RUGOSIDADE SUPERFICIAL. Prof. Dr. Antonio Piratelli Filho Universidade de Brasilia (UnB) Faculdade de Tecnologia Depto. Engenharia Mecânica

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1 RUGOSIDADE SUPERFICIAL Prof. Dr. Antonio Piratelli Filho Universidade de Brasilia (UnB) Faculdade de Tecnologia Depto. Engenharia Mecânica 1

2 INTRODUÇÃO O acabamento superficial de uma peça influencia seu desempenho em operação: Freios de automóveis, mancais, rolamentos e engrenagens Escoamento de fluidos em tubulações e resistência ao fluxo em cascos de navios Problemas de corrosão e fadiga Superfícies de medição: blocos padrões, micrômetros, etc 2

3 EFEITO DO PROCESSO Processo de fabricação determina acabamento superficial e desempenho Mancais de motores: capacidade de carga aumenta com rugosidade (acabamento superficial) Importante quantificar a rugosidade Capacidade de carga Superacabamento Polimento Retífica ultra-fina Retífica normal Lapidação Retífica grossa Rugosidade 3

4 RUGOSIDADE Definição: Conjunto de desvios microgeométricos, caracterizado pelas pequenas saliências e reentrâncias presentes em uma superfície. Norma NBR ISO 4287/2002 define termos para especificação da rugosidade: Superfícies Perfis 4

5 RUGOSIDADE Superfície geométrica (ideal), real (com desvios de acabamento) e efetiva (avaliada pela técnica da medição) 5

6 RUGOSIDADE Perfil geométrico, real, efetivo e de rugosidade (obtido a partir do perfil efetivo menos o desvio de forma - filtragem) 6

7 RUGOSIDADE Perfil efetivo, obtido por medição Textura primária (Rugosidade) Textura secundária Desvio de forma 7

8 AVALIAÇÃO DA RUGOSIDADE Perfil de rugosidade: obtido após separação do desvio de forma e da textura secundária do perfil efetivo, através do uso de filtros. Avaliação da rugosidade: uso do comprimento de amostragem (cut-off) le =compr. amostragem lm =compr. medição lt = compr. total 8

9 AVALIAÇÃO DA RUGOSIDADE Comprimento de amostragem (cut-off): minimizar o efeito do desvio de forma na avaliação da rugosidade (filtro) 9

10 FILTROS DE RUGOSIDADE Nos instrumentos, os valores de cut-off são escolhidos conforme recomendação da norma, em função da: A) distância entre sulcos (aproximadamente igual ao avanço, em superfícies periódicas) B) rugosidade esperada (superfícies não periódicas) B) A) 10

11 FILTROS DE RUGOSIDADE Filtros: Mecânicos, como a sapata (calço) presente em instrumentos de medição. Matemáticos, onde uma equação é ajustada aos resultados da medição para corrigir o desvio de forma e ondulações secundárias; filtros 2RC, Gauss, Spline, Regressão Gaussiana Robusta (RGRF), entre outros. 11

12 FILTROS DE RUGOSIDADE Filtro mecânico: sapata presente em instrumentos de medição, para acompanhar as ondulações da superfície e minimizar o efeito do desvio de forma. 12

13 FILTROS DE RUGOSIDADE Filtros matemáticos: em geral, envolve a determinação de uma linha média e a correção do perfil efetivo. Métodos (Raja et al., 2002): - 2RC (mais antigo) - Gauss: mais comum, presente em muitos instrumentos - Spline (vantagens sobre 2RC e Gauss) - Regressão Gaussiana Robusta (RGRF) filtro baseado no Gauss, iterativo 13

14 EXEMPLO - Medição de rugosidade de amostras de madeira: presença de vales profundos, resultantes da porosidade da superfície, precisam ser filtrados. - pesquisa: aplicação de filtros em sequência. R Profile [um] 40,0 20,0 0,0-20,0-40,0-60,0-80,0-100,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 [mm] 14

15 SISTEMAS PARA MEDIÇÃO DA RUGOSIDADE Sistema M linha média: determinar linha média que divide as áreas do perfil de rugosidade (mais usado). No Brasil, as Normas NBR ISO 4287/2002 e NBR 8404/1988 indicam o uso do sistema M. Sistema E - linhas envoltórias determinadas por dois círculos que rolam sobre a superfície da peça (Agostinho et al., 1995). 15

16 SISTEMA M LINHA MÉDIA y = áreas(p) áreas(q) L Rugosidade determinada em função de uma linha de referência, disposta na direção do perfil. Linha média: divide o perfil tal que a soma das áreas acima é igual à soma das áreas abaixo, ao longo do comprimento de medição (lm). LM x P1 P2 P3 Q1 Q2 Q3 lm y x 16

17 PARÂMETROS DE RUGOSIDADE Três tipos de parâmetros podem ser determinados: Amplitude Espaçamento Híbridos 17

18 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ra = rugosidade aritmética ou média, também representado por CLA ou AA. - Unidades: micrometro (µm) ou micropolegada - Parâmetro determinado em função da linha média M do perfil de rugosidade 18

19 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ra Aplicações - Controle contínuo da rugosidade na linha de produção; - Superfícies com sulcos de usinagem bem orientados (torneamento, fresagem, etc.); - Superfícies de pouca responsabilidade, como no caso de acabamentos com fins apenas estéticos. 19

20 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ra Vantagens - parâmetro mais utilizado. - aplicável à maioria dos processos de fabricação. - quase todos os equipamentos de medição apresentam esse parâmetro. - riscos inerentes ao processo alteram pouco seu valor. Ra Desvantagens - presença de um pico ou vale atípico oriundo do processo não é identificado e pode ocultar um defeito. - seu valor não define a forma das irregularidades e pode ser associado a diferentes processos. - Não distingue picos de vales. - Para processos com freqüência muito alta de vales ou picos (sinterização), não é adequado pois a distorção provocada pelo filtro ocasiona erros grandes. 20

21 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ry Rugosidade máxima (atual Rt) - Definido como o maior valor das rugosidades parciais (Zi) que se apresenta no percurso de medição (lm). - Ex.: na figura abaixo, o maior valor parcial é o Z3, que está localizado no 3º cut-off, igual a Ry. - Obs. NBR 4287 (2002) alterou símbolo para Rt 21

22 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ry Rugosidade máxima Aplicações (atual Rt) - Superfícies de vedação. - Assentos de anéis de vedação. - Superfícies dinamicamente carregadas. - Parafusos altamente carregados. - Superfícies de deslizamento em que o perfil efetivo é periódico. 22

23 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Ry Rugosidade máxima Vantagens (atual Rt) - Informa sobre a máxima deterioração da superfície vertical da peça. - É de fácil obtenção quando o equipamento de medição fornece o gráfico da superfície. - Tem grande aplicação na maioria dos países. - Fornece informações complementares ao Ra. Ry Rugosidade máxima Desvantagens - Nem todos os equipamentos fornecem o parâmetro. -Pode dar uma imagem errada da superfície, pois avalia desvios localizados. - presença de riscos feitos após a usinagem, que não caracteriza o processo, levam a resultados incorretos. 23

24 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Rt ou Rmax = Rugosidade Total (atual Rz) Corresponde à distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo no comprimento de avaliação (lm), independente dos valores de rugosidade parcial (Zi). 24

25 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Rt ou Rmax = Rugosidade Total (atual Rz) Vantagens - Considera todo o comprimento de avaliação. - Tem o mesmo emprego do Ry, mas mais abrangente, pois é determinado considerando o comprimento total de avaliação (lm). - Tem as mesmas vantagens de Ry. Desvantagens - a avaliação pode levar a resultados enganosos, por exemplo, presença de vales profundos. 25

26 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Rp altura máxima do pico do perfil = distância do pico máximo à linha média Rv - profundidade máxima do vale do perfil = distância do vale mais profundo à linha média 26

27 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Rq ou RMS - Rugosidade quadrática média Parâmetro bastante usado nos EUA, acentua o efeito dos valores do perfil que se afastam da média. 27

28 PARÂMETROS DE AMPLITUDE Rsk Fator de assimetria(skewness) Rku Fator de achatamento (Kurtosis) 28

29 EXEMPLO Qual o parâmetro de amplitude adequado para especificar a rugosidade da superfície abaixo? Aplicações em escoamento de fluidos, atrito e corrosão. 29

30 PARÂMETROS DE ESPAÇAMENTO Rsm Largura média de um elemento do perfil 30

31 EXEMPLO Corrosão, escoamento de fluidos parâmetros de amplitude iguais, porém diferenças no fator de espaçamento. 31

32 PARÂMETROS HÍBRIDOS R q Inclinação média quadrática do perfil Valores pequenos deste parâmetro indica superfície apropriada para reflexão da luz 32

33 EXEMPLO Superfícies para reflexão da luz (espelhos) 33

34 REPRESENTAÇÃO DA RUGOSIDADE Norma ABNT NBR

35 REPRESENTAÇÃO DA RUGOSIDADE 35

36 MEDIÇÃO DA RUGOSIDADE Rugosímetros determinação do perfil da rugosidade, com contato. Agulha com ponta de diamante, movimento em um eixo. 36

37 FONTES DE ERROS NA MEDIÇÃO Diâmetro da ponta da agulha Carga aplicada pela ponta da agulha Velocidade da agulha Deslocamento lateral devido às irregularidades Danos causados pela sapata ou calço Elasticidade da superfície 37

38 OUTROS MÉTODOS DE MEDIÇÃO Perfilômetros óticos: por interferometria por detecção do erro focal Sondas de varredura microscópica: microscópio de força atômica (AFM) microscópio de tunelamento (STM) 38

39 Comentários finais Escolha dos parâmetros deve ser feita em função da aplicação da superfície, sendo recomendado o uso de mais de um parâmetro para identificar particularidades desejáveis. Filtros para separar rugosidade de ondulação e desvio de forma tem sido estudados para aplicação na medição da rugosidade em superfícies de metais moles e materiais naturais (madeira). Determinação da incerteza de medição da rugosidade é um tema de estudo, pela sua complexidade. 39

40 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR ISO 4287, Especificações geométricas do produto (GPS) Rugosidade: método do perfil Termos, definições e parâmetros de rugosidade. ABNT, Agostinho,O.L., Rodrigues,A.C.L. e Lirani,J. Tolerâncias, ajustes, desvios e análise de dimensões. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, p. Dobrzanski, P., Pawlus, P. Digital filtering of surface topography: Part I. Separation of one-process surface roughness and waviness by Gaussian convolution, Gaussian regression and spline filters. Precision Engineering, 34 (2010): Raja, J. et al. Recent advances in separation of roughness, waviness and form. Precision Engineering, 26 (2002): Whitehouse, D.J. Handbook of Surface Metrology. IOP Publishing Ltd, London, p. 40

41 Vídeos: - Rugosidade superficial - Parâmetros de rugosidade: - Representação da rugosidade -Medição sem contato eature=related 41