Rugosidad de la superficie es un indicador técnico importante que refleja el error microgeométrico de la superficie de la pieza mecanizada y es la base principal para inspeccionar la calidad de la superficie de las piezas mecanizadas; ya sea razonable o no, está directamente relacionado con la calidad, la vida útil y el costo de producción de las piezas mecanizadas. La rugosidad de la superficie se refiere a las microirregularidades finamente espaciadas en la textura de la superficie, que se compone de tres elementos: rugosidad, ondulación y forma.
Perfil de rugosidad superficial
El servicio de mecanizado por control numérico computarizado (CNC) permite mantener el control sobre las tolerancias de las piezas. Cuanto más altos sean los estándares de precisión de la industria manufacturera, menor será el valor de tolerancia. Por otro lado, cuanto mayor sea la tolerancia, mayor y menor será la precisión necesaria. Cuando se requieren valores particulares de rugosidad de la superficie, rara vez se utilizan métodos de posprocesamiento. Esto se debe a que estos procesos son difíciles de gestionar y pueden influir en la tolerancia dimensional de la pieza.
Pero, ¿cómo se correlacionan entre sí la rugosidad de la superficie y el nivel de tolerancia en el mecanizado CNC? Para saberlo, siga leyendo para explorar esta relación. Antes de continuar, es importante conocer los métodos para medir la rugosidad de la superficie.
Métodos para determinar la rugosidad
Existe una amplia variedad de equipos disponibles para la medición de rugosidad. Pero aquí están dos técnicas amplias para determinar la rugosidad.
- Tipo de Contacto
- Tipo sin contacto
Pasemos a un análisis profundo de estas técnicas. Una forma de análisis por contacto en la que un componente del dispositivo de medición realmente hace contacto con la superficie a medir durante el experimento. Pero, en mediciones de tipo contacto, la punta afilada de un lápiz puede dañar la superficie, especialmente las superficies blandas. Las cargas normales deben ser lo suficientemente bajas para estas mediciones de modo que las tensiones de contacto no superen la dureza de la superficie a probar. Los instrumentos de lápiz de contacto con amplificación electrónica son los más populares hoy en día. La Organización Internacional de Normalización (ISO) recomienda que la técnica del lápiz óptico se utilice habitualmente como referencia.
Un perfilador óptico sin contacto basado en el principio de interferometría óptica de dos haces inventado en 1983 y que ahora se utiliza comúnmente para medir superficies lisas en los sectores óptico y electrónico. En 1985 se creó un microscopio de fuerza atómica, que es esencialmente un nanoperfilador que funciona con cargas ultrabajas. La rugosidad de la superficie se puede medir con una resolución lateral que varía desde escalas microscópicas hasta atómicas.
Este equipo se utiliza a menudo en la investigación para cuantificar la rugosidad de resolución lateral extremadamente alta, especialmente la rugosidad a escala nanométrica. Hay una serie de otros procedimientos demostrados en el laboratorio pero que nunca se han implementado comercialmente, o que se han utilizado en aplicaciones especializadas. En función del principio físico involucrado, clasificaremos las diversas técnicas en seis categorías:
Enfoques de microscopía de sonda de barrido (SPM), óptica, de lápiz mecánico y microscopía de fluidos, eléctrica y electrónica.
Entonces, ¿cómo funcionan exactamente todos estos procesos para medir la rugosidad de la superficie? Analicemos esto en detalle.
Método del lápiz mecánico
Esta técnica registra y amplifica el movimiento vertical del lápiz sobre la superficie a medir a una velocidad constante. El instrumento está formado por un cabezal de medición tipo lápiz con una punta y un mecanismo de escaneo. Adquirir escaneos bidimensionales en la dirección X mientras avanza 5 m en la dirección Y con el tornillo de avance Y. Se utiliza para un posicionamiento preciso de la muestra y produce una imagen tridimensional.
Metodo optico
Según el estudio, se utilizan varios métodos ópticos para la rugosidad de las superficies.
La evaluación global se puede realizar con un microscopio óptico, que sólo proporciona datos cualitativos. Los enfoques geométricos y físicos son dos tipos de métodos ópticos. El corte cónico y el corte ligero son dos enfoques geométricos. Los reflejos especulares y difusos, los patrones moteados y la interferencia óptica son ejemplos de enfoques físicos.
Métodos de microscopía de sonda de barrido (SPM)
Las microscopías de sonda de barrido (SPM) son un grupo de equipos basados en la microscopía de efecto túnel (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM). La primera técnica utilizada para obtener una imagen tridimensional de una superficie sólida con resolución atómica es la microscopía de sonda de barrido.
Microscopía de efecto túnel (STM)
STM funciona de forma sencilla. Una punta metálica afilada (un electrodo de la unión del túnel) se acerca lo suficiente a la superficie a sondear (segundo electrodo) para que la corriente de túnel varíe de 0.2 a 10 nA, lo cual es cuantificable a un voltaje de trabajo conveniente (10 mV a 2 V). A una distancia de 0.3 a 1 nm, se escanea la punta a través de una superficie mientras se mide la corriente del túnel entre la punta y la superficie.
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
El AFM combina el STM con los principios del perfilador de aguja. Para percibir la proximidad de la punta a la muestra en el AFM, se detecta la fuerza entre la muestra y la punta en lugar de la corriente de efecto túnel. Al mover la muestra mediante escáneres piezoeléctricos, una punta afilada en el extremo de un voladizo entra en contacto con una superficie de la muestra. modo de funcionamiento Se conoce como "modo repulsivo" o "modo de contacto". La microscopía de fuerza atómica es un nanoperfilador que puede trabajar con muestras muy pequeñas. Este enfoque determina la rugosidad de la superficie con una resolución lateral que va desde escalas microscópicas hasta escalas atómicas. Este método se utiliza más comúnmente para escalar la rugosidad con una resolución lateral muy alta, como la rugosidad a escala nanométrica.
Métodos fluidos
Estas técnicas se emplean principalmente en servicio para operaciones de evaluación constante (control de calidad). Ya que trabajan sin tocar la superficie y son sumamente rápidos. Esto proporciona datos numéricos que pueden correlacionarse empíricamente con la rugosidad. Los métodos de medición hidráulico y neumático son las dos técnicas más utilizadas.
Método eléctrico
Esta técnica utiliza el enfoque de la capacitancia basado en la idea del capacitor paralelo. La capacitancia entre dos elementos conductores está relacionada con su área y la constante dieléctrica del medio, pero es inversamente proporcional a su separación. Es bastante simple calcular la capacitancia efectiva entre un disco de superficie rugosa y uno de superficie lisa para varios modelos deterministas. Se considera como la suma de una cantidad de áreas elementales pequeñas a diferentes alturas. La rugosidad de la superficie afecta la capacidad entre una superficie de disco lisa y la superficie a medir. Partiendo de esta premisa, se dispone de un instrumento comercial. Los procesos de inspección continua también emplean el método de capacitancia.
Microscopio de electrones
Tanto la microscopía electrónica de reflexión como la de réplica pueden revelar datos macroscópicos y microscópicos. caracteristicas de la superficie. Sin embargo, tienen dos inconvenientes principales: primero, es difícil obtener datos cuantificables; y segundo, debido a su campo de visión intrínsecamente limitado, sólo muestran unas pocas asperezas, mientras que el punto importante sobre el contacto superficial es que involucra vastas poblaciones de asperezas que interactúan.
El método de medición que finalmente se elija depende en gran medida de la aplicación del usuario. Para las operaciones de inspección durante el proceso se utilizan métodos de medición basados en reflexión especular, reflexión difusa o patrón moteado. Se podrían emplear tecnologías de fluidos o eléctricas para actividades de inspección continua (control de calidad) que necesitan información mínima.
Estándar Nacional de Tolerancia de Mecanizado CNC
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Las variaciones pueden deberse a diversas causas, que van desde el material de la pieza hasta el proceso de mecanizado utilizado. Por este motivo, a las piezas se les asignan tolerancias de mecanizado durante toda la fase de diseño, es decir, una cantidad de variación permisible en la dimensión de una pieza.
Entonces, ¿qué son las tolerancias de mecanizado y por qué son importantes? Continúe leyendo para descubrir cómo elegir la tolerancia, ese principio se relaciona con el mecanizado CNC.
Cada característica de un componente tiene un tamaño y una forma geométrica. La función de la pieza implica restricciones de variación de tamaño y atributos geométricos (forma, orientación y ubicación), que cuando se superan dañan esta función. La mayoría de los inspectores utilizan la solución de zona mínima para calcular tolerancias de forma, que minimiza el error máximo entre los puntos de datos y una característica de referencia.
El instituto nacional estadounidense de normalización (ANSI Y14.5M-1982), estableció un enfoque estandarizado para la Norma Nacional de Dimensionamiento y Tolerancia conocida como Dimensión y tolerancia Geométrica (Norma GD&T Y14.5). Se establece un enfoque estandarizado para mostrar estándares de tolerancia en dibujos de ingeniería para aumentar el uso de especificaciones de tolerancia como herramienta de comunicación.
Para garantizar que los aspectos de tamaño y geometría de todas las características estén regulados, las tolerancias en el dibujo deben ser completas, es decir, no se debe asumir ni dejar nada al criterio del taller o del departamento de inspección. El uso de tolerancias generales de tamaño y geometría facilita el cumplimiento de este requisito.
Los estándares de tolerancia de forma se utilizan para regular los elementos derivados porque los puntos de la característica derivada no se pueden muestrear directamente. Estos puntos deben calcularse utilizando puntos muestreados desde el exterior. Pero, ¿cómo se puede elegir la tolerancia para el mecanizado CNC?
Bueno, la dimensión y tolerancia geométricas (estándar GD&T Y14.5) es útil para que los diseñadores y fabricantes comuniquen información de tolerancia. Desafortunadamente, actualmente no existe ningún estándar para verificar especificaciones de tolerancia.
Como se ha indicado anteriormente, los distintos materiales y procesos de mecanizado requieren distintas tolerancias. Esto significa que las tolerancias de mecanizado no son exactamente "estándar". Sin embargo, algunos fabricantes han establecido reglas para aplicaciones específicas.
Algunos talleres mecánicos exigen tolerancias a los clientes y, si no las proporcionan, se negarán a trabajar en el componente o utilizarán una tolerancia estándar de, digamos, ±0.005'' (0.127 mm). La tolerancia puede ser mayor o menor que 0.005.
Tolerancia geométrica permitida según ISO 2768
Precauciones de tolerancia
En consecuencia, ¿cuáles son las precauciones de tolerancia que se deben considerar para el mecanizado CNC? Hay numerosos aspectos importantes a considerar al calcular las tolerancias. Estos se analizan a continuación;
- Material: No existen dos materiales iguales y algunos son más fáciles de trabajar que otros. Para definir las tolerancias, es fundamental examinar la estabilidad térmica, la dureza, la rigidez y la abrasividad del material.
- Técnica de mecanizado: debido a que ciertos procedimientos son más precisos que otros, el tipo de mecanizado empleado puede tener un impacto significativo en el resultado final.
- Acabado y enchapado: se agregan pequeñas cantidades de material a la superficie de una pieza durante el enchapado y el acabado, lo que puede cambiar las dimensiones de la pieza lo suficiente como para requerir una tolerancia diferente.
- Costo: La técnica es más cara si se restringe estrictamente la tolerancia. Es fundamental mantener una tolerancia precisa para que la operación sea rentable. Es fundamental garantizar que la tolerancia sea precisa, pero no excesiva.
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Tipos de tolerancia
¿Conoce las categorías ASME de diferentes tipos de tolerancia para fines de mecanizado?
El dimensionamiento y tolerancias geométricas (GD&T) especifica cinco tipos de tolerancias en general:
- Tolerancias de forma: una tolerancia geométrica fundamental que dicta la forma de la pieza.
- Tolerancias para perfiles: establece un límite alrededor de una superficie dentro del cual deben estar contenidos los componentes de la superficie.
- Tolerancias de orientación: determina la orientación del formulario con respecto a una referencia.
- Tolerancias de ubicación: indica la posición de la entidad en relación con una referencia.
- Desplazamiento: cuando una pieza gira sobre un eje, se especifica la fluctuación de desplazamiento de la característica de un objetivo.
Rugosidad superficial para mecanizado CNC
Hay varios elementos a tener en cuenta al elegir la rugosidad de superficie adecuada para su proyecto. Según la aplicación del producto, la durabilidad deseada, si el artículo se pulirá o pintará, la importancia de las dimensiones precisas y el presupuesto del proyecto, es posible que la rugosidad media (Ra) deba ser mayor o menor.
Con las mismas tolerancias dimensionales, los requisitos de rugosidad superficial de las piezas mecanizadas por CNC varían según la máquina. Este es el problema de la estabilidad de la cooperación. Los criterios de estabilidad e intercambiabilidad de las piezas mecanizadas varían en el diseño y la fabricación de piezas mecánicas para varios tipos de máquinas.
Pero, ¿cuáles son los diferentes tipos de mecanizado y cómo se puede empezar? Analicemos este campo en expansión. Los tres tipos siguientes están representados en el manual de diseño de piezas mecánicas existente:
La rugosidad de la superficie en el mecanizado CNC tiene un impacto en la forma en que el objeto creado interactúa con su entorno. Un acabado de mecanizado CNC típico "tal como se mecaniza" es suave al tacto con una rugosidad promedio (Ra3.2), pero las líneas de mecanizado visibles de la herramienta de corte son visibles. La mayoría de las piezas se pueden fabricar con esta cantidad de rugosidad, aunque en algunos casos es necesaria una superficie más suave. Al desarrollar piezas deslizantes, una superficie más suave puede ser ventajosa ya que reduce la fricción entre las piezas y mejora el rendimiento del desgaste.
El primero se emplea principalmente en maquinaria de precisión que requiere un alto nivel de estabilidad de ajuste. Durante el servicio o después del montaje continuo, el límite de desgaste de las piezas mecanizadas no debe exceder 10% de la tolerancia dimensional de las piezas. Esto se utiliza principalmente en las superficies de fricción de piezas mecanizadas extremadamente esenciales, como la superficie interna del cilindro, el cuello del husillo de las máquinas herramienta de precisión, el cuello del husillo de las máquinas perforadoras coordinadas y brocas más precisas que se adaptan a requisitos muy particulares.
El otro se utiliza en equipos de precisión típicos que requieren una alta estabilidad de ajuste, un límite de desgaste de componentes mecánicos de no más de 25% de la precisión dimensional de la pieza mecanizada y de una superficie de contacto muy próxima. Máquinas, herramientas, superficies que trabajan con rodamientos, orificios cónicos y superficies de contacto que se mueven a velocidades bastante altas son ejemplos de su aplicación.
El tercer tipo se utiliza principalmente en maquinaria general donde el límite de desgaste de las piezas mecánicas no debe exceder 50% del valor de tolerancia dimensional y no existen superficies de contacto para partes móviles relativas, así como superficies apretadas, chaveteros y superficies de trabajo de chaveteros; superficie de contacto con baja velocidad de movimiento relativo así como un orificio de soporte, buje, superficie de trabajo con un orificio para el eje de la rueda, reductor, etc.
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Relación b/n Rugosidad y Tolerancia
Ahora bien, ¿cómo se relacionan entre sí la rugosidad y la tolerancia en el mecanizado por control numérico por computadora (CNC)?
La rugosidad superficial compatible con el nivel de tolerancia es la más utilizada.
Si cuanto menores sean los requisitos de precisión dimensional para los componentes mecánicos, menor será el valor de rugosidad de la superficie de las piezas mecánicas. Sin embargo, en circunstancias normales no existe ningún vínculo funcional establecido entre ellos. Algunas maquinarias e instrumentos requieren superficies muy lisas, por ejemplo; manijas, volantes, equipos sanitarios, maquinaria alimentaria y piezas mecánicas con superficie cambiada.
Significa que los requisitos de rugosidad de la superficie son altos pero los requisitos de tolerancia dimensional son bajos. En circunstancias típicas, el nivel de tolerancia y el valor de rugosidad de la superficie de los elementos mecanizados CNC con requisitos de tolerancia dimensional tienen una relación razonable.
Según algunos manuales y monografías de diseño de componentes mecánicos, existen muchas fórmulas de cálculo disponibles. Representa la relación entre la rugosidad de la superficie y las tolerancias dimensionales de las piezas mecánicas. Puede leer la lista de fórmulas para elegir.
Cuando realmente lo lees. Notarás que se utiliza la misma fórmula empírica con diferentes valores. Puede causar confusión a las personas que tienen conocimientos muy limitados en esta área. Al mismo tiempo, hace que la selección de la rugosidad de la superficie en el trabajo de piezas mecánicas sea más compleja.
Selección del principio de tolerancia para la máquina CNC
El mecanizado por control numérico por computadora (CNC) exige una precisión extrema. En esta profesión, incluso los milímetros pueden dar lugar a errores importantes. Desafortunadamente, ninguna máquina puede garantizar el 100 por ciento de precisión en todo momento.
Por lo tanto, ¿qué principio de tolerancia básico se debe adoptar para el mecanizado CNC? Exploremos esto juntos.
Como sabemos, la tolerancia es el control de la corrección de las piezas mecanizadas por CNC. Existen tolerancias estándar para elementos mecanizados por CNC, como roscas, cortes y tuberías. Se requieren tolerancias estándar para piezas mecanizadas controladas numéricamente para una variedad de aplicaciones. Cuando el cliente no selecciona el nivel de tolerancia, la mayoría de los servicios de fresado CNC proporcionan ±0.1 mm, que también es el estándar de tolerancia típico de componentes de mecanizado CNC especificado por el ingeniero mecánico. Las organizaciones de estándares mundiales más frecuentes que establecen tolerancias de mecanizado CNC son la Organización Internacional de Normalización (ISO), la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) y otras. Ahora discútelos en profundidad.
Básicamente, la Organización Internacional de Normalización (ISO 2768,) la norma se divide en dos partes, cada una de las cuales tiene como objetivo simplificar los dibujos estableciendo niveles de precisión como reglas generales:
- Tolerancia general: Sus niveles se describen como f-fino, m-medio, c-grueso y v-muy grueso para dimensiones lineales y angulares.
- Tolerancia geométrica; Las clases de tolerancia H, K y L establecen tolerancias geométricas para características con diferentes niveles de precisión.
A modo de ilustración, se podría designar un dibujo como Organización Internacional de Normalización. ISO 2768 mK, lo que significa que debe cumplir con los límites de tolerancia para las clases de tolerancia "media" de la Parte 1 y "K" de la Parte 2. Puede simplificar su dibujo al incluir la especificación ISO 2768 y evitar especificar tolerancias para cada dimensión y característica.
La norma está formada por pautas generales porque hay situaciones en las que una dimensión de una pieza requiere una tolerancia más estricta que las definidas por la norma ISO 2768. Tales ocurrencias son comunes; por lo tanto, revise el bloque de título del dibujo para conocer los requisitos de tolerancia generales y tome nota de cualquier especial. especificaciones de piezas o requisitos del proyecto.
Considerando que la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME Y14. 5) La norma especifica símbolos, definiciones y normas de tolerancia y dimensionamiento geométrico. El objetivo de la norma es garantizar que se proporcione información detallada de forma clara durante todo el proceso de diseño y fabricación de componentes mecánicos.
Básicamente, le dice al personal y al equipo de fabricación qué tan exacta y precisa debe ser cada característica regulada de la pieza. En dibujos de ingeniería y modelos sólidos tridimensionales generados por computadora, la Tolerancia Geométrica y de Dimensiones (GD&T) utiliza un lenguaje simbólico que expresa la geometría nominal y su variación permitida.
Marco de control de características
Las tolerancias se eligen según el proceso de producción. Normalmente, cuanto mayor sea la tolerancia, menor será el costo. Excesivo selección de tolerancia conlleva el riesgo de averías en el rendimiento reales y potenciales, deterioro del servicio, indeseabilidad funcional y mala apariencia. Tolerancia límite Es el más práctico y utilizado. Permite la selección arbitraria de tolerancias para una cadena de medidas y garantiza un buen ajuste, pero no tiene en cuenta los costes de producción.
Los métodos estándar para determinar las tolerancias no maximizan directamente los costos y las tolerancias. Su enfoque principal es definición de tolerancias para que el diseño funcione primero y, preferiblemente, sea el más barato.
La línea de fondo
En consecuencia, ¿cuál es exactamente la relación entre la rugosidad de la superficie y el nivel de tolerancia en el mecanizado CNC?
La textura media de la superficie de una pieza se mide por la rugosidad superficial. La rugosidad superficial que es compatible con el nivel de tolerancia es la que se utiliza con más frecuencia. Cuanto menores sean los requisitos de precisión dimensional para los componentes mecánicos, menor será el valor de la rugosidad superficial de las piezas mecánicas; sin embargo, no existe un vínculo funcional permanente entre ellas en circunstancias normales.
La Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) son las dos organizaciones de normalización internacionales más comunes que determinan las tolerancias de mecanizado CNC. Un acabado de mecanizado CNC "tal como se mecaniza" común es suave al tacto con una rugosidad promedio (Ra3.2). Si no están disponibles, se utiliza una tolerancia estándar de ± 0.005" (0.127 mm).
