estados superficiales

Tema 9

Estados Superficiales

9.1. INTRODUCCINEl aspecto o calidad superficial de una pieza depende del material empleado en su fabricacin y del proceso seguido para su terminacin. Obviamente la funcin a realizar por la pieza ser la que nos indique su grado de acabado superficial, que debe especificarse en el diseo previo si se cree necesario. Mediante las tolerancias dimensionales y geomtricas hemos asegurado gran parte del xito en cuanto a los objetivos para los que se construa el elemento. Sin embargo, este esfuerzo puede ser insuficiente si, por ejemplo, el acabado superficial de un rodamiento presenta una rugosidad o irregularidad excesiva, lo que produce un elevado rozamiento con la consiguiente disipacin de energa, calentamiento y, en definitiva, prdida de eficacia. De todas formas, es obligatorio observar que nicamente se darn indicaciones sobre rugosidad o acabado superficial cuando sea estrictamente necesario. Igualmente, si la prctica de taller garantiza un estado superficial aceptable tampoco ser necesario su indicacin en los dibujos. La norma encargada de recoger los smbolos e indicaciones relativas a los estados superficiales en los dibujos tcnicos es UNE 103783 (ISO 1302). La norma UNE 8230176 puede utilizarse como referencia para la consulta de los conceptos fundamentales de rugosidad superficial, as como para el estudio metodolgico de la medida cuantitativa de dicha rugosidad.

9.2. CONCEPTOS GENERALESCuando hablbamos sobre la imposibilidad material de obtener una forma o una dimensin perfecta, llegbamos a la conclusin de la necesidad de introducir tolerancias en el diseo que nos permitieran establecer los lmites de aceptacin o rechazo de una pieza fabricada. Pues bien, igual sucede con el mecanizado de superficies, pudiendo diferenciar dos tipos de irregularidades: a) Rugosidades. Provocadas por las huellas de las herramientas que fabricaron la pieza. b) Ondulaciones. Procedentes de holguras y desajustes en las mquinasherramienta que fabricaron la pieza. Obviamente lo normal es que coincidan ambos tipos de irregularidades, obteniendo perfiles como los mostrados en la figura 9.1. Desde otra perspectiva podemos clasificar las superficies de un elemento de acuerdo con su funcin (Figura 9.2): a) Superficie funcional. El trmino se refiere al tipo de superficies que presentan contacto directo y dinmico con otras, es decir, que van a experimentar movimientos relativos de rotacin o traslacin respecto a superficies de otro u otros elementos. Debido a su trabajo, necesitan de un acabado superficial muy fino para evitar prdidas importantes de energa y calentamiento por rozamiento. b) Superficie de apoyo. Son superficies que mantienen un contacto esttico, y por tanto sin rozamiento dinmico, con otras, por lo que no necesitarn un acabado demasiado fino.173

F. J. Aguilar, F. Agera, F. Carvajal

c) Superficie libre. Se refiere a aquellas superficies que no van a presentar contacto alguno con otras, por lo que podremos especificar un acabado basto, siempre que ste sea regular. En este caso priman generalmente condicionantes estticos a los meramente funcionales.

Figura 9.1.

Tipos de irregularidades superficiales.

Figura 9.2.

Clasificacin de superficies segn su funcin.

Algunos conceptos de inters para la comprensin de la consignacin de irregularidades en los dibujos tcnicos pueden ser: Superficie real. Superficie obtenida despus de la fabricacin de la pieza. Limita a sta y la separa del medio ambiente. Superficie geomtrica. Superficie perfecta definida por el diseador que no tiene en cuenta los errores de forma ni la rugosidad superficial.174

Fundamentos para el Diseo Grfico de Maquinaria e Industrias Agrarias

Superficie efectiva. Superficie aproximada a la superficie real a partir de mediciones instrumentales. La evaluacin de las irregularidades se ubica en el trabajo de taller, y ms concretamente en el departamento de verificacin y control de calidad. El diseador slo tiene que indicar en los planos las irregularidades extremas que podra soportar su diseo para que el fabricante trate de respetarlas. Perfil real. Curva obtenida como interseccin de la superficie real con un plano generalmente perpendicular a la misma. Perfil geomtrico. Interseccin de la superficie geomtrica con un plano generalmente perpendicular a la misma. Perfil efectivo. Interseccin de la superficie efectiva con un plano generalmente perpendicular a la misma. Sobre este perfil efectivo se realiza la evaluacin cuantitativa de la rugosidad superficial mediante equipos especficos como los rugosmetros, previamente eliminados los errores de forma y ondulaciones. Para ello es necesario seleccionar la denominada Longitud Bsica, o longitud del perfil efectivo utilizada para evaluar la rugosidad prescindiendo de estos errores (Figura 9.3). La rugosidad superficial se calcula como la media aritmtica de las desviaciones respecto a la llamada lnea media del perfil. Estas desviaciones, z1,...,zi,...,zj,...,zn, son las distancias de los distintos puntos medidos del perfil efectivo respecto a la lnea media. La lnea media se define como una lnea con idntica forma al perfil geomtrico que divide al perfil efectivo con la condicin de que la suma de cuadrados de las desviaciones sea mnima. De esta forma, seleccionada una longitud bsica, se determina la rugosidad (Ra) como la media aritmtica de las desviaciones expresadas en valor absoluto.

La rugosidad mxima representa la diferencia de cotas (z) mxima entre puntos del perfil efectivo.

Figura 9.3.

Conceptos generales sobre rugosidad superficial.175


9.3. SIMBOLOGA UTILIZADA PARA LA INDICACIN DE LOS ESTADOS SUPERFICIALES9.3.1. Smbolo bsico e indicacin de la rugosidad superficialLa indicacin bsica del estado superficial de una pieza se consigna mediante dos trazos desiguales inclinados unos 60 respecto a la lnea que representa la superficie. A partir de este smbolo base, y mediante la adicin de smbolos complementarios, se puede indicar si la conformacin de la superficie se va a realizar con o sin arranque de viruta (Figura 9.4).

Figura 9.4.

Smbolos bsicos de estados superficiales.

La fabricacin de piezas mediante arranque de viruta o material se consigue a partir del mecanizado de su superficie, lo que puede realizarse por varios procedimientos, entre ellos: A) Fresado. Arranque de viruta mediante la accin de una herramienta con dientes de filos cortantes, denominada fresa, que gira alrededor de su eje, pudiendo actual tangencial o frontalmente respecto a la superficie mecanizada (Figura 9.5). B) Torneado. Se denomina as al procedimiento de fabricacin para el que se emplea la mquinaherramienta considerada como fundamental, el torno. Con ella se pueden realizar mltiples operaciones, aunque la ms importante es el torneado o fabricacin de piezas de revolucin (Figura 9.6). C) Taladrado. Consiste en la perforacin de una pieza, parcial (taladro ciego) o totalmente (taladro pasante), mediante una herramienta llamada broca. La broca gira alrededor de su eje de revolucin a la vez que se desplaza en la direccin del mismo. D) Aserrado. Procedimiento de fabricacin que consta de una herramienta de acero denominada sierra, dotada de un movimiento alternativo longitudinal, con la cual se consigue cortar chapas y planchas. Tambin se puede realizar este tipo de cortes con un soplete oxiacetilnico.176


Figura 9.5.

Fresado tangencial y frontal. Fuente: Hidalgo de Caviedes, 1975.

Figura 9.6.

Esquema de un torno. Fuente: Hidalgo de Caviedes, 1975.

Por otra parte, los procedimientos de fabricacin sin arranque de viruta tienen la particularidad de que moldean o forjan el material sin arrancar parte del mismo. Entre estos procedimientos de fabricacin podemos destacar: A) Fundicin. Consiste en rellenar un molde o modelo negativo de la pieza a fabricar con metal fundido. Una vez enfriado el metal se procede al desmoldeo para obtener la pieza deseada. Segn el tipo de molde utilizado diferenciamos el moldeo en arena, moldeo en molde metlico o coquilla (fundicin mediante inyeccin de metal fundido a presiones de 2550 atmsferas), y moldeo a la cera o resina perdida. B) Forja. Consiste en la conformacin de la pieza mediante golpes o prensado, calentndola previamente para facilitar la operacin. Dentro de la forja podemos diferenciar: Forja manual o libre. Conformacin de la pieza a travs de mazo y yunque. Forja en estampa. Consiste en utilizar una prensa que consta de estampa y contraestampa. La estampa o matriz, que acta como yunque, contiene el vaciado correspondiente a la forma de la pieza, mientras la contraestampa o martillete, que acta como mazo, golpea la estampa, prensando el material previamente calentado para mejorar su fluidez, de forma que ste rellena el vaciado de la matriz.

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Figura 9.7.

Esquema de mquina laminadora. Fuente: Hidalgo de Caviedes, 1975.

C) Laminado. Se emplea en la obtencin de perfiles laminados de gran longitud en relacin a su seccin transversal. Por ejemplo, es muy utilizado en la fabricacin de perfiles resistentes de construcciones agroindustriales metlicas (perfiles IPN, UPN, etc.). La laminadora es una mquina que consta de dos rboles horizontales y paralelos en los que se acoplan sendos cilindros simtricos que dejan una zona libre con la forma requerida por el perfil. Generalmente el proceso precisa de varias pasadas por diferentes trenes de laminado, de forma que se logre una transicin gradual de la pieza en basto al perfil de diseo. D) Extrusionado. Operacin consistente en obligar a pasar por un orificio de forma predeterminada a un material o metal en estado fluido. La indicacin en los dibujos tcnicos de la rugosidad superficial de diseo se lleva a cabo mediante la asignacin del valor numrico de mxima rugosidad tolerada (Figura 9.8). Si no se disponen unidades se supone que dicho valor se expresa en micrmetros. En el caso de que deseemos especificar la mxima y mnima rugosidad permisibles, dispondremos los dos valores numricos correspondientes, situando a la rugosidad mxima sobre la mnima (Figura 9.8).

Figura 9.8.

Indicacin de la rugosidad en los dibujos tcnicos.

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La norma tambin permite, e incluso recomienda, la indicacin del valor de la rugosidad mediante la consignacin de su clase correspondiente, con lo que pueden evitarse errores de interpretacin de valores numricos (Tabla 9.1).Valor de la Rugosidad Ra micrmetros micropulgadas m in 50 2000 25 1000 12,5 500 6,3 250 3,2 125 1,6 63 0,8 32 0,4 16 0,2 8 0,1 4 0,05 2 0,025 1Tabla 9.1.

Clase de rugosidad N12 N11 N10 N9 N8 N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1

Clases de rugosidad.

9.3.2. Indicacin de caractersticas especialesEn algunas ocasiones es necesario especificar algunas caractersticas o exigencias adicionales para la ejecucin de una determinada superficie. Estas caractersticas deben consignarse sobre un trazo horizontal dispuesto a partir del trazo ms largo del smbolo bsico (Figura 9.9, a).

Figura 9.9.

Indicacin de caractersticas superficiales especiales en los dibujos tcnicos.

Tambin podemos indicar un tratamiento superficial en una zona determinada mediante una lnea gruesa trazopunto. Si fuera necesario realizar un mecanizado mediante arranque de viruta para despus aplicar un revestimiento superficial de niquelado, se especificara tal y como aparece en la figura 9.9 (b). De una forma muy breve, pues no es el objetivo de este libro, podemos definir algunos procesos de fabricacin especiales, tratamientos trmicos y recubrimientos que pueden indicarse segn la figura 9.9 (a).

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a) Procesos de fabricacin o acabado superficial especiales. Rectificado. Operacin cuyo objetivo es conseguir un excelente acabado superficial. Aunque puede realizarse con fresa o torno, el mejor grado de calidad se consigue con la herramienta denominada muela, constituida por granos de material abrasivo cementados con una substancia cermica. Bruido. Su objeto es obtener una superficie con una rugosidad muy pequea. Generalmente se emplea en el acabado de piezas de precisin, realizando el afinado mediante una muela recubierta de piel. Rasqueteado. Es una operacin realizada de forma manual con una herramienta llamada rasquete, que sirve para alisar y mejorar la calidad de dos superficies funcionales que van a estar en contacto. Moleteado. Operacin consistente en tallar sobre una parte de una pieza una serie de estras que la hacen ms rugosa. Se usa para asegurar el agarre del mango o empuadura de una pieza o herramienta. El moleteado se consigue con una herramienta denominada moleta, de material ms duro que la pieza a grabar, que se presiona sobre la zona a moletear. La forma del moleteado puede ser recta (paralela a las generatrices del cilindro; figura 9.10), oblicua (lneas helicoidales) o cruzada (lneas helicoidales de paso contrario; figura 9.10). Limado. Rebaje de una superficie practicado con una herramienta llamada lima. Escariado. Operacin realizada con un escariador cuyo objetivo es la mejora de la calidad superficial de taladros cilndricos. b) Tratamientos trmicos. Son operaciones de acabado superficial cuyo objetivo primordial es generalmente aumentar la dureza del material y resistencia al desgaste, facilitar su mecanizado y/o conferirle algunas propiedades especficas. Templado. Fuerte calentamiento de una pieza de acero, seguido de un enfriamiento. La temperatura alcanzada y la rapidez del enfriamiento dependen de la calidad del acero y de la dureza perseguida. Revenido. Tratamiento trmico posterior al templado que intenta limitar la presencia de grietas debidas al enfriamiento rpido. Suele dar una mayor tenacidad al acero. Las operaciones de templado y revenido son prctica habitual en la fabricacin de herramientas de acero. Recocido. Consiste en elevar la temperatura del hierro o del acero para continuar con un enfriamiento lento. Facilita el posterior mecanizado de la pieza. Cementado. Operacin compleja basada en un tratamiento trmico del hierro o del acero para aadirle alguna substancia que mejore bsicamente su dureza. Un ejemplo podra ser la aplicacin de un cemento carburante.

Figura 9.10.

Aplicacin de moleteados cruzados y rectos. Fuente: Hidalgo de Caviedes, 1975.

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c) Recubrimientos o revestimientos. Se emplean para proteger al material de la pieza de agentes externos agresivos, mejorando su resistencia al desgaste y corrosin. Tambin pueden tener como objetivo la capacitacin de la pieza para ciertas funciones especficas, por ejemplo la de aislamiento elctrico. Segn el material con el que se recubra la superficie podemos hablar de niquelado (Ni), cromado (Cr), estaado (Sn), etc. En estos casos la operacin de revestimiento consiste en un galvanizado mediante bao electroltico. El esmaltado, cuyo objetivo fundamental es la proteccin y mejora de la esttica de una pieza, se consigue mediante la aplicacin de una capa de esmalte y su posterior vitrificacin en horno. Otras indicaciones especiales en cuanto a los estados superficiales pueden ser las siguientes: Indicacin de la longitud bsica. Dicha longitud ser seleccionada sobre la serie dada por la norma UNE 82301 (ISO/R 468). Indicacin de sobremedida para mecanizado. Las unidades en las que viene dada esta sobremedida sern las mismas que las usadas en la acotacin, normalmente milmetros. Direccin de las estras de mecanizado sobre la superficie. Si fuera necesario indicar la direccin de las estras originadas por el mecanizado, dada por la direccin predominante de las irregularidades superficiales, se especificarn los smbolos que se muestran en la figura 9.11. En la figura 9.12 puede observarse la disposicin de todas las indicaciones sobre estados superficiales en relacin con el smbolo bsico.

Figura 9.11.

Smbolos para la especificacin de la direccin de las estras de mecanizado.

La interpretacin de cada uno de los smbolos indicativos de la direccin de las estras es la siguiente: a) Estras paralelas al plano de proyeccin de la vista sobre la que se aplica el smbolo. b) Estras perpendiculares al plano de proyeccin de la vista sobre la que se aplica el smbolo. c) Estras cruzadas segn dos direcciones oblicuas en relacin al plano de proyeccin de la vista sobre la que se aplica el smbolo. d) Estras multidireccionales. e) Estras concntricas respecto al centro de la superficie mecanizada. f) Estras con forma radial respecto al centro de la superficie mecanizada.181


Figura 9.12.

Indicacin de las caractersticas especiales de estados superficiales.

9.4. INDICACIN DE LOS ESTADOS SUPERFICIALES EN LOS DIBUJOSLos smbolos comentados en los apartados anteriores deben colocarse sobre las superficies a las que se refieren o en su prolongacin. Segn la norma UNE 103194, el smbolo y las inscripciones deben disponerse de forma que puedan ser ledas desde la base o desde la derecha del dibujo (Figura 9.13). Si fuera complicado aplicar esta regla general, y siempre que el smbolo no contenga caractersticas especiales del estado de la superficie, podr emplearse cualquier orientacin, excepto la indicacin de rugosidad, que debe mantener la posicin especificada por la norma. Tambin es posible unir el smbolo a la superficie que define mediante una directriz que parta de la base (Figura 9.13). Siguiendo los principios generales de acotacin, los smbolos deben representarse una sola vez por cada superficie, siendo preferible hacerlo sobre la vista donde se disponga la cota de sta (Figura 9.14). Si el acabado superficial fuera idntico para todas las superficies que conforman la pieza, se colocar el smbolo indicativo cerca del cajetn, seguido de la anotacin: En todas las superficies. Otra alternativa sera colocar el smbolo al lado del nmero o marca de la pieza, en un dibujo de conjunto. Tambin puede ocurrir que la mayora de las superficies llevan el mismo acabado, excepto algunas muy concretas. Esto puede resolverse anotando cerca del cajetn el smbolo identificativo del acabado ms general, seguido de la anotacin: En todas las superficies salvo indicacin particular. Es decir, en todas las superficies sin indicacin particular de estado superficial se entender vigente el smbolo general. Algunas simplificaciones muy tiles son las siguientes: Puede realizarse una indicacin simplificada sobre la superficie, por ejemplo con letras de referencia, siempre que su sentido sea explicado claramente en el dibujo (cuadro de rotulacin, sitio previsto para notas generales, etc., Figura 9.15). Igualmente, podemos utilizar una notacin simplificada, explicando su significado o correspondencia con los smbolos normalizados (Figura 9.15).

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Figura 9.13.

Orientacin de los smbolos de estados superficiales.

Figura 9.14.

Situacin de los smbolos en las vistas.

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Figura 9.15.

Simplificacin en la indicacin de estados superficiales.

Por ltimo, en la tabla 9.2 aparecen algunas de las aplicaciones ms ususales de los estados superficiales, lo que puede servir al lector como orientacin de diseo en funcin de los objetivos buscados.

Clase de Ra Sin sobremedida para mecanizado y sin arranque de viruta N12 N11 Con sobremedida para mecanizado y arranque de viruta N10 N9

Estado superficial Basto, sin eliminacin de rebabas Basto, aunque sin rebabas Desbastado Marcas apreciables al tacto y visibles Marcas ligeramente perceptibles al tacto, aunque visibles Acabado muy fino Marcas no visibles ni perceptibles al tacto Acabado finsimo, especular Marcas totalmente invisibles

Procedimiento de fabricacin Forja Fundicin Corte con soplete Forja, fundicin y oxicorte de calidad Lima Torno Fresadora Lima, torno o fresadora con mayor precisin Preparacin previa en torno o fresadora para acabar con rasqueteado, escariado, etc. Acabado final mediante lapeado (acabado con abrasivo), bruido o rectificado de calidad

Aplicaciones Bastidores de mquinas agrcolas (cultivadores, gradas, etc.) Maquinaria agrcola en general Agujeros, avellanados, superficies no funcionales, ajustes fijos Ajustes duros Caras de piezas para referencia o apoyo Ajustes deslizantes Correderas Aparataje de medida y control Calibres y piezas especiales de precisin

N8 N7 N6 N5

N4 N3 N2 N1

Tabla 9.2.

Aplicaciones generales de los estados superficiales.

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