Acumulación de Tolerancias

Objetivo

El presente trabajo tiene por objetivo dar a conocer las principales aplicaciones y usos del acabado superficial, establecer las diferencias entre las rugosidades así como la importancia del análisis de la acumulación de tolerancias aplicando dicho análisis en el peor de los casos en la cota correspondiente.

Introducción

El acabado final y la textura de una superficie son de gran importancia e influencia para definir la capacidad de desgaste, lubricación, resistencia a la fatiga y aspecto externo de una pieza o material, por lo que la rugosidad es un factor importante a tener en cuenta.

En la fabricación de piezas se producen irregularidades superficiales, motivadas por: vibraciones de la máquina-herramienta, flexión de la pieza, huellas de los filos cortantes de las herramientas, etc. Estas irregularidades tienen una influencia decisiva en la aptitud al uso de la pieza. Según lo anterior, el funcionamiento no será correcto si no definimos el acabado superficial exigible a las superficies que conforman las piezas, el cual, deberá adecuarse a las exigencias funcionales de cada una de las superficies. Tal es así que, si observamos las distintas superficies de una pieza, mientras unas son pulidas y brillantes, en otras se distinguen ligeramente las huellas de las herramientas con que se han trabajado, y en otras, las huellas de las herramientas son profundas; aparte de esto, se encuentran superficies que no han sido mecanizadas y otras que están recubiertas con distintos materiales (pinturas, cromado, niquelado) o que han recibido algún tratamiento especial para modificar sus propiedades (templado, revenido, cementado).

Usos y aplicaciones principales del acabado superficial

Superficie real. Superficie obtenida después de la producción de la pieza.

Superficie geométrica. Superficie sin imperfecciones dada por el diseñador.

Superficie efectiva. Se aproxima a la superficie real a partir de mediciones con instrumentos. Corresponde más al departamento de control de calidad.

Perfil real. Curva obtenida como intersección de la superficie real general mente perpendicular a esta.

Perfil geométrico. Intersección de la superficie geométrica con un plano general mente perpendicular a este.

Perfil efectivo. Intersección de la superficie efectiva con un plano general mente perpendicular a este. Este perfil se mede con un rugosimetro (mencionado anteriormente).

Diferentes Procesos de manufactura relacionados al acabado superficial.

-Fresado (figura 9.5). Arranque de viruta mediante la acción de una herramienta con dientes de filos cortantes, denominada fresa, que gira alrededor de su eje, pudiendo actuar tangencial o frontalmente respecto a la superficie mecanizada.

-Torneado (Figura 9.6). Se denomina así al procedimiento de fabricación para el que se emplea la máquina-herramienta considerada como fundamental, el torno. Con ella se pueden realizar múltiples operaciones, aunque la más importante es el torneado o fabricación de piezas de revolución

-Taladrado. Consiste en la perforación de una pieza, parcial (taladro ciego) o totalmente (taladro pasante), mediante una herramienta llamada broca, La broca gira alrededor de su eje de revolución a la vez que se desplaza en la dirección del mismo.

-Aserrado. Procedimiento de fabricación que consta de una herramienta de acero denominada sierra, dotada de un movimiento alternativo longitudinal, con la cual se consigue cortar chapas y planchas, También se puede realizar este tipo de cortes con un soplete oxiacetilénico.

Acabados Superficiales Especiales.

-Rectificado. Proceso en el cual el objetivo es dar un excelente acabado superficial. Se puede realizar con un torno o con una fresa, aunque el mejor grado de calidad se consigue con una herramienta llamada muela, constituida por granos de material abrasivo cementados con una substancia cerámica.

-Bruñido. El fin de esta operación es obtener una rugosidad muy leve. General mente utilizada en piezas de precisión.

-Rasqueteado. Es una operación realizada de forma manual con una herramienta llamada rasqueteé, que sirve para alisar y mejorar la calidad de dos superficies funcionales que van a estar en contacto.

-Moleteado. Proceso que consta en tallar en una pieza estrías que hacen una superficie más rugosa. Se emplea para poder manipular una herramienta. Este proceso se consigue con una herramienta llamada moleta, que es de material más duro que la pieza a labrar.

-Limado. Rebaje de una superficie con una herramienta llamada lima.

-Escariado. Proceso que se realiza con un escariador con la finalidad de mejorar la calidad superficial de taladros cilíndricos.

Acabados Superficiales.

El acabado superficial es el estado final de la superficie de una pieza, que depende del trabajo a que esté destinada así como de la apariencia que se desee dar a su terminación.

Fundamentalmente se establecen tres tipos de acabados:

a) Superficies en bruto.

b) Superficies mecanizadas.

c) Superficies tratadas.

Superficie en bruto es aquélla que se conserva tal como queda después del proceso de fabricación: laminación, forja, corte, etc.

Superficie mecanizada es aquélla que se consigue mediante una mecanizado, bien con separación de virutas -torneado, fresado, amolado, limado- , bien un mecanizado especial -esmerilado, rasqueteado, pulido- .

Superficie tratada es aquélla superficie mecanizada que además precisa una apariencia externa o propiedades particulares -niquelado, pintado, decapado, templado. Independientemente de las propiedades externas que presentan las superficies, también se distinguen en ellas su uniformidad y alisado.

Tipos de superficies.

La clasificación de la superficie está dada en base a la relación que tenga con las demás superficies de las otras piezas que actúan en el mecanismo o conjunto mecánico:

Superficies de apoyo: son las que están en contacto estático con otras superficies ajenas a la pieza. Tales piezas posicionan al cuerpo o sirve de apoyo para otras partes del mecanismo.

Superficies funcionales: son las que están en contacto dinámico con otras, produciéndose un deslizamiento relativo entre ambas superficies. Aquí aparece la fuerza de rozamiento que depende de la superficie y el tipo de material (deslizamiento, rodadura, etc.)

Superficies libres: no tienen contacto con otras superficies, cumplen una necesidad estética más que operativa.

El acabado superficial (surface finish) es la lisura de una superficie maquinada completa y deseada después de haber sido medida. El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro geométricos y micro geométricos.

Las imperfecciones superficiales se clasifican en:

Rugosidad: se produce por las marcas dejadas por las herramientas que se emplean en la fabricación de la pieza. Es una irregularidad superficial de pequeña longitud de onda en relación a su amplitud; suele ser de carácter aleatorio y con longitud entre crestas (paso) uniforme e inferior a 1 mm. Está originada, generalmente, por la acción de los filos cortantes de las herramientas al ser mecanizada la pieza o por los gránulos abrasivos de las muelas. Se mide en micras.

Ondulación: es una irregularidad superficial de gran longitud de onda, de tipo periódico y con paso superior a 1 mm. Se produce como consecuencia del desajuste y la holgura existentes en la máquina herramienta utilizada para mecanizar la superficie, vibraciones, flexión del material, desgaste de la bancada

De la máquina-herramienta, tensiones internas del material, etc. La limitación de este tipo de irregularidad se consignará en los dibujos mediante la correspondiente tolerancia geométrica de forma (planicidad, cilindricidad, etc.).

Diferencias sustanciales de la rugosidad cuando medimos Ra, Ry, Rc y Rz ya que son datos estadísticos.

La magnitud de la aspereza se determina mediante la máxima profundidad de rugosidad Rt, por el valor medio de la rugosidad Ra, o por la profundidad de rugosidad media Rz.

Evaluación de la rugosidad.

Para evaluar la rugosidad se hace deslizar por la superficie observada un palpador de punta muy fina, el cual, transmite sus oscilaciones a un aparato amplificador que graba sobre un gráfico la rugosidad encontrada por el palpador en su carrera de avance. El perfil así obtenido y su dimensionamiento nos da idea exacta del comportamiento que podrá tener una pieza construida con cada tipo de rugosidad durante su trabajo.

Parámetros de medición de la rugosidad:

Perfil geométrico: perfil ideal indicado en el plano que define la pieza.

Perfil efectivo: perfil real obtenido con los procedimientos de fabricación y que conocemos a través de las medidas instrumentales realizadas.

Longitud básica (l): es la longitud del perfil geométrico, medida sobre la superficie geométrica del perfil efectivo, elegida para evaluar la rugosidad. El valor de 0,8 mm. Para la longitud básica, es el más usual.

Longitud de evaluación (ln): es la longitud del perfil geométrico, medida sobre la superficie geométrica del perfil efectivo, que se emplea para evaluar los parámetros definitorios de la rugosidad superficial. Es varias veces superior a la longitud básica; suele ser del orden de unos 10 mm., y está dividida en 12 intervalos iguales (longitud básica).

Línea media aritmética del perfil: es la línea que con la misma forma del perfil geométrico, divide el perfil efectivo, de manera que entre los límites de la longitud básica, la suma de las áreas encerradas por encima de esta línea y el perfil efectivo, es igual a la suma de las áreas encerradas por debajo de esta línea y el citado perfil.

Cresta de perfil.

Parte del perfil dirigida hacia el exterior del cuerpo uniendo dos intersecciones consecutivas del perfil con la línea media

Valle del perfil.

Parte del perfil dirigida hacia el interior del cuerpo uniendo dos intersecciones consecutivas del perfil con la línea media.

Yp [Altura de una cresta de perfil]

Distancia entre la línea media y el punto más alto de una cresta

Yy [Profundidad de un valle de perfil]

Distancia entre la línea media y el punto más bajo de un valle.

Altura de una irregularidad del perfil

Suma de la altura de una cresta y de la profundidad de un valle adyacente

Altura Máxima de una cresta [Rp]

Distancia del punto más alto del perfil a la línea media, dentro de una longitud [l]

Profundidad Máxima de un valle [Rm]

Distancia del punto más bajo del perfil a la línea media, dentro de una longitud [l]

Altura Máxima del perfil [Rmax=Ry]

Máxima distancia entre la cresta más alta [Rp] y el valle más bajo [Rm]

Rmax=Rp+Rm

Altura de las Irregularidades en 10 puntos [Rz]

Media de los valores absolutos de las alturas de las cinco crestas del perfil más altas y de las profundidades de los cinco valles más bajos del perfil, dentro de la longitud básica [l]

Altura media de las irregularidades del perfil [Rc]

Es las suma de los valores medios de todas las alturas de las crestas y de todas las profundidades de los valles dentro de la longitud básica

Desviación media aritmética de la rugosidad [Ra]: representa el valor medio de las ordenadas en valor absoluto del perfil efectivo respecto a su línea media, en los límites de la longitud básica. Se expresa en micras.

Las diferencias Sustanciales entre las mediciones de Ra, Ry, Rz y Rc son:

Como bien definimos anteriormente la altura máxima del perfil [Rmax ó Ry] se mide desde el valle más bajo hasta la cresta más alta, el resultado de esta medición seria poco confiable ya que si se llegara a seleccionar un valle no muy profundo y una cresta de altura pequeña nos daría una valor de rugosidad diferente a que si se encontrara un valle muy profundo y una cresta muy alta, la medicion de la Altura de las Irregularidades en 10 puntos [Rz], engloba 10 veces la medición de Rmax en una longitud determinada y esto hace que el resultado no dependa de un solo punto, mejor aun si se aplicara la medición de la altura media de las irregularidades del perfil [Rc], se usa la misma fórmula que Rz a diferencia que se aplicaría en "n" puntos en la longitud del perfil seleccionada, esto nos da un promedio de las diferentes mediciones de los valles y crestas y seria un resultado de mayor resolución.

En cambio por mejor manejo y comodidad de medición se adopta como criterio principal de rugosidad, la media aritmética de los valores de Ra obtenidos en varias longitudes básicas sucesivas a lo largo de la longitud de evaluación. Es el método adoptado internacionalmente para la evaluación de la rugosidad. Aunque no se deja de lado los demás conceptos de Ry, Rc y Rz.

En la tabla aparecen algunas de las aplicaciones más usuales de los estados superficiales, lo que puede servir al lector como orientación de diseño o en función de los objetivos buscados.

Acumulación de tolerancias

Es una herramienta de toma de decisiones, la información obtenida ayuda a resolver las preguntas de un diseño en particular arrojando respuestas numéricas casi siempre dando como resultado una característica de máximo o mínimo.

Acumulamiento de tolerancias permite al analista de tolerancias estudiar los efectos acumulativos de las tolerancias múltiples, una vez que el acumulamiento de tolerancias se ha realizado, con la información obtenida se determinara si se requieren cambios en el diseño.

Importancia de la acumulación de tolerancias.

El acumulamiento de tolerancias no permite determinar la máxima variación posible entre dos características en una misma parte de una pieza o más comúnmente entre dos piezas que se ensamblan. Hay muchas razones por las cuales es muy importante saber cuánto variaran las características acotadas.

La acumulación de tolerancias permite al diseñador:

• Optimizar las tolerancias de las piezas y ensambles en un nuevo diseño.

• Balancear la exactitud, precisión y costo con capacidad de proceso de fabricación.

• Determinar solo las tolerancias requeridas para satisfacer las especificaciones de un ensamblaje.

• Determinar las tolerancias requeridas aceptables si son conocidas las tolerancias del ensamblaje.

• Determinar si las piezas realizaran su función en su condición del peor de los casos o con la estadística de máxima variación.

• Determinar si las tolerancias especificadas obtienen una relación de variación aceptable entre piezas a ensamblar.

• Solucionar los problemas y malfuncionamiento de piezas y ensamblajes.

• Determinar las reacciones de cambiar el valor de una tolerancia en el funcionamiento ya ensamblada.

• Explorar alternativas de diseño en piezas diferentes o modificadas.

Es importante saber que existen cuatro factores principales que determinan cuales dimensiones y tolerancias se encuentran incluidas en un acumulamiento de tolerancias y son los siguientes:

• La geometría de las piezas y ensamblajes que contribuyen con la distancia analizada en la acumulación de tolerancias.

• Los esquemas del uso de tolerancias y dimensionamiento en los dibujos de piezas y ensambles en la acumulación de tolerancias.

• El proceso de ensamblado (¿Cómo serán ensambladas las piezas?).

• Hacia donde se dirige el acumulamiento de tolerancias y hacia donde las dimensiones y tolerancias.

Análisis del peor de los casos en acumulación de tolerancias

El peor de los casos se simula mediante la adopción de todas las tolerancias en el peor de los casos, sus valores. Dado que es poco probable que lograr que todos estos valores de manera simultánea, esta técnica tiende a ser demasiado pesimista, y puede llevar a sobredimensionar la pieza. Sin embargo, es útil como una comprobación rápida.

No se debe asumir que todos los requisitos para las tolerancias serán cumplidos. Si pasa esto no se puede garantizar el 100% del ensamble. Esta suposición requiere de la inspección de todas las piezas. Casi siempre esto se lleva a cabo realizando una simple evaluación. Esta forma de inspección es mucho más simple que lo requerida para la tolerancia estadística. Al final, las medidas de estas tolerancias de la pieza van a ser requeridas, por lo menos para las muestras, para demostrar la estabilidad del proceso. Las muestras de las medidas de la parte son más favorables individualmente que sobre el comportamiento del ensamble completo. Para las muestras de los datos del pasa-no-pasa esto sería mucho más difícil. Puede haber una compensación del costo.

Conclusiones de la acotación de la pieza analizada

Cuando se intento aplicar el método de "el peor de los casos" en el análisis de la acotación, no se encontró dentro de una cadena de acotaciones definidas partiendo del origen descrito y eso impide la aplicación de dicho método, ya que este método como se menciono anteriormente se basa en el seguimiento de acotaciones relacionadas con sus tolerancias y en base a estas calcular la cota sin especificar por el diseñador.

Se llega a la conclusión de que esta cota es de primer importancia y que de no ser especificada por el diseñador en el dibujo, no se puede calcular por medio del método del "peor de los casos", probablemente se pueda calcular por algún método estadístico diferente.

Conclusiones y Aportaciones de cada uno de los integrantes.

Yaazer Gabriel Quezada Holguín

El tema que investigue fue de la acumulación de tolerancias y el método del "peor de los casos", entendí que el método no es aplicable en todas las acotaciones y algunas acotaciones obligadamente deben estar bien definidas.

Carlos Issac Hernández Guerrero

La información que aporte es respecto al uso y las aplicaciones de los acabados superficiales en la industria moderna y entendí como es que se obtienen estos acabados con los diferentes procesos de fabricación.

Gustavo Alonso Altamirano García

Participe en el estudio de las mediciones de Ra, Rc, Ry y Rz así como encontrar y definir las diferencias más importantes que definen cada una de ellas, entendí como se complementan entre ellas y como se caracterizan.

Roció Eileen Briseño Ortega

Aporte información acerca de los parámetros de medición de la rugosidad así como la terminología para entender los conceptos de la rugosidad, como conclusión entendí que el método más usado es la medición de Ra, ya que existen muchos equipos que su principal medición es por este método de Ra.

Gaspar Andrés Espinoza Perea

Participe en la búsqueda de información del método del "peor de los casos" y el análisis de la acotación de la pieza y como conclusión reafirme los conceptos vistos en clase con los analizados en el trabajo.

Bibliografía

Cecil jensen, j. d. (Sexta edición). Dibujo y diseño en ingeniería. Mc Graw Hill.

Fischer, B. r. Mechanical tolerance stackup and analysis.

Groover, M. P. Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas. Ed. Perarson Educacion.

Kibbey, M. Materiales y procesos de fabricación industria metal mecánica y de plástica. Ed Limusa.

Zambrano, I. P. (s.f.). www.itchichuahua.edu.mx. Obtenido de curso de metrologia.

Autor:

Carlos Issac Hernandez Guerrero