Rugosidad superficial en la fabricación

Introducción

La rugosidad superficial es una consideración importante en la fabricación que describe la variación microscópica de una superficie. Estas imperfecciones, que suelen medirse en micrómetros (µm) o micropulgadas (µin), pueden deberse al mecanizado, la fundición, la fabricación aditiva, el desgaste o las reacciones químicas. Una variación menor puede tener un impacto dramático en el rendimiento, la apariencia y la vida útil de un componente individual. Por lo tanto, el control y la medición de la rugosidad superficial son esenciales en una serie de industrias como la automovilística y aeroespacial, la de dispositivos médicos y la electrónica.

¿Qué es la rugosidad superficial?

La rugosidadsuperficial es la textura a escala fina de una superficie, como picos, valles y ondulaciones. La rugosidad superficial no debe confundirse con la ondulación superficial, el estado de irregularidades de mayor longitud de onda, ni con los errores de forma, desviaciones de la geometría planificada.

Las causas de la rugosidad superficial se deben esencialmente al proceso de fabricación:

- El mecanizado: Las microranuras se crean mediante el uso de herramientas de corte; la rugosidad depende del filo de la herramienta y de la velocidad de avance. Un Ra de 0,2 µm es alcanzable con herramientas de buena calidad en una pieza aeroespacial de aluminio fresada con CNC, por ejemplo, con cortes más gruesos de más de 1,6 µm Ra.

- Fundición: La textura de la superficie depende de la velocidad de solidificación y del material del molde; las piezas de aluminio fundido a presión suelen tener una Ra de 1 a 3 µm.

- Fabricación aditiva: Las estructuras escalonadas se crean mediante impresión por capas; la fusión selectiva por láser (SLM) sin postprocesado del acero inoxidable permite alcanzar valores de Ra de hasta 10 µm.

Existen métodos de contacto y sin contacto para medir la rugosidad superficial, cuya información es fundamental tanto para el control de calidad como para la validación del rendimiento.

¿Por qué es importante la rugosidad superficial?

La rugosidad superficial tiene un impacto directo en

- El rendimiento funcional: La superficie irregular genera fricción y desgaste. Por ejemplo, en los segmentos de pistón de los automóviles, un valor Ra superior a 0,8 µm puede aumentar la fricción, lo que reduce el rendimiento del motor hasta un 2-3%. Por el contrario, una buena superficie de acabado (Ra ~0,2-0,4 µm) mejora la retención de la lubricación y aumenta la vida útil del componente.

- Calidad estética: Los productos de electrónica de consumo de precio elevado requieren superficies acabadas con menos de 0,1 µm Ra para obtener un aspecto liso de primera calidad.

- Resistencia: La rugosidad superficial puede servir como concentrador de tensiones y provocar el inicio de grietas por fatiga. En álabes de turbina para aplicaciones aeroespaciales, se ha descubierto que mantener la rugosidad superficial a Ra ≤ 0,5 µm mejora la vida a fatiga en más de un 15% en condiciones de carga cíclica.

Métodos de medición de la rugosidad superficial

Métodos por contacto

1. Perfilómetros: Un estilete con punta de diamante escanea la superficie y registra las desviaciones. Los perfilómetros muy precisos pueden medir valores de Ra a partir de 0,01 µm y son adecuados para piezas metálicas y semiconductores de precisión.

2. Calibradores táctiles: Los medidores de contacto proporcionan lecturas rápidas para pruebas rutinarias de control de calidad, como verificar que una pieza de plástico moldeada cumple la especificación de Ra < 1 µm.

Métodos sin contacto

1. 1. Perfilometría óptica: Utilice la interferometría o la microscopía confocal para medir superficies sin contacto, óptimo para materiales blandos o delicados como revestimientos de película fina o implantes médicos.

2. 2. Escaneado láser: Los láseres rápidos escanean topográficamente grandes superficies, óptimo para paneles aeroespaciales donde la uniformidad de Ra es significativa en superficies curvas.

Influencias en la medición de la rugosidad superficial

Una medición precisa depende de varias influencias:

- Material de la superficie: Los metales dúctiles se deforman al tocarlos y sesgan los resultados; el aluminio, el titanio y el acero inoxidable requieren fuerzas de palpado distintas.

- Entorno de medición: Las variaciones de temperatura, vibraciones y niveles de iluminación pueden distorsionar las lecturas. En los laboratorios de precisión, las mediciones se realizan a 20 ± 1 °C para excluir los efectos de la dilatación térmica.

- Calibración de instrumentos: Los perfilómetros y los escáneres ópticos deben calibrarse frente a estándares de rugosidad acreditados, la mayoría de las veces en cada sesión de medición, para garantizar la repetibilidad.

Aplicaciones de la medición de la rugosidad superficial

Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

¿Cuál es la unidad de medida estándar de la rugosidad superficial?

Micrómetros (µm) o micropulgadas (µin).

¿Por qué es crítica la rugosidad superficial en la fabricación?

Influye en el rendimiento, la durabilidad y el aspecto, y garantiza que los componentes cumplan las especificaciones funcionales y de diseño.

¿Puede mejorarse la rugosidad superficial después de la producción?

Sí, mediante esmerilado, pulido, lapeado o revestimiento para conseguir el acabado necesario.

¿Cuál es la diferencia entre Ra y Rz?

Ra es una medida de rugosidad media, mientras que Rz es la altura media de pico a valle a lo largo de una longitud de muestreo y son datos complementarios.

¿Cuándo deben calibrarse los instrumentos?

La calibración se realiza antes del uso o cuando sea necesario, utilizando patrones de rugosidad certificados para garantizar la precisión.