DIMENSIONES, TOLERANCIAS Y SUPERFICIES

demás de las propiedades mecánicas y físicas de los materiales, otros factores que de terminan el rendimiento de un producto manufacturado incluyen las dimensiones y superficies de sus componentes. Las dimensiones son los tamaños lineales o angulares de un componente, especificadas en el plano de la pieza. Las dimensiones son importantes porque determinan lo bien que se ajustan los componentes de un producto durante su ensamble. Al fabricar un componente dado, es casi imposible y muy costoso dar al elemento la dimensión nominal que se establece en el plano. En vez de ello, se permite una variación limitada de la dimensión, y la que es permisible se denomina tolerancia. 

Las superficies de un componente también son importantes. Afectan el desempeño del producto, el ajuste del ensamble, y la percepción estética que un consumidor potencial podría tener del producto. Una superficie es el límite exterior de un objeto con su ambiente, que puede ser otro objeto, un fluido, el espacio, o una combinación de éstos. La superficie encierra el conjunto de propiedades mecánicas y físicas.

DIMENSIONES, TOLERANCIAS Y ATRIBUTOS RELACIONADOS 

En esta sección se definen los parámetros básicos que usan los ingenieros de diseño para especificar las dimensiones de las características geométricas en el plano de una pieza. Los parámetros incluyen dimensiones y tolerancias, planicidad, redondez y angularidad.

Dimensiones y tolerancias 

La ANSI [3] define dimensión como el “valor numérico expresado en las unidades apropiadas de medida, que se indica en un plano y otros documentos junto con líneas, símbolos y notas para definir el tamaño o característica geométrica, o ambas, de una pieza o característica de una pieza”. Las dimensiones de una pieza en un plano o dibujo representan los tamaños nominales o básicos de la pieza y sus características. Éstos son los valores que el diseñador querría que la pieza tuviera, si pudiera fabricarse con un tamaño exacto, sin errores ni variaciones en el proceso de fabricación. Sin embargo, en el proceso de manufactura hay variaciones que se manifiestan como variaciones en el tamaño de la pieza. Las tolerancias se utilizan para definir los límites de la variación permitida. Al citar otra vez el estándar de ANSI [3], tolerancia es “la cantidad total que está permitido que una dimensión específica varíe. La tolerancia es la diferencia entre los límites máximo y mínimo”. 

Las tolerancias se especifican de modos diversos, que se ilustran en la figura 5.1. Es probable que la más común sea la tolerancia bilateral, en la que se permite que la variación sea en las direcciones positiva y negativa a partir de la dimensión nominal. Por ejemplo, en la figura 5.1a), la dimensión nominal es de 2.500 unidades lineales (por ejemplo, mm, in), con una variación permisible de 0.005 unidades en cualquier dirección. Las piezas que estén fuera de esos límites son inaceptables. Es posible que una tolerancia bilateral esté desbalanceada; por ejemplo, 2.500 + 0.010, –0.005 unidades dimensionales. Una tolerancia unilateral es aquella en la que la variación a partir de la dimensión especificada sólo se permite en una dirección, positiva o negativa, véase la figura 5.1b). Las dimensiones límite son un método alternativo de especificar la variación permisible en el tamaño de un elemento de una pieza; consisten en las dimensiones máxima y mínima permitidas, como se aprecia en la figura 5.1c).

Otros atributos geométricos 

Las dimensiones y tolerancias normalmente se expresan como valores lineales (longitud). Hay otros atributos geométricos de las piezas que también son importantes, tales como la planicidad de una superficie, la redondez de una flecha o agujero, el paralelismo entre dos superficies, etcétera. Las definiciones de estos términos se enlistan en la tabla 5.1.

SUPERFICIES 

Una superficie es aquello que tiene contacto como un barreno que al sujetarse con un objeto tal como una pieza manufacturada. El diseñador especifica las dimensiones de la pieza, relacionando las distintas superficies una con la otra. Estas superficies nominales representan el contorno relacionado con la superficie de la pieza, y están definidas por las líneas en el plano de ingeniería. Las superficies nominales aparecen como líneas absolutamente rectas, círculos ideales, agujeros redondos, y otras aristas y superficies que son perfectas en su geometría. 

Las superficies reales de una pieza manufacturada están determinadas por el proceso utilizado para fabricarla. La variedad de procesos disponibles en la manufactura da como resultado variaciones amplias de las características de la superficie, y es importante para los ingenieros entender la tecnología de las superficies. Las superficies tienen importancia tecnológica y comercial por varias razones, diferentes para distintas aplicaciones de los productos: 1) razones estéticas, las superficies que son tersas y sin marcas y manchas es más probable que causen una impresión favorable en el consumidor. 2) Las superficies afectan la seguridad. 3) La fricción y el uso dependen de las características de las superficies. 4) Las superficies afectan las propiedades mecánicas y físicas; por ejemplo, los defectos de las superficies pueden ser puntos de concentración de esfuerzos. 5) El ensamblaje de las piezas se ve afectado por sus superficies; por ejemplo, la resistencia de las juntas unidas con adhesivos (véase la sección 32.3) se incrementa si las superficies tienen poca rugosidad. 6) Las superficies suaves constituyen contactos eléctricos mejores. 

La tecnología de superficies tiene que ver con 1) la definición de las características de una superficie, 2) la textura de la superficie, 3) la integridad de la superficie, y 4) la relación entre los procesos de manufactura y las características de la superficie resultante. Los tres primeros temas se cubren en esta sección; el tema final se presenta en la sección 5.3.

Características de las superficies 

Una vista microscópica de la superficie de una pieza revela sus irregularidades e imperfecciones. Los rasgos de una superficie común se ilustran en la sección transversal magnificada de la superficie de una pieza metálica, que se presenta en la figura 5.2. Aunque aquí el análisis se concentra en las superficies metálicas, los comentarios vertidos aquí se aplican a las cerámicas y polímeros, con modificaciones debidas a las diferencias en la estructura de estos materiales. El cuerpo de la pieza, conocida como sustrato, tiene una estructura granular que depende del procesamiento previo del metal; por ejemplo, la estructura del sustrato del metal se ve afectada por su composición química, el proceso de fundición que se usó originalmente para el metal, y cualesquiera operaciones de deformación y tratamientos térmicos llevados a cabo sobre el material de fundición.

El exterior de la pieza es una superficie cuya topografía es todo menos recta y tersa. En la sección transversal magnificada, la superficie tiene rugosidad, ondulaciones y defectos. Aunque aquí no se observan, también tiene un patrón o dirección que resulta del proceso mecánico que la produjo. Todos estos rasgos geométricos quedan incluidos en el término textura de la superficie. 

Justo por debajo de la superficie se encuentra una capa de metal cuya estructura difiere de la del sustrato. Se denomina capa alterada, y es una manifestación de las acciones que se mencionaron al hablar de la superficie, durante la creación de ésta y etapas posteriores. Los procesos de manufactura involucran energía, por lo general en cantidades importantes, que opera sobre la pieza, contra su superficie. La capa alterada puede resultar del endurecimiento por trabajo (energía mecánica), calor (energía térmica), tratamiento químico, o incluso energía eléctrica. El metal de esta capa resulta afectado por la aplicación de energía, y su microestructura se altera en consecuencia. Esta capa alterada cae dentro del alcance de la integridad de la superficie, que tiene que ver con la definición, la especificación y el control de las capas de la superficie de un material (metales, los más comunes), en la manufactura y el desempeño posterior en el uso. El alcance de la integridad de la superficie por lo general se interpreta para incluir la textura de la superficie, así como la capa alterada ubicada bajo ella.

Además, la mayoría de las superficies metálicas están cubiertas por una capa de óxido, si se da el tiempo suficiente para que se forme después del procesamiento. El aluminio forma en su superficie una capa delgada, densa y dura de Al2 O3 (que sirve para proteger al sustrato de la corrosión), y el fierro forma óxidos de varias composiciones químicas sobre su superficie (el óxido, que virtualmente no da ninguna protección). También es probable que en la superficie de la pieza haya humedad, mugre, aceite, gases adsorbidos, y otros contaminantes.

Textura de las superficies 

La textura de la superficie consiste en las desviaciones repetitivas o aleatorias de la super ficie nominal de un objeto; la definen cuatro características: rugosidad, ondulación, orientación y defectos o fallas, como se observa en la figura 5.3. La rugosidad se refiere a las desviaciones pequeñas, espaciadas finamente, de la superficie nominal y que están determinadas por las características del material y el proceso que formó la superficie. La ondulación se define como las desviaciones de espaciamiento mucho mayor; ocurren debido a la deflexión del trabajo, vibraciones, tratamiento térmicas, y factores similares. La rugosidad está sobreimpuesta a la ondulación. La orientación es la dirección predominante o patrón de la textura de la superficie. Está determinada por el método de manufactura utilizado para crear a la superficie, por lo general a partir de la acción de una herramienta de corte. En la figura 5.4 se ilustran la mayoría de las orientaciones posibles que puede haber en una superficie, junto con el símbolo que utiliza el diseñador para especificarlas. Por último, los defectos son irregularidades que ocurren en forma ocasional en la superficie; incluyen grietas, rayaduras, inclusiones y otros defectos similares. Aunque algunos de los defectos se relacionan con la textura de la superficie también afectan su integridad (véase la sección 5.2.3).

Rugosidad de la superficie y acabado de la superficie La rugosidad de una superficie es una característica mensurable, con base en las desviaciones de la rugosidad según se definió antes. El acabado de la superficie es un término más subjetivo que denota la suavidad y calidad general de una superficie. En el habla popular, es frecuente utilizar el acabado superficial o de la superficie como sinónimo de su rugosidad. 

La medida que se emplea más comúnmente para la textura de una superficie, es su rugosidad. Respecto a la figura 5.5, la rugosidad de la superficie se define como el promedio de las desviaciones verticales a partir de la superficie nominal, en una longitud especificada de la superficie. Por lo general se utiliza un promedio aritmético (AA), con base en los valores absolutos de las desviaciones, y este valor de la rugosidad se conoce con el nombre de rugosidad promedio. En forma de ecuación es

donde Ra = media aritmética de la rugosidad, m (in); y es la desviación vertical a partir de la superficie nominal (convertida a valor absoluto), m (in); y Lm es la distancia especificada en la que se miden las desviaciones de la superficie. Quizá sea más fácil de entender una aproximación de la ecuación (5.1), dada por

donde Ra tiene el mismo significado que antes; yi son las desviaciones verticales convertidas a valor absoluto e identificadas por el subíndice i, m (in) y n es el número de desviaciones incluidas en Lm. Se ha dicho que las unidades en estas ecuaciones son m (in). En realidad, la escala de las desviaciones es muy pequeña, por lo que las unidades más apropiadas son µm (µm = m × 10–6 = mm × 10–3) o µ-in (µ-in = in × 10–6). Éstas son las unidades de uso más común para expresar la rugosidad de una superficie. 

Hoy día, el AA es el método de promedios que se emplea más para expresar la rugosidad de una superficie. Una alternativa, que en ocasiones se utiliza en Estados Unidos, es el promedio según la raíz media cuadrática (RMS), que es la raíz cuadrada de la media de las desviaciones elevadas al cuadrado sobre la longitud de medición. Los valores RMS de la rugosidad de la superficie casi siempre serán mayores que los AA, debido a que las desviaciones grandes pesan más en los cálculos del valor RMS. 

La rugosidad de la superficie tiene la misma clase de deficiencias que cualquier medida que se use para evaluar un atributo físico complejo. Por ejemplo, falla para tomar en cuenta las orientaciones del patrón superficial; así, la rugosidad de la superficie varía en forma significativa, en función de la dirección en que se mida.

Otra deficiencia es que la ondulación queda incluida en el cálculo de Ra . Para evitar este problema se emplea un parámetro denominado longitud de corte, que se usa como un filtro que separa la ondulación de una superficie medida de las desviaciones de la rugosidad. En realidad, la longitud de corte es una distancia muestral a lo largo de la superficie. Una distancia muestral más corta que el ancho de la ondulación eliminará las desviaciones verticales asociadas con ésta y sólo incluirá aquellas que se relacionan con la rugosidad. En la práctica, la longitud de corte más común es 0.8 mm (0.030 in). La longitud de medición Lm se establece normalmente como de cinco veces la longitud de corte. 

Las limitaciones de la rugosidad de la superficie han motivado la creación de medidas adicionales que describan en forma más completa la topografía de una superficie dada. Estas mediciones incluyen salidas gráficas tridimensionales de la superficie, como se describe en la referencia.

Símbolos para la textura de la superficie Los diseñadores especifican la textura de la superficie en un plano de ingeniería, por medio de símbolos como los que se ven en la figura 5.6. El símbolo que designa los parámetros de la textura de una superficie es una marca de revisión (se parece al símbolo de la raíz cuadrada), con acotaciones para la rugosidad promedio, ondulación, corte, orientaciones y espaciamiento máximo de la rugosidad. Los símbolos para las orientaciones están tomados de la figura 5.4.

Integridad de la superficie 

La textura de la superficie por sí sola no describe por completo una superficie. En el mate rial puede haber cambios metalúrgicos o de otra clase inmediatamente debajo de la superficie, que pueden tener un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas. La integridad de la superficie es el estudio y control de esta capa subsuperficial y cualesquiera cambios debido al procesamiento que influyan en el desempeño de la pieza o producto terminado. Ya antes se hizo referencia a esta capa subsuperficial como la capa alterada cuando su estructura difiere de la del sustrato, como se ilustra en la figura 5.2. 

En la tabla 5.2 se enlistan las alteraciones y daños posibles que puede recibir la capa subsuperficial durante la manufactura. Los cambios superficiales son ocasionados por la aplicación de distintas formas de energía durante el procesamiento: mecánica, térmica, química y eléctrica. La energía mecánica es la más común que se utiliza en la manufactura; se aplica contra el material de trabajo en operaciones tales como la de dar forma a un metal (por ejemplo, forjado, extrusión), prensado y maquinado. Aunque la función primaria en esos procesos consiste en cambiar la geometría de la pieza que se trabaja, la energía mecánica también ocasiona esfuerzos residuales, endurecimiento por trabajo y grietas en las capas de la superficie. En la tabla 5.3 se indican los tipos distintos de alteraciones superficiales y subsuperficiales atribuibles a las formas diferentes de energía que se aplican durante la manufactura. La mayor parte de alteraciones descritas en la tabla se refieren a los metales, para los que se ha estudiado mucho la integridad de su superficie.

EFECTO DE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA

La capacidad de lograr cierta tolerancia o superficie es una función del proceso de manufactura. En esta sección se describen las capacidades generales de distintos procesos en términos de la tolerancia, la rugosidad e integridad de la superficie.

Tolerancias y procesos de manufactura 

Ciertos procesos de manufactura son inherentemente más exactos que otros. La mayoría de procesos de maquinado son muy exactos, capaces de alcanzar tolerancias de ±0.05 mm (±0.002 in) o mejores. Por el contrario, las fundiciones con arena por lo general son inexactas y deben especificarse tolerancias de 10 a 20 veces las que se utilizan para piezas maquinadas. En la tabla 5.4 se enlista una variedad de procesos de manufactura y se indican las tolerancias comunes para cada proceso. Las tolerancias se basan en la capacidad de los procesos para la operación particular de manufactura, como se define en la sección 44.2. La tolerancia que debe especificarse es función del tamaño de la pieza; entre más grandes sean las piezas, requieren tolerancias más generosas. En la tabla se enlistan tolerancias para piezas de tamaño moderado en cada categoría de procesamiento.

Superficies y procesos de manufactura El proceso de manufactura determina el acabado de la superficie y la integridad de ésta. Algunos procesos son inherentemente más capaces que otros de producir superficies mejores. En general, el costo del procesamiento se incrementa con la mejora del acabado de la superficie. Esto se debe a que para obtener superficies cada vez mejores por lo general se requieren operaciones adicionales y más tiempo. Los procesos específicos para proveer acabados superiores incluyen el bruñido, el rectificado, el pulido y el superacabado (véase el capítulo 26). En la tabla 5.5 se indica la rugosidad superficial usual que se espera de varios procesos de manufactura.