La rugosidad de la superficie puede considerarse como la cualidad de una superficie de no ser lisa y, por lo tanto, está vinculada a la percepción humana ( háptica ) de la textura de la superficie. Desde una perspectiva matemática, está relacionada con la estructura de variabilidad espacial de las superficies y, inherentemente, es una propiedad multiescalar. Tiene diferentes interpretaciones y definiciones según las disciplinas consideradas.
La rugosidad superficial , a menudo abreviada como rugosidad , es un componente del acabado superficial (textura superficial) . Se cuantifica por 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. En metrología de superficies , la rugosidad se considera típicamente como 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 garantizar que una superficie sea adecuada para un propósito.
La rugosidad juega un papel importante a la hora de determinar cómo un objeto real interactuará con su entorno. En tribología , las superficies rugosas suelen desgastarse más rápidamente 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 en 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 específicos de escala, los descriptores de escala cruzada como la fractalidad de la superficie proporcionan predicciones más significativas de las interacciones mecánicas en las superficies, incluida la rigidez de contacto [1] y la fricción estática . [2]
Aunque un valor de rugosidad alto suele ser indeseable, puede ser difícil y costoso de controlar en la fabricación . Por ejemplo, es difícil y costoso controlar la rugosidad de la superficie de las piezas fabricadas mediante modelado por deposición fundida (FDM). [3] La disminución de la rugosidad de una superficie suele aumentar su coste de fabricación. Esto a menudo da como resultado un equilibrio entre el coste de fabricación de un componente y su rendimiento en la aplicación.
La rugosidad se puede medir mediante una comparación manual con un "comparador de rugosidad superficial" (una muestra de rugosidad superficial conocida), pero, de manera más general, la medición del perfil de la superficie se realiza con un perfilómetro . Estos pueden ser de tipo de contacto (normalmente un estilete de diamante) u ópticos (por ejemplo, un interferómetro de luz blanca o un microscopio confocal de barrido láser ).
Sin embargo, a menudo puede ser deseable una rugosidad controlada. Por ejemplo, una superficie brillante puede ser demasiado brillante a la vista y demasiado resbaladiza para los dedos (un panel táctil es un buen ejemplo), por lo que se requiere una rugosidad controlada. Este es un caso en el que tanto la amplitud como la frecuencia son muy importantes.
Un valor de rugosidad se puede calcular en un perfil (línea) o en una superficie (área). Los parámetros de rugosidad de perfil ( , , ...) son más comunes. Los parámetros de rugosidad de área ( , , ...) dan valores más significativos.
Los parámetros de rugosidad del perfil están incluidos en la norma británica BS EN ISO 4287:2000, idéntica a la norma ISO 4287:1997. [5] La norma se basa en el sistema ″M″ (línea media). Hay muchos parámetros de rugosidad diferentes en uso, pero es de lejos el más común, aunque esto se debe a menudo a razones históricas y no a un mérito particular, ya que los primeros medidores de rugosidad solo podían medir . Otros parámetros comunes incluyen , , y . Algunos parámetros se utilizan solo en ciertas industrias o dentro de ciertos países. Por ejemplo, la familia de parámetros se utiliza principalmente para revestimientos de cilindros, y los parámetros Motif se utilizan principalmente en la industria automotriz francesa. [6] 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 es una unidad dimensional que puede ser micrómetro o micropulgada.
Dado que estos parámetros reducen toda la información de un perfil a un único número, se debe tener mucho cuidado al aplicarlos e interpretarlos. Pequeños cambios en la forma en que se filtran los datos del perfil en bruto, en cómo se calcula la línea media y en la física de la medición pueden afectar en gran medida el parámetro calculado. Con equipos digitales modernos, se puede evaluar el escaneo para asegurarse de que no haya fallas obvias que desvíen los valores.
Como para muchos usuarios puede no resultar obvio lo que significa realmente cada una de las mediciones, una herramienta de simulación permite al usuario ajustar parámetros clave, visualizando cómo las mediciones diferencian superficies que son obviamente diferentes para el ojo humano. Por ejemplo, no logra distinguir entre dos superficies donde una está compuesta de picos en una superficie que de otro modo sería lisa y la otra está compuesta de valles de la misma amplitud. Estas herramientas se pueden encontrar en formato de aplicación. [7]
Por convención, cada parámetro de rugosidad 2D se escribe con mayúscula seguida de caracteres adicionales en el subíndice. El subíndice identifica la fórmula que se utilizó y significa que la fórmula se aplicó a un perfil de rugosidad 2D. Diferentes letras mayúsculas implican que la fórmula se aplicó a un perfil diferente. Por ejemplo, es la media aritmética del perfil de rugosidad, es la media aritmética del perfil bruto sin filtrar y es la media aritmética de la rugosidad 3D.
Cada una de las fórmulas que se enumeran en las tablas supone que el perfil de rugosidad se ha filtrado a partir de los datos del perfil en bruto y que se ha calculado la línea media. El perfil de rugosidad contiene puntos ordenados y espaciados de manera uniforme a lo largo de la traza, y es la distancia vertical desde la línea media hasta el punto de datos. Se supone que la altura es positiva en la dirección ascendente, alejándose del material a granel.
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, es el valor promedio aritmético del perfil de rugosidad filtrado determinado a partir de las desviaciones con respecto a la línea central dentro de la longitud de evaluación y es el rango de los puntos de datos de rugosidad recopilados.
La rugosidad media aritmética, , es el parámetro de rugosidad unidimensional más utilizado.
A continuación se muestra una tabla de conversión común con números de grado de rugosidad:
Los parámetros de pendiente describen las características de la pendiente del perfil de rugosidad. Los parámetros de espaciado y conteo describen la frecuencia con la que el perfil cruza ciertos umbrales. Estos parámetros se utilizan a menudo para describir perfiles de rugosidad repetitivos, como los que se producen al tornear un torno .
Otros parámetros de "frecuencia" son S m , a y q . S m es el espaciamiento medio entre picos. Al igual que con las montañas reales, es importante definir un "pico". Para S m la superficie debe haberse hundido por debajo de la superficie media antes de volver a elevarse hasta un nuevo pico. La longitud de onda media a y la raíz cuadrada de la longitud de onda media q se derivan de a . Al intentar 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 a o R a y Sm) para encontrar la correlación más fuerte.
Conversiones comunes:
Estos parámetros se basan en la curva de relación de apoyo (también conocida como curva de Abbott-Firestone). Esto incluye la familia de parámetros Rk.
El matemático Benoît Mandelbrot ha señalado la conexión entre la rugosidad de la superficie y la dimensión fractal . [10] 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 viruta que se produce. 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; ignora 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, la conexión del comportamiento físico, eléctrico y mecánico con los descriptores de superficie convencionales de rugosidad o pendiente ha sido un desafío. Al emplear medidas de fractalidad de la superficie junto con medidas de rugosidad o forma de la superficie, ciertos fenómenos interfaciales, incluida la mecánica de contacto, la fricción y la resistencia de contacto eléctrico, se pueden interpretar mejor con respecto a la estructura de la superficie. [11]
Los parámetros de rugosidad superficial se definen en la serie ISO 25178. Los valores resultantes son Sa, Sq, Sz,... Muchos instrumentos de medición ópticos pueden medir la rugosidad superficial en un área. Las mediciones de área también son posibles con sistemas de medición por contacto. Se toman múltiples escaneos 2D espaciados muy cerca del área objetivo. Luego, estos se unen digitalmente utilizando el software correspondiente, lo que da como resultado una imagen 3D y los parámetros de rugosidad superficial correspondientes.
La estructura de la superficie desempeña un papel fundamental en la regulación de la mecánica de contacto [1] , es decir, el comportamiento mecánico que se muestra 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 regulada predominantemente por las estructuras de asperezas (rugosidad, pendiente de la superficie y fractalidad) y las propiedades del material.
En términos de superficies de ingeniería, se considera que la rugosidad es perjudicial para el rendimiento de las piezas. En consecuencia, la mayoría de los planos de fabricación establecen un límite superior de rugosidad, pero no un límite inferior. Una excepción son los orificios de los cilindros, donde el aceite se retiene en el perfil de la superficie y se requiere una rugosidad mínima. [12]
La estructura de la superficie suele estar estrechamente relacionada con las propiedades de fricción y desgaste de una superficie. [2] Una superficie con una dimensión fractal más alta , un valor grande o un valor positivo , normalmente tendrá una fricción algo mayor y se desgastará rápidamente. Los picos en el perfil de rugosidad no siempre son los puntos de contacto. También se deben considerar la forma y la ondulación (es decir, tanto la amplitud como la frecuencia).
En Ciencias de la Tierra (por ejemplo, Shepard et al., 2001; [13] Smith, 2014 [14] ) y Ecología (por ejemplo, Riley et al., 1999; [15] Sappington et al., 2007 [16] ) la rugosidad de la superficie tiene un significado bastante amplio (por ejemplo, Smith, 2014), con múltiples definiciones, y generalmente se considera una propiedad multiescala relacionada con la variabilidad espacial de la superficie; a menudo se la denomina textura de la superficie (por ejemplo, Trevisani et al., 2012 [17] ), dadas las evidentes analogías con la textura de la imagen (por ejemplo, Haralick et al. 1973; [18] Lucieer y Stein, 2005 [19] ) cuando el análisis se realiza en modelos digitales de elevación. Desde esta perspectiva, existen diversas interrelaciones con metodologías relacionadas con la geoestadística (p. ej., Herzfeld y Higginson, 1996 [20] ), el análisis fractal (p. ej., Bez y Bertrand, 2011 [21] ) y el reconocimiento de patrones (p. ej., Ojala et al. 2002 [22] ), incluidas muchas interrelaciones con enfoques de teledetección. En el contexto de la geomorfometría (o simplemente morfometría, Pike, 2000 [23] ), las aplicaciones cubren muchos temas de investigación en geología aplicada y ambiental, geomorfología, estudios geoestructurales y ciencia del suelo. Un ejemplo (no exhaustivo) de la literatura relacionada se puede encontrar en los siguientes artículos:
La rugosidad superficial del suelo (SSR) se refiere a las variaciones verticales presentes en el micro y macrorelieve de la superficie del suelo, así como a su distribución estocástica. Existen cuatro clases distintas de SSR, cada una de las cuales representa una escala de longitud vertical característica; la primera clase incluye variaciones de microrelieve desde granos de suelo individuales hasta agregados del orden de 0,053–2,0 mm; la segunda clase consiste en variaciones debidas a terrones de suelo que varían entre 2 y 100 mm; la tercera clase de rugosidad superficial del suelo son las diferencias sistemáticas de elevación debidas a la labranza, denominadas rugosidad orientada (OR), que varían entre 100 y 300 mm; la cuarta clase incluye la curvatura plana o características topográficas a escala macro. [37]
Las dos primeras clases representan la denominada microrrugosidad, que se ha demostrado que está muy influenciada en una escala temporal de eventos y estacionales por la lluvia y la labranza, respectivamente. La microrrugosidad se cuantifica más comúnmente por medio de la rugosidad aleatoria, que es esencialmente la desviación estándar de los datos de elevación de la superficie del lecho alrededor de la elevación media, después de la corrección por pendiente utilizando el plano de mejor ajuste y la eliminación de los efectos de la labranza en las lecturas de altura individuales. [38] El impacto de la lluvia puede conducir a una disminución o un aumento de las microrrugosidades, dependiendo de las condiciones iniciales de microrrugosidad y las propiedades del suelo. [39] En superficies de suelos rugosos, la acción del desprendimiento por salpicaduras de lluvia tiende a suavizar los bordes de la rugosidad de la superficie del suelo, lo que conduce a una disminución general de la RR. Sin embargo, un estudio reciente que examinó la respuesta de superficies de suelo lisas a la lluvia mostró que la RR puede aumentar considerablemente para escalas de longitud de microrrugosidad inicial bajas en el orden de 0 a 5 mm. También se demostró que el aumento o la disminución es consistente entre varios índices SSR. [40]
