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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
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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.
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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
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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
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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
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� 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.
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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
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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
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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.)
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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.
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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)
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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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