Mediciones Especiales-Revision 2

Instituto de Ingeniería

Guía de Taller Nº: 5

MEDICIONES ESPECIALES

Cátedra: Taller de Ingeniería Confección: Ing. Sergio Martín Arocas Vigencia: Junio 2011

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Instituto de Ingeniería Cátedra “Taller de Ingeniería”

Guía de taller:

MEDICIONES ESPECIALES

Instituto de Ingeniería

Taller de Ingeniería Confeccionó: SMA Revisó: FG Página 1 de 15

Guía de taller Nº 5 MEDICIONES ESPECIALES 1. OBJETIVO El objetivo de este taller es brindarle al alumno la información y el desarrollo práctico necesario para que logre familiarizarse con el instrumental de medición propuesto para medir espesores, diámetros y profundidades de diferentes piezas y a la vez rugosidad y dureza de los diferentes materiales que conforman dichas piezas. 2. Introducción El ingeniero realiza mediciones de propiedades físicas, químicas y electromagnéticas con el fin de recopilar información, necesaria para llevar a cabo las actividades de diseño, planeamiento, dirección y control de procesos, productos y/o maquinas. Las propiedades de los materiales, como es la dureza, no tienen valores exactos. Aunque tuviéramos los instrumentos de medida más precisos y un procedimiento completamente controlado siempre vamos a tener resultados distintos en diferentes muestras de material. Muchos factores producen esa variabilidad, entre ellos el método de ensayo, las variaciones en el proceso de fabricación del material y de las probetas1 (muestras), la acción del operador, la calibración del aparato de medida, entre otras. En este taller, nos concentraremos en la medición de espesores, dureza y rugosidad de las diferentes piezas y materiales.

2.1. Espesores, diámetros y profundidad. Para el diseño de piezas, entre otras cosas, es importante conocer todas las magnitudes físicas de la misma. Una vez que las mismas han sido estudiadas y analizadas llega el momento de la producción y es en ese momento donde se

1 Probetas (Definición):

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deben verificar todas las consideraciones que se tuvieron en la primera instancia. En los procesos de manufactura se requiere de ciertos elementos como materia prima, mano de obra y tecnología de fabricación. El resultado de este proceso de producción es el producto. El mismo tiene una característica muy importante que es la calidad2. Para lograr un producto de buena calidad se deben poder controlar todos y cada una de las instancias del proceso. En general cuando se llega al final del proceso, se realiza una inspección visual de todas las piezas y se selecciona una porción para realizar mediciones manuales de verificación, como lo pueden ser los recubrimientos de pintura epoxi y diámetros en la producción de caños para instalaciones de gas natural o la medición de las profundidades de las ranuras donde se alojan los aros en un pistón, etc. A través de los diferentes instrumentos de medición se pueden medir espesores en láminas como espesores de paredes de tubos donde utilizaremos espesímetros, como así también son utilizados los calibres para medición de diámetros y profundidades. De esta forma se verifican los parámetros de diseño más relevantes de los productos y en función de estos son evaluados y se desecha o pasa a comercialización.

2.2. Rugosidad Desde el punto de vista de la ingeniería se puede decir que la descripción del conjunto de particularidades de la geometría que caracteriza una superficie, se lo conoce como rugosidad. La cuantificación de la rugosidad es uno de los problemas que aborda la topometría3. Algunas consideraciones de importancia a la hora de cuantificar la rugosidad las tiene tanto la industria como la vida cotidiana, donde en ocasiones es importante tener una alta rugosidad y en otras es una condición indeseable. Cuando se busca reducir el fenómeno de desgaste y la corrosión o erosión de materiales que trabajan a fricción es importante tener una superficie con la menor rugosidad posible para que además de evitar problemas mecánicos, la pieza tenga una buena terminación superficial. Por otra parte, la fricción entre dos superficies es lo que permite sujetar un objeto sin que este se deslice, la rugosidad de los neumáticos de los automóviles es lo que favorece la fricción entre ellos y el suelo, permitiendo de esta manera el agarre y el avance seguro y controlado. Cuando se analizan las superficies con el fin de verificar su rugosidad, se pueden distinguir superficies donde la rugosidad no tiene una dirección o patrón geométrico preferente o definido, a estas superficies se las conocen como estocásticas o aleatorias, por ejemplo, las superficies que resultan de romper un objeto generalmente son de este tipo.

2 Definición de Calidad: Grado en el que un conjunto de características inherentes cumplen con las

necesidades o expectativas establecidas, que suelen ser implícitas u obligatorias. 3 Topometría: Es el conjunto de operaciones efectuadas sobre el plano para la determinación métrica de

sus elementos topográficos.

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Las superficies con un patrón geométrico distinguible se conocen como deterministas. Por ejemplo, la superficie que queda luego de ser maquinada una pieza en un torno. El método más usado en la industria para cuantificar la rugosidad se basa en el registro de perfiles de alturas mediante un rugosímetro. El tratamiento estadístico de los datos permite determinar parámetros como la rugosidad rms (Rrms) y la rugosidad promedio (Ra). La rugosidad de la superficie se define como el promedio de las desviaciones verticales a partir de la superficie nominal, en una longitud especificada de la superficie. Por lo general se utiliza un promedio aritmético, con base en los valores absolutos de las desviaciones verticales como se muestran en la siguiente figura, este valor de la rugosidad se conoce con el nombre de rugosidad promedio.

Figura: Desviaciones respecto de la superficie nominal. En forma de ecuación es

∫| |

Donde,

, es la media aritmética de la rugosidad y, es la desviación vertical a partir de la superficie nominal (convertida a valor absoluto), Lm, es la distancia especificada en la que se miden las desviaciones de la superficie. Una aproximación de la ecuación anterior está dada por:

∑| |

Donde,

, es la media aritmética de la rugosidad yi , son las desviaciones verticales convertidas a valor absoluto e identificadas por el subíndice i n, es el número de desviaciones incluidas en Lm.

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En la actualidad el método de promedios es el que más se emplea para expresar la rugosidad de una superficie. Una alternativa a la rugosidad promedio es el promedio según la raíz media cuadrática (RMS), que es la raíz cuadrada de la media de las desviaciones elevadas al cuadrado sobre la longitud de medición. En forma de ecuación es:

√

∑| |

Donde, Rrms, es la rugosidad según la raíz media cuadrática. El rugosímetro es el equipo más utilizado en la industria para medir la rugosidad de componentes comunes de ingeniería.

2.3. Dureza Cuando se mide alguna propiedad de un material se debe tener en cuenta que existen discontinuidades y ligeras diferencias en composición de un punto a otro y de un lote de material a otro. Desde luego, deben tomarse todas las precauciones para minimizar errores en las mediciones, así como minimizar aquellos factores que generan la variabilidad en lo resultados. Es importante que el ingeniero se dé cuenta de que esta dispersión y variabilidad de las propiedades de los materiales es inevitable y deben considerarse de forma apropiada. Una forma de considerarlo es a través de un análisis estadístico de las mediciones. A pesar de la variación en las propiedades medidas, es conveniente especificar un “valor típico”. Frecuentemente el valor típico se toma como el promedio de los valores experimentales. Este se obtiene dividiendo la suma de todos los valores medidos por el número de medidas. Definición de dureza: es la resistencia que ofrece un material a la penetración de un indentador4 que se presiona sobre la superficie de la muestra, con una fuerza conocida Esta es una de las pruebas que más se usa en los laboratorios de las industrias metalmecánica porque es muy sencilla y se puede realizar fácilmente. Además con los resultados obtenidos se puede calcular aproximadamente la resistencia máxima del material, utilizando tablas de equivalencia como las que aparecen en la norma ASTM5. Estas tablas dan valores de equivalencia entre la dureza Brinell, Rockwell y resistencia máxima. Estas se construyen para cada material con base en datos experimentales. La dureza Brinell, emplea como identador una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco

4 Identador: Elemento penetrador sobre el que se aplica una carga conocida en el ensayo de dureza.

5 ASTM: American Society for Testing Materials, organismo de normalización de los Estados Unidos.

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precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción. A diferencia de la dureza Rockwell que utiliza como identador un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la impronta6. Para realizar cualquier prueba de dureza se deben tener en cuenta algunas pautas generales que garantizan el buen desarrollo del experimento.

1. La superficie del material que se va a ensayar debe estar limpia y pulida.

2. Para garantizar que el penetrador se aplica en dirección perpendicular a la superficie del ensayo, ésta debe ser paralela a la cara en que se apoya la muestra.

3. El espesor de la muestra debe ser suficiente para que la huella no pase a la plataforma de apoyo (generalmente el espesor de la muestra debe ser al menos 10 veces mayor que la profundidad de impresión esperada).

4. La distancia entre los centros de dos impresiones o entre el centro de una impresión y el borde de la muestra debe ser mayor de 2,5 veces el diámetro de la impronta.

5. Cuando se mide dureza sobre una superficie curva, el radio de curvatura no debe ser menor de 25mm.

6. La precisión del aparato con que se hacen las mediciones se debe verificar con patrones certificados

3. Desarrollo Teórico

3.1. Instrumentos utilizados

Para la medición de espesores se utilizan instrumentos denominados espesímetros. Existen distintos tipos de en función de su principio de funcionamiento. Entre ellos se encuentran los siguientes:

Espesímetro mecánico con rodillo: instrumento de medición utilizado para la medición de láminas en movimiento

Espesímetro mecánico milesimal: instrumento de medición utilizado para la medición de láminas especialmente.

Espesímetro mecánico para tubos: instrumento de medición utilizado para la medición de espesores de tubos.

Para la medición de dureza se utilizan instrumentos denominados durómetros. Existen distintos tipos según la medición que se necesita realizar, entre ellos se encuentran los que se nombran a continuación:

6 Impronta: es la impresión, huella o marca que deja un objeto en otro.

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Durómetros Shore A: instrumento que permite controlar la dureza de gomas, caucho, cueros, PVC blando, poliéster, etc.

Durómetros Shore D: instrumento que permite controlar la dureza de acrílicos, plásticos duros, termoplásticos rígidos, vinilo, vidrio, etc.

Durómetro digital multiescala: equipo que permite medir la dureza a una amplia variedad de metales tales como acero, acero para herramientas, fundición de hierro gris, aluminio, bronce, cobre, etc.

Para la medición de la rugosidad superficial, se utiliza un instrumento denominado rugosímetro.

Rugosímetro: equipo para la determinación del estado superficial de piezas o partes.

Para la medición de diámetros, ranuras y profundidades existen instrumentos destinados específicamente para la medición, algunos de estos se detallan a continuación:

Calibre digital medición de ranuras ó diámetros internos: instrumento de medición que se utiliza para medir y comparar diámetros interiores, ranuras, etc.

Calibre digital medición de profundidad: instrumento de medición utilizado para la medición de profundidades.

Micrómetro mecánico para ranuras internas: instrumento de medición utilizado para determinar

3.2. Definiciones:

Para el desarrollo del laboratorio es necesario conocer ciertas definiciones sobre el proceso de medición. Independientemente del diseño, su funcionamiento y las magnitudes que miden, los instrumentos de medición poseen ciertas características comunes, las cuales son (norma IRAM 32 – Metrología. Vocabulario): Rango de indicación: expresa los valores límites, inferior y superior, que mide el instrumento. Intervalo de medición: Diferencia entre los límites del rango. Valor de división: Diferencia entre los valores de dos marcas sucesivas de la escala. Resolución: Menor diferencia entre indicaciones que puede ser distinguida. Precisión: proximidad entre los valores medidos de un mismo objeto o de objetos similares, obtenidos en mediciones repetidas bajo las mismas condiciones de operación. Exactitud: Proximidad entre un valor medido y un valor verdadero de un mensurando.

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4. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

Se proponen 3 experimentos a desarrollar, donde se pondrán en práctica los conocimientos adquiridos en la capacitación teórica dada por el profesor. Para ello, se dispone del siguiente instrumental:

1. Espesímetro mecánico con rodillo 2. Espesímetro mecánico milesimal 3. Espesímetro mecánico para tubos 4. Micrómetro mecánico para ranuras internas 5. Calibre digital medición de ranuras y/o diámetros internos 6. Calibre digital medición de profundidad 7. Durómetros Shore A 8. Durómetros Shore D 9. Durómetro digital multiescala 10. Rugosímetro

Los experimentos a desarrollar son:

A. Medición de espesores

Instrumentos

Cada grupo de trabajo medirá el espesor en diferentes puntos de la pieza, para esto utilizará el instrumental que requiera para la medición, los cuales se muestran en las figuras y son:

a. Espesímetro mecánico con rodillo b. Espesímetro mecánico milesimal c. Espesímetro mecánico para tubos

(a) (b) (c)

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Elementos a medir

Las piezas a medir son tubos de PVC, caños de hierro o plástico para termofusión, caños lisos para instalaciones eléctricas de hierro o PVC, para la medición de espesores en tubos. Para la medición de espesores con el espesímetro mecánico de rodillo, se utilizaran piezas tales como perfiles abiertos de diferentes materiales como puede ser aluminio, hierro, chapa de zinc, etc.

Resultados y comentarios Cada integrante del grupo tomará, al menos, una medición. Los datos obtenidos se tabularán y se realizará un gráfico que refleje la variación de la medición en función de la distancia. Con los resultados obtenidos, se realizarán comentarios sobre el experimento.

B. Mediciones internas Las mediciones internas se refieren a mediciones de ranuras internas, diámetros y profundidad que poseen numerosas piezas.

Instrumentos

Cada grupo de trabajo medirá profundidades, diámetros internos y ranuras de la pieza que ha elegido, para esto utilizará el instrumental que requiera en la medición, los cuales se muestran en las figuras y son:

a. Micrómetro mecánico para ranuras internas b. Calibre digital medición de ranuras y/o diámetros internos c. Calibre digital medición de profundidad

(a)

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(b) (c)

Elementos a medir

Las piezas a medir son pistones de diferentes motores, cilindro del motor de ciclomotor, disco de freno, poleas, etc.

Resultados y comentarios Cada integrante del grupo tomará, al menos, una medición. Los datos obtenidos serán volcados en una tabla. Con los resultados obtenidos, se realizarán comentarios sobre el experimento.

C. Medición de dureza y rugosidad En este ensayo se medirá la dureza de los diferentes materiales que ya han sido utilizados en las anteriores pruebas, y además se medirá la rugosidad de la superficie de cada pieza.

Instrumentos Cada grupo de trabajo medirá la dureza y rugosidad de la pieza que ha elegido, para esto utilizará el instrumental que requiera en la medición, los cuales se muestran en las figuras y son:

a. Durómetros Shore A b. Durómetros Shore D c. Durómetro digital multiescala d. Rugosímetro

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(a) (b)

(c) (d)

Elementos a medir Las piezas a utilizar en este ensayo son todas las utilizadas en las actividades anteriores.

Resultados y comentarios Cada integrante del grupo tomará, al menos, una medición con cada instrumento. Los datos obtenidos serán volcados en una tabla. Con los resultados obtenidos, se realizarán comentarios sobre el experimento.

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D. Informe de Laboratorio. Se realizará un informe grupal con los siguientes contenidos mínimos.

Introducción.

Metodología e Instrumental.

Croquis y Tabla de Relevamiento.

Cálculos y cuadro de resultados.

Conclusión: Deberá analizar el procedimiento seguido y dar respuesta a lo siguiente: ¿Qué observación puede el grupo realizar de las mediciones realizadas? ¿Cómo deciden que instrumento de medición utilizar? (Piense en el uso posterior de la medida) Bibliografía

1) Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros, James

Shakelfort, Pearson Educación, 6 Edición, 2005. 2) http://www.todomedicion.com.ar 3) La rugosidad de las superficies: Topometría, Moisés Hinojosa Rivera,

Martín Edgar Reyes Melo, Ingenierías, Vol IV, Nº 11, 2001. 4) Ciencia de los materiales, Manual de laboratorios de la Universidad de

Don Bosco

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Anexo I Características técnicas de los instrumentos utilizados en cada práctica de este taller.

A. Medición de espesores

1. Espesímetro mecánico con rodillo Características

Puntas de medición tipo rodillo, diseñado para medición

de láminas en movimiento.

Capacidad de medición: 0-10mm

Lectura: 0,01mm.

Palanca levanta palpador.

Mecanismo del reloj montado sobre 6 anclajes de rubí.

Profundidad de garganta 100mm.

2. Espesímetro mecánico milesimal Características

Espesímetro mecánico, especial para la medición de láminas o films.

Portátil, preciso y de muy fácil uso.

Topes planos de acero de 10 mm de diámetro

Capacidad: 0 – 1 mm ( 0 – 1000 µm)

Palanca levanta palpador

Mecanismo del reloj montado sobre anclajes de rubí

Profundidad de arco: 30 mm

3. Espesímetro mecánico para tubos Características

Diseño para medición del espesor de pared de tubos

Portátil y de muy fácil uso

Diseño ergonómico

Rango de medición: 0 – 10 mm

Lectura: 0.01 mm

Punta de contacto, diámetro 2,5 mm (Superior)

Tope inferior esférico de 3,5 mm de diámetro

Aro metálico giratorio para su puesta en cero

Palanca de accionamiento del mecanismo

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B. Mediciones internas

4. Micrómetro mecánico para ranuras internas

Características

Diseñado para la medición de interiores

Dos puntos de contacto

Crique regulador del esfuerzo de medición Especificaciones

Modelo Rango Lectura Anillo

SC30401000 5-30mm

0.01mm

Ø5mm

SC30402000 25-50mm Ø25mm

SC30403000 50-75mm -

SC30404000 75-100mm -

5. Calibre digital medición de ranuras y/o diámetros internos Características

Medición de ranuras o diámetros internos

Puesta en cero en cualquier posición

Conversión milímetro / pulgada

Tecla de apagado

Salida de datos (cable e interface opcionales)

Alimentación: 1 batería SR44 Especificaciones

Modelo Rango Lectura A B C D E

SC115101 20-150mm

0.01

36 30 1

5

11

SC115102 25-200mm 46 40 1 12.5

SC115103 30-300mm 56 50 1.5 15

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6. Calibre digital medición de profundidad

Características

Medición de diámetros internos en profundidad

Mandíbulas tipo cuchilla.

Puesta en cero en cualquier posición.

Conversión milímetro / pulgada.

Tecla de apagado.

Salida de datos (cable e interfase opcionales).

Alimentación: 1 batería SR44. Especificaciones

Modelo Rango Lectura A B

SC113101 15-150mm

0.01mm

60 12

SC113102 18-200mm 75 14

SC113103 20-300mm 90 15

C. Medición de dureza y rugosidad

7. Durómetros Shore A

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Características

Permite controlar la dureza de gomas, caucho, cueros, PVC blando, polyester, elastómeros en general, etc.

Fabricado conforme a las tolerancias establecidas por las normas ISO 868, ISO 7619, ASTM D2240, JIS K6301 y DIN 53505.

Indicación: 0 - 100 HA

Lectura: 1 HA

8. Durómetros Shore D Características

Permite controlar la dureza de yeso, escayola, cerámicas, goma y plástico de dureza media, etc.

Fabricado conforme a las tolerancias establecidas por las normas ISO 868, ISO 7619, ASTM D2240, JIS K6301 y DIN 53505.

Indicación: 0 - 100 HC.

Lectura: 1 HC.

Opcional: base porta durómetro BADU-2

Provisto en estuche plástico.

9. Durómetro digital multiescala Características

El modelo SC1000 es un avanzado durómetro digital portátil multifuncional cuyas principales características son su excelente precisión, su amplio rango de medición y su simplicidad de uso.

Permite controlar una amplia variedad de metales, tales como acero, acero para herramientas, acero inoxidable, fundición de hierro gris, hierro fundido, fundición de aluminio, latón, bronce, cobre, etc.

Entre sus principales funciones caben destacar la gran capacidad de almacenamiento de datos (hasta 1250 registros), los cuales pueden ser visualizados en cualquier momento en el visor del instrumento, como así tambien descargados a una PC a través de su salida de datos RS232

Permite además establecer los límites de tolerancia superior e inferior para juzgamiento pasa / no pasa de las muestras

Configurando su calendario y reloj interno, podrá conocer la fecha y hora de las mediciones realizadas.

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Especificaciones

Visor LCD 128×64 puntos

Rangos de Medición

HL 180-960 HRC 17.0-68.0 HRB 13.5-100 HS 5.0-99.0 HB 30-680 HV 80-999

Aplicación en diferentes materiales

Acero, Acero para herramienta, Acero inoxidable, Fundición de hierro gris, Fundición de hierro, Fundición de aluminio, Latón, Bronce, Cobre.

Escalas de dureza HL, HRC, HRB, HS, HB, HV

Precisión ±0.5%

Almacenamiento de Datos 1250 Grupos

Lectura de los datos almacenados

Sí

Salida para Impresora de datos

Sí

Salida de datos RS232 Sí

Indicación de Batería baja Sí

Reloj Sí

Apagado automático Sí

Dimensiones 108 × 61 × 25mm

Peso 180g

10. Rugosímetro Características

Extremadamente fácil de operar

4 diferentes parámetros de medición

Salida de datos RS232 hacia impresora TA220S ó PC

Batería recargable Li-ion

Fabricado conforme a especificación ISO

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