad • Prevención de gripado • Mejorar la soldabilidad • Conductividad o aislamiento eléctrico

La creación de las superficies en las piezas se consigue utilizando distintos medios de producción entre los que distinguimos: • Moldeo • Forja • Estampación • Laminado • Extruido • Máquinas herramientas de arranque de viruta • Máquinas herramientas sin arranque de virutas • Máquinas herramientas que utilizan abrasivos • Bruñido • Chorro de arena (1) • Barrilado (1) • Chorro de perdigones (Shot Peening) (2) • Procedimientos manuales

Recubrimientos Los recubrimientos a dar sobre las distintas piezas atendiendo al tipo y sistema se obtención empleado, los podemos clasificar en: Inorgánicos Inmersión y reacción química (recubrimientos de conversión) Electrolítico Procesos de deposición no electrolíticos:

• Inmersión en metal fundido • Metalizado por proyección • Electroless • Plaqueado • Procesos de deposición por vapores metálicos

Orgánicos • Pulverizado: aerográfico, airless, airmix, electroestático • Inmersión • Rodillos automáticos • Cortina de pintura • Pintado en tambor • Electropintado (electroforesis) • Cataforesis Protección • Pinturas protectoras • Deposición de metales • Recubrimientos de conversión Decoración • Pinturas • Recubrimientos cromo, níquel • Recubrimientos joyería Tecnológico • Recubrimientos electrolíticos • Metalizados • Deposición alto vacío • Tratamientos mecánicos