Rugosidad de la superficie

Medida de acabado o textura superficial.

El símbolo básico de la rugosidad de la superficie.

Microscopio holográfico digital que mide la rugosidad de la prótesis de cadera

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 relacionado con la estructura de variabilidad espacial de las superficies e inherentemente es una propiedad multiescala. Tiene diferentes interpretaciones y definiciones dependiendo de las disciplinas consideradas.

En metrología de superficie

La rugosidad de la superficie , a menudo abreviada como rugosidad , es un componente del acabado de la superficie (textura de la superficie) . Se cuantifica por las desviaciones en la dirección del vector normal de una superficie real respecto de su forma ideal. Si estas desviaciones son grandes, la superficie es rugosa; si son pequeños, la superficie es lisa. En metrología de superficies , normalmente se considera 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 garantizar que una superficie sea adecuada para un propósito.

La rugosidad juega un papel importante a la hora de determinar cómo interactuará un objeto real 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 favorecer 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 a menudo no es deseable, puede resultar difícil y costoso controlarlo 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] Disminuir la rugosidad de una superficie suele aumentar su coste de fabricación. Esto a menudo resulta en una compensación entre el costo de fabricación de un componente y su desempeño en la aplicación.

La rugosidad se puede medir mediante comparación manual con un "comparador de rugosidad superficial" (una muestra de rugosidad superficial conocida), pero de manera más general una medición del perfil de la superficie se realiza con un perfilómetro . Estos pueden ser de contacto (normalmente un lápiz 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.

Parámetros

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

Parámetros de rugosidad del perfil ^[4]

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). Se utilizan muchos parámetros de rugosidad diferentes, pero es, con diferencia, el más común, aunque esto suele deberse a razones históricas y no a un mérito particular, ya que los primeros rugosímetros solo podían medir . Otros parámetros comunes incluyen , y . Algunos parámetros se utilizan sólo en determinadas industrias o dentro de determinados países. Por ejemplo, la familia de parámetros se utiliza principalmente para revestimientos de cilindros y los parámetros Motif se utilizan principalmente en la industria automovilística 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 un micrómetro o una micropulgada. ${\displaystyle Ra}$ ${\displaystyle Ra}$ ${\displaystyle Rz}$ ${\displaystyle Rq}$ ${\displaystyle Rsk}$ ${\displaystyle Rk}$ ${\displaystyle Ra}$

Dado que estos parámetros reducen toda la información de un perfil a un solo número, se debe tener mucho cuidado al aplicarlos e interpretarlos. Pequeños cambios en cómo se filtran los datos del perfil sin procesar, cómo se calcula la línea media y la física de la medición pueden afectar en gran medida el parámetro calculado. Con equipos digitales modernos, el escaneo se puede evaluar para asegurarse de que no haya fallas obvias que distorsionen los valores.

Debido a que puede no ser obvio para muchos usuarios lo que realmente significa cada una de las mediciones, una herramienta de simulación permite al usuario ajustar parámetros clave, visualizando cómo las superficies que son obviamente diferentes para el ojo humano se diferencian por las mediciones. Por ejemplo, no distingue 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] ${\displaystyle Ra}$

Por convención, cada parámetro de rugosidad 2D es una letra mayúscula seguida de caracteres adicionales en el subíndice. El subíndice identifica la fórmula que se utilizó y el significado de 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 el promedio aritmético del perfil de rugosidad, es el promedio aritmético del perfil bruto sin filtrar y es el promedio aritmético de la rugosidad 3D. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle Ra}$ ${\displaystyle Pa}$ ${\displaystyle Sa}$

Cada una de las fórmulas enumeradas en las tablas supone que el perfil de rugosidad se ha filtrado a partir de los datos del perfil sin procesar y se ha calculado la línea media. El perfil de rugosidad contiene puntos ordenados e igualmente espaciados 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 dirección ascendente, lejos del material a granel. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle y_{i}}$ ${\displaystyle i^{\text{th}}}$

Parámetros de amplitud

Los parámetros de amplitud caracterizan la superficie basándose en las desviaciones verticales del perfil de rugosidad de 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, el valor promedio aritmético del perfil de rugosidad filtrado se determina 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. ${\displaystyle Ra}$ ${\displaystyle Rt}$

La rugosidad media aritmética, , es el parámetro de rugosidad unidimensional más utilizado. ${\displaystyle Ra}$

Aquí hay una tabla de conversión común que también incluye números de grado de rugosidad:

Parámetros de pendiente, espaciado y conteo.

Los parámetros de pendiente describen las características de la pendiente del perfil de rugosidad. Los parámetros de espaciado y conteo describen con qué frecuencia el perfil cruza ciertos umbrales. Estos parámetros se utilizan a menudo para describir perfiles de rugosidad repetitivos, como los que se producen al girar un torno .

Otros parámetros de "frecuencia" son S _m , _a y _q . S _m es el espaciado medio entre picos. Al igual que en las montañas reales, es importante definir un "pico". Para S _m la superficie debe haber descendido por debajo de la superficie media antes de subir nuevamente a un nuevo pico. La longitud de onda promedio _a y la longitud de onda cuadrática media _q se derivan de _a . Cuando se intenta comprender una superficie que depende tanto de la amplitud como de la frecuencia, no es obvio qué par de métricas describe óptimamente el equilibrio, por lo que se puede realizar un análisis estadístico de pares de medidas (por ejemplo: R _z y _a o Ra _y Sm) para encontrar la correlación más fuerte. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle \lambda }$

Conversiones comunes:

Parámetros de la curva de relación de rodamiento

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

Bocetos que representan superficies con inclinación negativa y positiva. La traza de rugosidad está a la izquierda, la curva de distribución de amplitud está en el medio y la curva del área de apoyo (curva de Abbott-Firestone) está a la derecha.

teoría fractal

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 en el 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 real de una superficie mecanizada típica afectada por marcas de avance de herramienta; ignora la geometría del filo. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit .). Los descriptores fractales de superficies juegan un papel importante en la correlación de las propiedades físicas de la superficie con la estructura de la superficie. En múltiples campos, ha sido un desafío conectar el comportamiento físico, eléctrico y mecánico con descriptores de superficie convencionales de rugosidad o pendiente. 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 eléctrica, se pueden interpretar mejor con respecto a la estructura de la superficie. ^[11]

Parámetros de rugosidad real

Los parámetros de rugosidad real se definen en la serie ISO 25178. Los valores resultantes son Sa, Sq, Sz,... Muchos instrumentos de medición óptica son capaces de medir la rugosidad de la superficie de un área. Las mediciones de área también son posibles con sistemas de medición por contacto. Se toman múltiples escaneos 2D del área objetivo, muy próximos entre sí. Luego, estos se unen digitalmente utilizando el software correspondiente, lo que da como resultado una imagen en 3D y los parámetros de rugosidad del área que la acompañan.

Efectos prácticos

La estructura de la superficie juega un papel clave en el gobierno de la mecánica de contacto , ^[1] es decir, el comportamiento mecánico exhibido en una interfaz entre dos objetos sólidos a medida que se acercan entre sí y pasan de condiciones sin contacto a contacto total. En particular, la rigidez de contacto normal se rige predominantemente por estructuras de aspereza (rugosidad, pendiente de la superficie y fractalidad) y propiedades del material.

En términos de superficies de ingeniería, se considera que la rugosidad es perjudicial para el rendimiento de la pieza. Como consecuencia, la mayoría de las impresiones industriales 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 , generalmente 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). ${\displaystyle Ra}$ ${\displaystyle Rsk}$

En Ciencias de la Tierra

En Ciencias de la Tierra (p. ej., Shepard et al., 2001; ^[13] Smith, 2014 ^[14] ) y Ecología (p. ej., Riley et al., 1999; ^[15] Sappington et al., 2007 ^[16] ) rugosidad de la superficie tiene un significado bastante amplio (p. ej. 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 superficial (p. ej., Trevisani et al., 2012 ^[17] ), dadas las evidentes analogías con la textura de la imagen (p. ej., Haralick et al. 1973; ^[18] Lucieer y Stein, 2005 ^[19] ) cuando el análisis se realiza sobre modelos digitales de elevación. Desde esta perspectiva, existen varias 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 ciencias del suelo (por ejemplo, Cavalli y Marchi 2008; [ ^24] Dusséaux y Vannier , 2022; ^[25] Evans et al., 2022; ^[26] Frankel y Dolan 2007; ^[27] Glenn et al. 2006; ^[28] Grohmann et al., 2011; ^[29] Guth, 1999; ^[30] Lindsay, 2019; ^[31] Misiuk et al., 2021; ^[32] Pollyea y Fairley, 2011, ^[33] Trevisani y Rocca, 2015; ^[34] Trevisani et al. 2023; ^[35] Woodcock, 1977 ^[36] ).

Ejemplo de cálculo de rugosidad superficial isotrópica de corto alcance (Trevisani et al., 2023) para una zona alpina. El cálculo se basa en un modelo de terreno digital de alta resolución (resolución de 2 m). Se pueden describir muchos otros aspectos y escalas de rugosidad diferentes.

Rugosidad de la superficie del suelo

La rugosidad de la superficie del suelo (SSR) se refiere a las variaciones verticales presentes en el micro y macrorrelieve de la superficie del suelo, así como a su distribución estocástica. Hay cuatro clases distintas de SSR, cada una de las cuales representa una escala de longitud vertical característica; la primera clase incluye variaciones de microrrelieve desde granos de suelo individuales hasta agregados del orden de 0,053 a 2,0 mm; la segunda clase comprende variaciones debidas a terrones de suelo que oscilan entre 2 y 100 mm; la tercera clase de rugosidad de la superficie del suelo son las diferencias sistemáticas de elevación debidas a la labranza, denominada rugosidad orientada (OR), que oscilan entre 100 y 300 mm; la cuarta clase incluye curvatura plana o características topográficas a macroescala. ^[37]

Las dos primeras clases representan la llamada microrrugosidad, que se ha demostrado que está influenciada en gran medida en un evento y en una escala de tiempo estacional por la lluvia y la labranza, respectivamente. La microrrugosidad se cuantifica más comúnmente mediante 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 de la 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 las precipitaciones puede provocar una disminución o un aumento de la microrrugosidad, dependiendo de las condiciones iniciales de microrrugosidad y las propiedades del suelo. ^[39] En superficies de suelo rugosas, la acción del desprendimiento de las salpicaduras de lluvia tiende a suavizar los bordes de la rugosidad de la superficie del suelo, lo que lleva a una disminución general del RR. Sin embargo, un estudio reciente que examinó la respuesta de las superficies lisas del suelo a la lluvia mostró que el RR puede aumentar considerablemente para escalas de longitud de microrrugosidad iniciales bajas del orden de 0 a 5 mm. También se demostró que el aumento o disminución es consistente entre varios índices SSR. ^[40]

Ver también

• Discontinuidad (Ingeniería geotécnica)
• Rugosidad
• Rigidez de contacto normal
• Acabado de la superficie
• Metrología de superficie
• Medición de rugosidad superficial ISO 25178
• Ondulación
• Asperidad (ciencia de los materiales)

Referencias

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enlaces externos

• 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 rugosidad superficial (acabado)
• SPE (Explorador de perfiles de superficie)
• Calculadora online 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.
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• Davim, J. Paulo, Integridad de la superficie 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 for Rank Taylor-Hobson Co., Bristol 1996
• Herramientas basadas en geoestadísticas para análisis de rugosidad de superficies o textura de imágenes: https://doi.org/10.5281/zenodo.7132160