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INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍAINTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍACurso Académico 2011Curso Académico 2011--1212Curso Académico 2011Curso Académico 2011--1212

Rafael Muñoz BuenoRafael Muñoz BuenoLaboratorio de Metrología y MetrotecniaLaboratorio de Metrología y Metrotecnia

LMMLMM--ETSIIETSII--UPMUPM

TEMA 10. Determinación de los defectos de forma

1. Concepto de defecto de forma.

Índice

Curso Académico 11-12Introducción a la Metrología

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.

Clasificación de Metrología DimensionalAtendiendo al tipo de mediciones a realizar o de defectos a evaluar:

Microgeometría

Acabado superficial

Macrogeometría

Dimensiones

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Nanometrología

Acabado superficialLongitud

Ángulos

Rectitud, Planitud y Paralelismo

Redondez y Cilindricidad

Formas

Simetría y Concentricidad

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

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� 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

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

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� Rectas

� Planos, etc.

Estas desviaciones se pueden clasificar de la siguiente forma:

� Desviaciones de tamaño

� Desviaciones de forma

� Desviaciones de orientación

� Ondulación

� Rugosidad

� Desviaciones de tamaño: diferencia entre el tamaño real y el nominal.

� Desviaciones de forma: desviación entre la forma real y el elementogeométrico ideal. En general las desviaciones de forma cumplen con unaproporción entre espaciado y amplitud mayor de 1000:1

Concepto de defecto de forma

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� Desviaciones de orientación: desviación a la orientación nominal. Laorientación está relacionada con un elemento de referencia, por ejemplo uneje. Este tipo de desviaciones incluyen los defectos de forma.

� Ondulación: irregularidades periódicas con una proporción de espaciado-profundidad de entre 1000:1 y 100:1

� Rugosidad: La rugosidad comprende irregularidades periódicas y noperiódicas con una proporción espaciado-profundidad de entre 150:1 y 5:1.

Concepto de defecto de forma

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Debido a la imposibilidad de fabricar piezas perfectas sindesviaciones a sus valores nominales, los diseños de fabricacióndeben acompañarse de las tolerancias:

� Tamaño

Concepto de defecto de forma

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� Tamaño

� Forma

� Ondulación

� Rugosidad

LIE LSE

Dentro de especificación

Zona de conformidad (TOLERANCIA)

Fuera de especificaciónFuera de especificación

Concepto de defecto de forma

Tolerancia vs Inceridumbre

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LIE: Límite inferior de especificaciónLSE: Límite superior de especificación

Zona de incertidumbre

Zona de incertidumbre

Zona de conformidad

Sentido creciente

de U

Zona de no

conformidad

Zona de no

conformidad

Y

+U-U +U-U

T

T-2U

Se van a definir y estudiar los principales defectos de forma y deorientación, considerando estos últimos también como desviaciones deforma.

Concepto de defecto de forma

Consideraciones generales

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forma.

De forma general, el defecto de forma se determinará:

• A partir de los valores obtenidos mediante palpado sobre la piezaa medir

• Usando las referencias matemáticas de cálculo adecuadas (ajustepor mínimos cuadrados, etc.)

Posibles causas de los defectos de forma:

� La insuficiente precisión de las máquinas-herramientautilizadas en su fabricación.

Factores que causan los defectos de forma

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� Estado de conservación de las mismas en el momentode la mecanización de las piezas.

� Deformaciones elásticas de la pieza en su fijación a lamáquina.

� Deformaciones debidas a la dilatación térmica, tanto dela pieza como de la máquina.

A continuación se describen los defectos de forma más frecuentesque se suelen evaluar sobre una pieza en los laboratorios de calibración,que son:

� Defecto de REDONDEZ (R)

Tipos de defectos de forma

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� Defecto de CILINDRICIDAD (C)

� Defecto de RECTITUD (S)

� Defecto de PARALELISMO (P)

� Defecto de PERPENDICULARIDAD (PL)

� Defecto de PLANITUD (PN)

El defecto de redondez (R): de una sección específica de una piezase define como la diferencia entre los radios del círculo inscrito (CI) ydel círculo circunscrito (CC) que contienen al perfil en estudio.

Defecto de redondez, R

Los centros de dichos círculos se determinan apartir de los puntos medidos en el perfil,

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partir de los puntos medidos en el perfil,obtenidos por ajuste por mínimos cuadrados.

El valor de la redondez se determina a partirde las variaciones encontradas en la superficiede revolución de la pieza.

El defecto de redondez se caracteriza por ladistancia pico-valle entre el máximo y elmínimo de los valores encontrados, respecto aun eje de referencia.

El defecto de cilindricidad (C): se define como la diferencia entre losradios de dos cilindros coaxiales que contienen al perfil en estudio.

Defecto de Cilindricidad, C

Los cilindros son construidos a partir de ladeterminación del defecto de redondez endiferentes secciones.

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diferentes secciones.

El eje de referencia necesario se calcula apartir de un ajuste por mínimos cuadrosde los centros de los perfiles circularesmedidos en las diferentes secciones.

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

Defecto de rectitud, S

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

Defecto de paralelismo, P

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El defecto de perpendicuaridad (PL):se define como la inclinación de un perfillineal con respecto a un plano de

Defecto de paralelismo, PL

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lineal con respecto a un plano dereferencia, ambas figuras calculadas apartir de ajuste por mínimos cuadrados

Defecto de planitud, PN

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

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Patrones materializados de defectos de forma

Los patrones empleados en las mediciones dedefectos de forma son muy variados y generalmenteson específicos para cada defecto.

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Pueden existir varios patrones para un mismodefecto.

A continuación se muestran los principales patronesasociados a cada una de las desviaciones de forma.

Patrones de redondez

Los elementos empleados como patrones de redondez sonprincipalmente los hemisferios y las esferas patrón.

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También pueden utilizarse cilindros de perpendicularidad odiámetros, si los requerimientos metrológicos son inferiores.

Patrones de redondez: Hemisferios patrón

Los hemisferios suelen estarfabricados en Zerodur™, un vidrioduro con excelentes propiedades

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duro con excelentes propiedadesfísicas, con un acabadosuperficial de alta precisión.

El defecto de redondez de estospatrones se encuentra en el rangonanométrico: 5-50 nm.

Patrones de redondez: Hemisferios patrón

Las esferas patrón estánfabricadas generalmente enmateriales cerámicos con un

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materiales cerámicos con unacabado superficial de altaprecisión.

El defecto de redondez de estospatrones se encuentra en el rangonanométrico: 20-100 nm.

Cilindros de perpendicularidad

Es un cilindro materializado en acero con un acabado de altacalidad tanto en sus superficies superior e inferior como en elcuerpo del cilindro.

Es el patrón de defectos de formamás extendido en los laboratorios de

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más extendido en los laboratorios decalibración debido a su granversatilidad:

� Defecto de perpendicularidad

� Defecto de cilindricidad

� Defecto de rectitud

� Defecto de paralelismo

Patrones de rectitud: Se trata de paralelepípedos de altura variable yconstruidos en acero o materiales cerámicos, con un acabado superficial dealta calidad en al menos dos de sus caras laterales:

Patrones de rectitud y paralelismo

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Cilindro de perpendicularidad: Al igual que para el defecto decilindricidad, para la medición de los defectos de rectitud y paralelismo sepueden emplear como referencia distintas generatrices pertenecientes a uncilindro de perpendicularidad.

Los patrones más empleados para materializar el defecto deperpendicularidad son los cilindros y las escuadras de perpendicularidad,generalmente construidas en granito.

Patrones de perpendicularidad

Escuadras de perpendicularidad: semide el ángulo que forman entre sí una o

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mide el ángulo que forman entre sí una omás líneas incluidas en carasnominalmente perpendiculares.

Cilindros de perpendicularidad: En loscilindros se determina el ángulo formadoentre las superficies superior y/o inferior yun grupo de generatrices medidas endistintas posiciones angulares a lo largode la superficie lateral.

Los patrones empleados principalmente para materializar el defecto deplanitud son los vidrios planos y las mesas de planitud.

Los primeros están construidos en vidrio y su defecto de planitud está en elrango nanométrico. Las mesas de planitud son materializadas en granito ysu defecto de planitud están en el rango micrométrico.

Patrones de Planitud

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su defecto de planitud están en el rango micrométrico.

Equipos de medida de los defectos de forma

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(1)Máquina medidora de formas, (2)Máquina de medir por coordenadas, (3)Máquina de unacoordenada vertical.

Ejemplos de medidas del defecto de rectitud

Dependiendo del campo de medida y de la precisión requerida puedeutilizarse desde una máquina de medir por coordenadas hasta un haz láser.

MMC: Campos de medida reducidos, e incertidumbres entre 0,5 µm y variosmicrómetros.

Haz láser: Podemos estar hablando de varios metros (hasta 40 m).

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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.

Ejemplos de medidas del defecto de rectitud

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Ejemplos de medidas del defecto de planitud

La planitud constituye uno de los defectos importantes, cuyavaloración es requerida en aplicaciones variadas.

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Vimos en el tema dedicado a los patrones materializados cómolas caras de medida de los bloques longitudinales debencumplir determinadas tolerancias de planitud.

Lo mismo puede decirse de las caras de medida de losbloques angulares o de los polígonos ópticos.

Ejemplos de medidas del defecto de planitud

La determinación del defecto de planitud en este y en otros tipos similares depatrones se realiza habitualmente mediante métodos ópticos y técnicasinterferométricas.

En las técnicas interferométricas, se analizan las franjas de interferenciaestáticas (en interferómetros) tras obtener un patrón de franjas:

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estáticas (en interferómetros) tras obtener un patrón de franjas:

� Mediante recombinación de la luzreflejada en una superficie tomadacomo referencia

� Y la reflejada en la superficie cuyoanálisis estamos realizando.

Ejemplos de medidas del defecto de planitud

Muchas mediciones realizadas en la pequeña y mediana industria tomancomo referencia de cotas la superficie aproximadamente horizontal deun mármol de planitud.

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