Ordered and Unordered Lists of Rules

Cuando se analiza lo que ocurre entre dos superficies sólidas deslizando una sobre la otra, ya sea en condiciones secas o lubricadas, se suelen medir y comparar la textura y rugosidad superficial, antes, durante y después del proceso de desgaste. El comprender la relación entre las propiedades de desgaste y la textura superficial puede llevar a optimizar las texturas superficiales y los procesos de fabricación para diversos requerimientos de superficies [10].

Las superficies de los sólidos representan una forma muy compleja de materia, mucho más que un simple plano. Hay una variedad de defectos y distorsiones presentes en cualquier superficie real. Estas características superficiales, que van desde las distorsiones generales de la superficie a las irregularidades microscópicas o nanoscópicas locales, ejercen una fuerte influencia sobre la fricción y el desgaste. Las imperfecciones y características de una superficie real influencian las reacciones químicas que se producen en contacto con líquidos o lubricantes, mientras que la rugosidad visible de la mayoría de las superficies controla la mecánica de contacto entre los sólidos y el desgaste resultante [9].

El término “textura superficial" se refiere a las irregularidades finas (crestas y valles) producidas en una superficie por el proceso de fabricación. Por convención, la textura comprende dos componentes; rugosidad y ondulación. La rugosidad consta de las características irregularidades más finas del proceso en sí mismo, tales como la separación de grano de una muela o el avance de una herramienta de un solo punto. La ondulación se refiere a las irregularidades ampliamente espaciadas que a menudo se producen por la vibración en el proceso de mecanizado. Por lo general, sin embargo, los términos "textura superficial" y "rugosidad" se utilizan indistintamente, ya que la rugosidad se especifica y se mide mucho más a menudo que la ondulación. La

topografía superficial incluye estos componentes de acabado superficial, así como cualesquier otra irregularidad, tal como los errores de forma [5,10].

El perfil de una superficie es casi siempre aleatorio, aunque en ocasiones se inducen características regulares, por ejemplo, mediante maquinado. Los componentes aleatorios de los perfiles superficiales se parecen mucho cualquiera que sea su origen, independientemente de la escala absoluta de tamaño utilizada [11]. Esto se ilustra en la Fig. 2.3, donde se muestra una serie de perfiles de rugosidad superficial extraídos de las superficies mecanizadas, de la superficie de la tierra y la luna (a gran escala). Otra propiedad única de la rugosidad superficial es que al ampliarla varias veces, cada vez mayores detalles de la superficie se observan a escala nanométrica. Además, la apariencia de los perfiles superficiales es independiente de la ampliación [11]. Esta auto-similitud de perfiles de superficie se ilustra en la Fig. 2.4.

Fig. 2.3. Similitudes entre perfiles aleatorios de superficies rugosas ya sea naturales o

artificiales [9,11].

1 mm de una pista de rodamiento de rodillos

30 mm de una pista de rodamiento de bolas

18 km de la topografía terrestre 110 mm de una cama de torno

Fig. 2.4. Auto-similitud de perfiles de superficie [9].

La rugosidad superficial limita el contacto entre cuerpos sólidos a una porción muy pequeña del área aparente de contacto. El verdadero contacto sobre la mayor parte del área aparente de contacto, sólo se encuentra en las tensiones de contacto extremadamente altas, que se producen entre las rocas a considerables profundidades por debajo de la superficie de la tierra y entre una herramienta de conformado de metal y su pieza de trabajo. El contacto entre los cuerpos sólidos con cargas normales de funcionamiento, se limita a pequeñas áreas de contacto entre los puntos altos de ambas superficies [9]. Por lo tanto, el área real de contacto se distribuye entre un número de micro-áreas de contacto.

Si se eleva la carga, se incrementa el número de zonas de contacto en lugar del tamaño promedio de las microáreas, es decir, un aumento en la carga se equilibra con la formación de nuevas áreas de contacto. Una representación de contacto entre sólidos se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.5. El área real de contacto es el resultado de la deformación de las crestas de las superficies de contacto, normalmente denominadas como asperezas. Las tensiones de contacto entre asperezas son grandes, como se muestra en la Fig. 2.6, y en algunos casos pueden dar lugar a la deformación plástica localizada, aunque en general la mayor proporción del contacto entre las asperezas es totalmente elástico [9].

Fig. 2.5. Vista esquemática de una interfaz de contacto entre superficies rugosas, mostrando el

área real y aparente de contacto [3].

Las superficies reales son difíciles de definir. Con el fin de describir la superficie se necesitan al menos dos parámetros, uno que describa la variación en la altura, es decir, el parámetro de altura y otro que describa cómo varía la altura en el plano de la superficie, es decir, el parámetro espacial [11]. La desviación de una superficie a partir de su plano medio se supone que es un proceso aleatorio que puede ser descrito usando un número de parámetros estadísticos.

Fig. 2.6. Tensiones de contacto entre asperezas [9].

Hay una gran variedad de parámetros superficiales, muchos de las cuales se han desarrollado para caracterizar la función de determinadas superficies, para aplicaciones particulares. De hecho, alrededor de 50 a 100 parámetros se han definido para su uso industrial, apareciendo muchos de ellos en normas nacionales. No

Carga Presión de contacto nominal Presión de contacto real entre asperezas

obstante, los parámetros de superficie generalmente se pueden clasificar como parámetros de altura, parámetros de longitud de onda, parámetros de forma, y combinaciones de éstos, conocidos como parámetros híbridos [10].

Los dos parámetros de altura más comunes son el promedio de rugosidad, “Ra”, y la rugosidad “rms” (también llamada “Rq”). Estos están estrechamente relacionados y son dados por las ecuaciones 2.1 y 2.2:

2 1 1 2 2 1 0 2 1 0 1 ) ( 1 1 ) ( 1       =     = = =

∑

∫

∑

∫

Donde “y(x)” es el perfil de la superficie, muestreada por el conjunto de “N” puntos “yi”

sobre la longitud “L”, tal como se muestra en la Fig. 2.7. Los parámetros “Ra” y “Rq” son estimadores útiles de las alturas medias y profundidades de perfiles de superficie. La rugosidad “rms” se especifica comúnmente para las superficies de los componentes ópticos. La rugosidad media se utiliza en la industria automotriz y metalúrgica para especificar el acabado de la superficie de muchos tipos de componentes. Además de estos dos parámetros, se han definido muchos otros parámetros de altura para diversas aplicaciones, incluyendo varios para la caracterización de la altura de cresta a valle [10].

Fig. 2.7. Perfil idealizado mostrando la línea media; la longitud de evaluación, L; y los puntos

digitalizados, yi [10].

Otro descriptor característico de medición de la rugosidad superficial muy utilizado es el parámetro “Rt“ o altura máxima de pico a valle. “Rt“ es la distancia entre la mayor

(2.1)

aspereza (pico o cresta) y el valle más bajo. Los parámetros de altura “Ra“ y “Rt“ son los que se especifican con mayor frecuencia en componentes de máquina [5,7].

Una rama de investigación importante en tribología es determinar la relación entre la textura de la superficie y las propiedades de desgaste. Muchos investigadores utilizan geometrías de ensayo estándar para pruebas de desgaste y fricción, como pin- on-disk o de cuatro bolas. En estos ensayos es de vital interés medir la cantidad y estructura del daño en los componentes [10].