Procesos de rugosidad controlada

Acabado superficial para el control de la rugosidad de las superficies

Ofrecemos soluciones y tecnologías para llevar a cabo procesos de acabo superficial que permitan controlar la rugosidad de una superficie. Estos procesos se llevan a cabo para obtener una rugosidad estable y predecible que facilite la adherencia de un revestimiento, o la realización de otros acabados superficiales posteriores. La rugosidad controlada produce una superficie artificial que presenta una sucesión de grabados y protuberancias (valles y picos).

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Qué son la rugosidad superficial y la rugosidad controlada

La rugosidad controlada es un concepto utilizado para referirse a la manipulación y control de las características rugosas de una superficie o material, más concretamente a la capacidad de diseñar y ajustar la textura y las irregularidades de una superficie de manera precisa y predecible.

La rugosidad puede ser intensificada o suavizada, dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, en algunos casos, se busca una superficie rugosa para mejorar la adherencia de pinturas o recubrimientos, o para incrementar la capacidad de retención de aceites lubricantes en una superficie. En otros casos, se busca minimizar la rugosidad para lograr una superficie más suave y deslizante.

En general, los revestimientos con espesor más bajo requieren perfiles más “suaves”, mientras que en los más espesos también los grabados generados por el arenado normalmente son más marcados y más profundos para aumentar la adherencia.

El control de la rugosidad superficial se puede lograr mediante técnicas de procesamiento y acabado superficial, que permiten ajustar los parámetros de rugosidad, como la altura y la distribución de las irregularidades, para cumplir con los requisitos específicos de una aplicación. Entre estas tecnologías destacan el chorreado, sandblasteado, lijado, pulido, grabado químico o el uso de herramientas de microfabricación.

La rugosidad controlada tiene numerosas aplicaciones en diferentes campos, como por ejemplo:

- En la industria automotriz se utiliza para mejorar la eficiencia del combustible al reducir la resistencia al flujo de aire en las superficies aerodinámicas de los vehículos.
- En la industria de semiconductores mejora la adhesión y el rendimiento de los dispositivos microelectrónicos.
- En biomedicina se aplica para desarrollar implantes y prótesis con características superficiales adecuadas para promover la integración con los tejidos biológicos.

Rugosidad controlada en procesos de acabados superficiales

La rugosidad controlada en los procesos de acabado de superficies metálicas implica manipular y ajustar las características rugosas de una superficie de manera precisa y predecible, con el fin de lograr propiedades funcionales, mejorar la adherencia, obtener acabados estéticos deseables y aumentar la resistencia a la fatiga.

Para ajustar las características rugosas de una superficie metálica de manera precisa y predecible, se han de controlar parámetros como la rugosidad superficial, la forma y distribución de las irregularidades, y otros factores que afectan la textura de la superficie.

Manipular adecuadamente la rugosidad de una superficie es importante porque puede tener un impacto significativo en las propiedades y el rendimiento del material.

Algunas de las razones por las que se busca controlar la rugosidad en estos procesos son las siguientes:

- Funcionalidad: En muchas aplicaciones, se requiere una rugosidad específica para lograr ciertas propiedades funcionales. Por ejemplo, en componentes que se deslizan entre sí, como los rodamientos, se puede requerir una rugosidad controlada para optimizar la lubricación y reducir la fricción.
- Adherencia: La rugosidad controlada también puede influir en la adhesión de recubrimientos o adhesivos a la superficie metálica. Una superficie demasiado rugosa puede dificultar la adhesión, mientras que una superficie demasiado lisa puede tener una adherencia deficiente. Controlar la rugosidad puede ayudar a lograr una adhesión óptima.
- Estética: En algunos casos, se busca obtener una superficie metálica con una apariencia estética específica. El control de la rugosidad puede contribuir a lograr acabados superficiales suaves y uniformes, o a crear texturas decorativas deseadas.
- Resistencia a la fatiga: La rugosidad controlada puede afectar la resistencia a la fatiga de una superficie metálica. Al ajustar adecuadamente la rugosidad, es posible minimizar la concentración de tensiones y mejorar la vida útil del componente.

Procesos utilizados en procesos de rugosidad controlada

En los procesos de acabado de superficies metálicas, se utilizan diversas técnicas para lograr la rugosidad controlada, como el lijado, el pulido, el sandblasteado/shot peening, el bruñido y la aplicación de tratamientos químicos. Estas técnicas permiten eliminar o controlar las irregularidades de la superficie metálica para lograr la rugosidad deseada.

Cada una de estas técnicas tiene sus propias variaciones y ajustes específicos según la aplicación y los requisitos de rugosidad deseados. Es importante considerar el material y la geometría de la pieza, la rugosidad objetivo, así como cualquier otro factor relevante en el momento de seleccionar la técnica adecuada y aplicarla correctamente.

- El lijado se lleva a cabo mediante papel de lija, lijas abrasivas u otros materiales abrasivos para eliminar material de la superficie metálica y controlar la rugosidad. Se utilizan diferentes granos de abrasivo, desde gruesos hasta finos, para ajustar la rugosidad según sea necesario. El lijado se realiza mediante movimientos de fricción, aplicando presión sobre la superficie con el abrasivo en movimiento.
- El pulido por vibración es un proceso de acabado que se utiliza para obtener superficies metálicas muy lisas y brillantes. Implica el uso de agentes abrasivos más finos, como pastas o compuestos pulidores, que se aplican sobre la superficie mediante movimientos rotativos o lineales. El pulido ayuda a eliminar pequeñas irregularidades y a obtener una rugosidad controlada muy baja.
- El sandblasteado es un proceso en el cual se arrojan pequeñas partículas de un material, denominado granalla, a alta velocidad sobre la superficie metálica. Estas partículas impactan la superficie y generan una deformación plástica controlada, lo que resulta en una rugosidad controlada. El tamaño y la forma de las partículas, así como la velocidad y el ángulo de impacto, se ajustan para lograr la rugosidad deseada.
- El shot peening se enfoca en mejorar la resistencia y durabilidad de la superficie y controlar la rugosidad. Utiliza pequeñas esferas o granallas para impactar la superficie a alta velocidad y en ángulos controlados, gracias a lo cual se crea una capa de compresión residual en la superficie, mejorando su resistencia a la fatiga y el agrietamiento. Por su parte, el sandblasteado es más efectivo para limpiar y preparar la superficie sin generar una capa de compresión residual. Ambos procesos utilizan partículas proyectadas, pero con objetivos y efectos diferentes.
- El bruñido es un proceso de acabado en el cual se utiliza una herramienta de bruñido, como una piedra de bruñir o una bola de bruñir, para frotar la superficie metálica y generar una presión y fricción controladas. Esto ayuda a eliminar las pequeñas irregularidades y a suavizar la superficie, obteniendo una rugosidad controlada.
- Los tratamientos químicos, como el grabado químico o el decapado, se utilizan para alterar selectivamente la rugosidad de una superficie metálica. Estos procesos implican el uso de soluciones químicas que atacan y disuelven selectivamente ciertas áreas de la superficie, generando una textura controlada. La rugosidad se controla variando la composición de la solución, la concentración, el tiempo de exposición y otros parámetros.

Hay ocasiones en que el control de la rugosidad puede requerir la combinación de varias técnicas o procesos en secuencia para obtener el resultado deseado.

Para garantizar que estas tecnologías obtienen los resultados deseados se utilizan instrumentos de medición, como rugosímetros, que permiten evaluar y verificar la rugosidad obtenida y ajustar el proceso si es necesario.

Existen otras técnicas más especializadas y avanzadas para lograr la rugosidad controlada, como la microfabricación y el uso de láseres. Estas técnicas pueden ofrecer una mayor precisión y control en la generación de rugosidad en superficies metálicas, pero su aplicación suele estar limitada a entornos de fabricación más especializados.

Shot peening para control de la rugosidad

El shot peening es un proceso utilizado para mejorar la resistencia y la durabilidad de superficies metálicas, al mismo tiempo que se controla la rugosidad. Consiste en bombardear la superficie con pequeñas partículas (generalmente esferas o granallas) a alta velocidad y en ángulos controlados. Estas partículas impactan la superficie, creando pequeñas deformaciones plásticas en ella y generando una capa de compresión residual.

El shot peening se divide en los siguientes pasos:

- Preparación de la superficie, que incluye limpiarla de cualquier contaminante, suciedad, óxido o recubrimiento que pueda estar presente.
- Selección del material abrasivo, que debe ser adecuado para el metal en cuestión y para el nivel de rugosidad deseado. Las esferas o granallas suelen estar hechas de materiales como acero, vidrio, cerámica, etc.
- Es crucial establecer los parámetros del proceso, como la velocidad de impacto de las partículas, el ángulo de impacto, la duración del tratamiento y la cantidad de material abrasivo utilizada. Estos factores afectarán directamente la rugosidad y la profundidad de la capa de compresión residual.
- Proceso de shot peening y control de la rugosidad. El metal se coloca en una cámara o cabina de peening, donde se proyectan las partículas abrasivas sobre la superficie mediante boquillas o turbinas. El proceso se lleva a cabo siguiendo los parámetros previamente definidos.

Durante el shot peening, la rugosidad se controla de dos maneras principales. Primero, el impacto de las partículas tiende a eliminar las asperezas y las irregularidades de la superficie, mejorando la rugosidad superficial. Segundo, la formación de la capa de compresión residual provoca una contracción de la superficie, lo que también contribuye a controlar la rugosidad.

- Una vez finalizado el proceso de shot peening, es importante inspeccionar la superficie para verificar si se ha alcanzado la rugosidad deseada. En algunos casos, puede requerirse un acabado adicional para refinar aún más la rugosidad de la superficie si es necesario.

Es importante tener en cuenta que el shot peening no puede corregir problemas estructurales o defectos profundos en el material; su función principal es mejorar la resistencia y durabilidad de la superficie.

Pulido por vibración para procesos de rugosidad controlada

El pulido es un proceso de acabado que se utiliza para obtener superficies metálicas muy lisas y brillantes. Aunque el objetivo principal del pulido no es generar rugosidad, es posible controlar la rugosidad mediante la selección adecuada de los abrasivos y compuestos pulidores.

El pulido por vibración en un bombo vibrador es una técnica ampliamente utilizada para lograr una rugosidad controlada en diferentes materiales, incluyendo metales. En este método, las piezas a pulir se colocan en un bombo vibrador junto con medios abrasivos y compuestos pulidores, y se someten a movimientos vibratorios para generar la acción de pulido.

Es una opción eficiente y rentable en superficies metálicas más blandas, cuando se requiere un acabado uniforme, o cuando se deben procesar piezas de formas complejas. Es importante considerar las especificaciones y requisitos específicos de la aplicación antes de seleccionar esta técnica de pulido.

La selección adecuada de los medios abrasivos, compuestos pulidores y el tiempo de pulido permitirá controlar la rugosidad obtenida. Es importante ajustar los parámetros de pulido, como la velocidad y amplitud de la vibración, la carga de las piezas y los materiales utilizados, para obtener los resultados deseados.

Adicionalmente, el pulido por vibración ofrece las siguientes ventajas:

- Reducción de aristas y eliminación de irregularidades. La acción vibratoria y el contacto constante entre las piezas y los medios abrasivos ayudan a suavizar la superficie y eliminar asperezas, contribuyendo a una reducción de la rugosidad.
- El pulido por vibración es particularmente útil para tratar piezas con geometrías complejas o con áreas de difícil acceso. La acción vibratoria y la interacción entre las piezas y los medios abrasivos permiten alcanzar y pulir áreas que podrían ser difíciles de tratar mediante otros métodos convencionales.
- El pulido por vibración proporciona un acabado uniforme en superficies metálicas. Debido a la acción de mezcla y vibración en el bombo, las piezas en el interior tienen más probabilidades de estar expuestas de manera uniforme a los medios abrasivos y compuestos pulidores, lo que puede contribuir a un acabado más homogéneo.

Es importante destacar que la eficiencia y la efectividad del pulido por vibración pueden variar según la naturaleza de las piezas y las características de la superficie que se desea tratar.

Otras técnicas de pulido

Se puede utilizar maquinaria especializada, como pulidoras automáticas, pulidoras manuales o pulidoras de rueda.

Antes de comenzar el pulido, es importante preparar la superficie metálica adecuadamente. Esto puede incluir el desbarbado de bordes afilados, la eliminación de impurezas y la limpieza de la superficie para garantizar un proceso de pulido más efectivo.

El pulido se realiza mediante movimientos rotativos o lineales de la superficie metálica en contacto con el abrasivo y el compuesto pulidor. Durante el proceso de pulido, se aplica una presión y una velocidad controladas para eliminar pequeñas irregularidades de la superficie y lograr un acabado liso.

A menudo, el proceso de pulido con estas técnicas alternativas se divide en varias etapas utilizando abrasivos de diferente tamaño de partícula y compuestos pulidores con diferentes propiedades. Esto permite eliminar las irregularidades más grandes en las etapas iniciales y refinar gradualmente la superficie para obtener una rugosidad controlada. Cada etapa se realiza con un abrasivo y compuesto pulidor específico, y se deben seguir pautas de tiempo y presión para lograr el acabado deseado.

Los abrasivos y compuestos pulidores utilizados en el pulido son esenciales para lograr la rugosidad controlada. Se utilizan materiales abrasivos finos, como óxido de aluminio, diamante o carburo de silicio, que se aplican en forma de pasta o suspensión en agua o aceite. La elección del tamaño de partícula y la composición del compuesto pulidor se basa en la rugosidad deseada.

Granallado para obtener una rugosidad controlada

El sandblasteado es un proceso que utiliza partículas pequeñas, denominadas granalla, para generar una deformación plástica controlada en la superficie metálica. El sandblasteado es ampliamente utilizado para mejorar la resistencia a la fatiga y la durabilidad de los componentes metálicos.

La rugosidad generada por el sandblasteado puede ser controlada ajustando parámetros clave, como el tamaño y la forma de las partículas, la velocidad de proyección, la densidad de impacto y el tiempo de exposición. Estos parámetros se seleccionan según los requisitos de rugosidad y las propiedades del material.

Estos son los aspectos clave para obtener una rugosidad controlada mediante sandblasteado:

- Seleccionar cuidadosamente la granalla a utilizar (tamaño, forma y composición adecuada) para generar la rugosidad controlada deseada. La granalla de acero es comúnmente utilizada debido a su dureza y capacidad para soportar múltiples impactos, pero también se utilizan pellets de cerámica, plástico o materiales abrasivos para aplicaciones específicas.
- Existen numerosos tipos de sandblasteadoras para proyectar las partículas sobre la superficie metálica, por lo que es imprescindible seleccionar la máquina sandblasteadora más adecuada en cada caso. La configuración de la máquina, incluyendo la velocidad de proyección, el ángulo de impacto y la distancia de trabajo, se ajusta según los requisitos de rugosidad y la geometría de la pieza.
- Ajustar la velocidad y el ángulo de impacto del abrasivo más eficientes. Durante el proceso de sandblasteado, las partículas son proyectadas a alta velocidad sobre la superficie metálica, impactando y deformando plásticamente la superficie. Estas deformaciones controladas generan rugosidad y, al mismo tiempo, inducen una compresión residual en la capa superficial, mejorando así la resistencia a la fatiga del material.

Parámetros de rugosidad

Es importante mencionar que, tanto en el pulido como en el sandblasteado, la rugosidad controlada puede ser evaluada y medida utilizando instrumentos que proporcionan información sobre los parámetros de rugosidad, como la rugosidad promedio (Ra), la altura de rugosidad (Rz) y la distribución de las irregularidades en la superficie.

Éstos son los parámetros fundamentales que se emplean para medir la rugosidad.

Rugosidad media aritmética (Ra)

La Ra es el valor medio de los valores absolutos de las alturas del perfil, respecto de la línea media, en la longitud de evaluación, tomando como base la curva R (filtrada).

Ra es el parámetro más utilizado para controlar la rugosidad, ya que nos ofrece información relevante sobre los siguientes conceptos:

- Determina la calidad del proceso de fabricación de la pieza que estamos inspeccionando.
- Indica el desgaste de las herramientas (muelas, plaquitas, etc.) en el proceso de arranque de viruta.
- Estanqueidad.
- Rodadura.

Altura media de la rugosidad (Rz)

Esta medida nos da el promedio de las alturas de los picos y valles que se encuentran en la superficie de la pieza. Representa la media de los valores absolutos de las 5 crestas más altas del perfil y los 5 valles más profundos dentro de la longitud de evaluación.

Raíz cuadrática media, RMS

La raíz cuadrática media toma el promedio del cuadrado de la distancia entre la altura del pico y la longitud media, y posteriormente calcula la raíz cuadrada de ese valor. Este valor representa la rugosidad de la superficie en forma de onda sinusoidal, cada una de las cuales representa la distancia desde la línea media.

La raíz cuadrática media nos da un valor aproximado de la rugosidad que presenta la superficie, pero no representa una visión exacta del acabado final de la superficie. Se relaciona con la rugosidad media Ra, por un factor de 1,1.

Altura máxima de la cresta (Rp)

Es la distancia del punto más alto del perfil a la línea media en base a la curva P (sin filtrar). Es un parámetro válido para evaluar la calidad de ajustes prensados y el desgaste superficial de piezas.

Altura máxima del perfil (Ry)

Distancia entre el valle más profundo y la cresta más alta del perfil en la longitud de evaluación, tomando como base la curva P (sin filtrar).

Este parámetro es muy sensible a la presencia de defectos locales como golpes, rotura de herramienta en ese punto, y otros defectos que pueden falsear el valor obtenido.

Altura máxima de pico a valle (Rt o Rmax)

Proporciona la distancia entre el pico más alto y el valle más profundo en la longitud de evaluación en base a la curva R (filtrado).

La profundidad de rugosidad máxima no da un valor preciso de la rugosidad de la superficie, ya que cualquier rasguño puede distorsionar el valor obtenido.

Métodos de control y medición

Método directo

Este método utiliza un lápiz óptico, sostenido perpendicularmente a la superficie, para medir su rugosidad. El lápiz genera directamente el perfil de rugosidad y, a partir de este perfil, se pueden calcular los valores de varias unidades de superficie.

Técnica sin contacto

Esta técnica utiliza luz o sonido para generar el perfil de rugosidad. En lugar de un lápiz óptico, este proceso utiliza sensores ópticos y vocales. Se bombardea una onda de luz o sonido en la superficie que luego la refleja. Esta onda reflejada es la que permite medir el perfil de la rugosidad de la superficie.

Técnica de comparación

Este método utiliza la comparación de una muestra de rugosidad superficial conocida con las muestras de rugosidad superficial desconocida. Luego, el técnico puede comparar la rugosidad de la superficie de ambas muestras utilizando diferentes técnicas visuales y analizarlas para asignar valor al material. Esta técnica generalmente no es precisa debido a su alta dependencia de la subjetividad humana.

Técnica en proceso

El uso de la inducción electromagnética para medir la rugosidad de la superficie se denomina técnica en proceso. La inducción magnética se utiliza para medir la distancia entre los picos y las profundidades del perfil de rugosidad. Sin embargo, este método es útil solo para materiales magnéticos.