Índice. TEMA 10. Determinación de los defectos de forma. 1. Concepto de defecto de forma. 2. Tipos de defectos de forma.

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y Metrotecnia LMM-ETSII-UPM

2 TEMA 10. Determinación de los defectos de forma Índice 1. Concepto de defecto de forma. 2. Tipos de defectos de forma. 3. Defectos de forma macrogeométricos. 4. Patrones materializados de los defectos de forma macrogeométricos.

3 Clasificación de Metrología Dimensional Atendiendo al tipo de mediciones a realizar o de defectos a evaluar: Microgeometría Acabado superficial Nanometrología Macrogeometría Dimensiones Longitud Ángulos Formas Rectitud, Planitud y Paralelismo Redondez y Cilindricidad Simetría y Concentricidad

4 Concepto de defecto de forma La utilidad de una pieza para un propósito determinado va a depender: Propiedades internas Composición Propiedades del material del que esté compuesta Características de su superficie Propiedades físicas y químicas del material Dureza Elasticidad Resistencia a la corrosión, etc. Propiedades geométricas de la pieza

5 Concepto de defecto de forma Las propiedades geométricas: Desviaciones a la geometría ideal de la pieza, con unos valores nominales que se ajustan a unas formas determinadas: Esferas Cilindros Rectas Planos, etc. Estas desviaciones se pueden clasificar de la siguiente forma: Desviaciones de tamaño Desviaciones de forma Desviaciones de orientación Ondulación Rugosidad

6 Concepto de defecto de forma Desviaciones de tamaño: diferencia entre el tamaño real y el nominal. Desviaciones de forma: desviación entre la forma real y el elemento geométrico ideal. En general las desviaciones de forma cumplen con una proporción entre espaciado y amplitud mayor de 1000:1 Desviaciones de orientación: desviación a la orientación nominal. La orientación está relacionada con un elemento de referencia, por ejemplo un eje. Este tipo de desviaciones incluyen los defectos de forma. Ondulación: irregularidades periódicas con una proporción de espaciadoprofundidad de entre 1000:1 y 100:1 Rugosidad: La rugosidad comprende irregularidades periódicas y no periódicas con una proporción espaciado-profundidad de entre 150:1 y 5:1.

7 Concepto de defecto de forma

8 Concepto de defecto de forma Debido a la imposibilidad de fabricar piezas perfectas sin desviaciones a sus valores nominales, los diseños de fabricación deben acompañarse de las tolerancias: Tamaño Forma Ondulación Rugosidad

9 Concepto de defecto de forma Tolerancia vs Inceridumbre LIE Zona de conformidad (TOLERANCIA) LSE Fuera de especificación Sentido creciente de U Dentro de especificación T Fuera de especificación Y Zona de no conformidad -U +U T-2U -U +U Zona de incertidumbre Zona de conformidad LIE: Límite inferior de especificación LSE: Límite superior de especificación Zona de incertidumbre Zona de no conformidad

10 Concepto de defecto de forma Consideraciones generales Se van a definir y estudiar los principales defectos de forma y de orientación, considerando estos últimos también como desviaciones de forma. De forma general, el defecto de forma se determinará: A partir de los valores obtenidos mediante palpado sobre la pieza a medir Usando las referencias matemáticas de cálculo adecuadas (ajuste por mínimos cuadrados, etc.)

11 Factores que causan los defectos de forma Posibles causas de los defectos de forma: La insuficiente precisión de las máquinas-herramienta utilizadas en su fabricación. Estado de conservación de las mismas en el momento de la mecanización de las piezas. Deformaciones elásticas de la pieza en su fijación a la máquina. Deformaciones debidas a la dilatación térmica, tanto de la pieza como de la máquina.

12 Tipos de defectos de forma A continuación se describen los defectos de forma más frecuentes que se suelen evaluar sobre una pieza en los laboratorios de calibración, que son: Defecto de REDONDEZ (R) Defecto de CILINDRICIDAD (C) Defecto de RECTITUD (S) Defecto de PARALELISMO (P) Defecto de PERPENDICULARIDAD (PL) Defecto de PLANITUD (PN)

13 Defecto de redondez, R El defecto de redondez (R): de una sección específica de una pieza se define como la diferencia entre los radios del círculo inscrito (CI) y del círculo circunscrito (CC) que contienen al perfil en estudio. Los centros de dichos círculos se determinan a partir de los puntos medidos en el perfil, obtenidos por ajuste por mínimos cuadrados. El valor de la redondez se determina a partir de las variaciones encontradas en la superficie de revolución de la pieza. El defecto de redondez se caracteriza por la distancia pico-valle entre el máximo y el mínimo de los valores encontrados, respecto a un eje de referencia.

14 Defecto de Cilindricidad, C El defecto de cilindricidad (C): se define como la diferencia entre los radios de dos cilindros coaxiales que contienen al perfil en estudio. Los cilindros son construidos a partir de la determinación del defecto de redondez en diferentes secciones. El eje de referencia necesario se calcula a partir de un ajuste por mínimos cuadros de los centros de los perfiles circulares medidos en las diferentes secciones.

15 Defecto de rectitud, S El defecto de rectitud (S): Se puede definir como la distancia entre dos rectas, paralelas a la recta de referencia, calculada mediante ajuste por mínimos cuadrados, y que incluyen el perfil en estudio.

16 Defecto de paralelismo, P El defecto de paralelismo (P): Se define como la inclinación de un perfil con respecto a otro que se ha tomado como referencia, calculado por mínimos cuadrados, y está en posición opuesta a éste.

17 Defecto de paralelismo, PL El defecto de perpendicuaridad (PL): se define como la inclinación de un perfil lineal con respecto a un plano de referencia, ambas figuras calculadas a partir de ajuste por mínimos cuadrados

18 Defecto de planitud, PN El defecto de planitud (PN): Análogamente al defecto de rectitud, el defecto de planitud se puede definir como la distancia entre dos planos, paralelos a un plano de referencia, calculado mediante ajuste por mínimos cuadrados, y que incluyen el perfil en estudio.

19 Patrones materializados de defectos de forma Los patrones empleados en las mediciones de defectos de forma son muy variados y generalmente son específicos para cada defecto. Pueden existir varios patrones para un mismo defecto. A continuación se muestran los principales patrones asociados a cada una de las desviaciones de forma.

20 Patrones de redondez Los elementos empleados como patrones de redondez son principalmente los hemisferios y las esferas patrón. También pueden utilizarse cilindros de perpendicularidad o diámetros, si los requerimientos metrológicos son inferiores.

21 Patrones de redondez: Hemisferios patrón Los hemisferios suelen estar fabricados enzerodur, un vidrio duro con excelentes propiedades físicas, con un acabado superficial de alta precisión. El defecto de redondez de estos patrones se encuentra en el rango nanométrico: 5-50 nm.

22 Patrones de redondez: Hemisferios patrón Las esferas patrón están fabricadas generalmente en materiales cerámicos con un acabado superficial de alta precisión. El defecto de redondez de estos patrones se encuentra en el rango nanométrico: nm.

23 Cilindros de perpendicularidad Es un cilindro materializado en acero con un acabado de alta calidad tanto en sus superficies superior e inferior como en el cuerpo del cilindro. Es el patrón de defectos de forma más extendido en los laboratorios de calibración debido a su gran versatilidad: Defecto de perpendicularidad Defecto de cilindricidad Defecto de rectitud Defecto de paralelismo

24 Patrones de rectitud y paralelismo Patrones de rectitud: Se trata de paralelepípedos de altura variable y construidos en acero o materiales cerámicos, con un acabado superficial de alta calidad en al menos dos de sus caras laterales: Cilindro de perpendicularidad: Al igual que para el defecto de cilindricidad, para la medición de los defectos de rectitud y paralelismo se pueden emplear como referencia distintas generatrices pertenecientes a un cilindro de perpendicularidad.

25 Patrones de perpendicularidad Los patrones más empleados para materializar el defecto de perpendicularidad son los cilindros y las escuadras de perpendicularidad, generalmente construidas en granito. Escuadras de perpendicularidad: se mide el ángulo que forman entre sí una o más líneas incluidas en caras nominalmente perpendiculares. Cilindros de perpendicularidad: En los cilindros se determina el ángulo formado entre las superficies superior y/o inferior y un grupo de generatrices medidas en distintas posiciones angulares a lo largo de la superficie lateral.

26 Patrones de Planitud Los patrones empleados principalmente para materializar el defecto de planitud son los vidrios planos y las mesas de planitud. Los primeros están construidos en vidrio y su defecto de planitud está en el rango nanométrico. Las mesas de planitud son materializadas en granito y su defecto de planitud están en el rango micrométrico.

27 Equipos de medida de los defectos de forma (1) Máquina medidora de formas, (2) Máquina de medir por coordenadas, (3) Máquina de una coordenada vertical.

28 Ejemplos de medidas del defecto de rectitud Dependiendo del campo de medida y de la precisión requerida puede utilizarse desde una máquina de medir por coordenadas hasta un haz láser. MMC: Campos de medida reducidos, e incertidumbres entre 0,5 µm y varios micrómetros. Haz láser: Podemos estar hablando de varios metros (hasta 40 m). La determinación de rectitud en campos pequeños: Sistemas interferométricos láser o de palpadores inductivos Resoluciones de hasta 10 nm, e incertidumbres del orden de 0,1 µm Mediante sistemas ópticos: láser o de palpadores inductivos Autocolimadores enfocados a un espejo móvil. Mediante niveles electrónicos.

29 Ejemplos de medidas del defecto de rectitud

30 Ejemplos de medidas del defecto de planitud La planitud constituye uno de los defectos importantes, cuya valoración es requerida en aplicaciones variadas. Vimos en el tema dedicado a los patrones materializados cómo las caras de medida de los bloques longitudinales deben cumplir determinadas tolerancias de planitud. Lo mismo puede decirse de las caras de medida de los bloques angulares o de los polígonos ópticos.

31 Ejemplos de medidas del defecto de planitud La determinación del defecto de planitud en este y en otros tipos similares de patrones se realiza habitualmente mediante métodos ópticos y técnicas interferométricas. En las técnicas interferométricas, se analizan las franjas de interferencia estáticas (en interferómetros) tras obtener un patrón de franjas: Mediante recombinación de la luz reflejada en una superficie tomada como referencia Y la reflejada en la superficie cuyo análisis estamos realizando.

32 Ejemplos de medidas del defecto de planitud Muchas mediciones realizadas en la pequeña y mediana industria toman como referencia de cotas la superficie aproximadamente horizontal de un mármol de planitud.