Determinación Experimental de La Rugosidad y La Pérdida Por Conexión

7/23/2019 Determinacin Experimental de La Rugosidad y La Prdida Por Conexin

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

Y ARQUITECTURATICOMAN

DETERMINACIN EXPERIMENTALDE LA RUGOSIDAD Y LA PERDIDA PORCONEXIONES

ALUMNO: BARRIOS SUAREZ CRISTIAN JASSIEL


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Determinacin experimental de la rugosidad y la prdida por conexin

Las imperfecciones superficiales se clasifican en:

Rugosidades: producto de las huellas de la herramienta empleada para fabricar lapieza

Ondulaciones: causadas por los desajustes de las muinas!herramienta utilizadasen el mecanizado

"mperfecciones mixtas: ambos defectos superficiales aparecen conjuntamente

rugosidades superficiales

Las rugosidades superficiales son el conjunto de irregularidades de la superficie real#definidas con$encionalmente en una seccin donde los errores de forma y las ondulaciones

han sido eliminadoso %l aspecto de la superficie de una pieza depende# principalmente# del material con el

cual se fabrica la pieza y de su proceso de conformado

&roceso de fabricacin

%n el proceso de fabricacin existe una implicacin econmica# por lo ue en el proceso defabricacin debe cumplir dos condiciones:

o 'alidad m(nima: La calidad de la superficie debe ser suficiente para ue la pieza

cumpla su funcin )poco coste*

o 'alidad mxima: La calidad de las piezas debe ser compatible con el costo de lapieza y# por tanto# no debe ser mayor del necesario )mucho coste*

+ay muchos parmetros ue nos sir$en para medir la rugosidad# y todos ellos se puedenclasificar en , tipos fundamentales:


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Respecto a la direccin de las alturas

Des$iacin media aritmtica del perfil# altura de las irregularidades en diez puntos# altura

de una cresta del perfil# profundidad de un $alle del perfil# altura de una irregularidad delperfil# profundidad de un $alle del perfil# etc-*

Respecto a la direccin trans$ersal

Respecto a la forma de las irregularidades

%l parmetro de medida de la rugosidad ms utilizado es la rugosidad media Ra )des$iacinmedia aritmtica del perfil*-

%n la siguiente figura se muestra una pieza torneada )donde se aprecia la direccin de lasestr(as*- .e genera una orientacin de la rugosidad# adoptando la superficie la forma de unasucesin de $alles y crestas- %l proceso de mecanizado# adems de reducir la rugosidadinicial# introduce estr(as en la superficie de la pieza# seg/n la direccin en la cual seproduce el arranue de material-

.e denomina rugosidad Ra a la media aritmtica de las des$iaciones de la cur$a del perfilcon respecto a la l(nea media de la longitud bsica La l(nea media se obtiene porprocedimientos matemticos )como el mtodo de los m(nimos cuadrados*-

&ara la cur$a de la figura# siendo an las alturas de las crestas o las profundidades de los$alles# la rugosidad Ra se estimar(a como:


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Rugosmetro Palpador inductivo.

El desplazamiento de la aguja al describir las irregularidades del perfil modifica la longitud delentrehierro del circuito magntico, y con ello el flujo de campo magntico que lo atraviesa,generando una seal elctrica.

Rugosmetro Palpador capacitivo.

El desplazamiento vertical del palpador apro!ima las dos l"minas de un condensador,modificando su capacidad y con ella la seal elctrica.

Rugosmetro Palpador piezoelctrico

El desplazamiento de la aguja del palpador de forma el"sticamente un material piezoelctrico,que responde a dicha deformaci#n generando una seal elctrica.

Rugosmetro Patn mec"nico

El patn describir" las ondulaciones de la superficie mientras la aguja recorra los picos y valles

del perfil. $s se separan mec"nicamente ondulaci#n y rugosidad que son simplementedesviaciones respecto de la superficie geomtrica con distinta longitud de onda.

%iltrado elctrico

&a seal elctrica procedente del palpador puede pasar a un filtro para eliminar las

ondulaciones, esto es, disminuir la amplitud de sus componentes a partir de una longitud de

onda ', (longitud de onda de corte).

R01O.23%4RO

"nstrumento de medida de la rugosidad superficial

%l rugos(metro determina electrnicamente el perfil de la pieza en una seccin trans$ersalcon respecto a la direccin de las estr(as


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.e mide la profundidad de la rugosidad media en diez puntos Rz # y el $alor de la rugosidadmedia Ra # expresada en micras

Las normas de rugosidad son las siguientes:

D"5 6789# D"5 678# D"5 677;# D"5 677< %l alcance de la rugosidad de superficies se encuentra en la norma D"5 6788!;

Los $alores de rugosidad Ra se clasifican en una serie de inter$alos 5x )siendo x un

n/mero del ; al ;9* seg/n se indica en la 4abla de clases de rugosidad

Las clases de rugosidad se pueden agrupar# seg/n la apreciacin $isual o tctil# en lossiguientes grados:

o 5;!56 = La superficie es especular-o 5

)pero si con lupa*-o 57!5 = Las marcas de mecanizado se aprecian con la $ista pero no con el tacto-o 5>!5;9 = Las marcas de mecanizado se aprecian con la $ista y con el tacto-


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La clase de rugosidad se consigue seg/n el proceso de fabricacin de la pieza

a ? @alor de la rugosidad# en micrmetros# o (ndice de rugosidad )de 5; a 5;9*-


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b ? &roceso de fabricacin# tratamiento o recubrimiento

c ? Longitud bsica

d ? Direccin de las estr(as de mecanizado )$er tabla*

e ? .obremedida para mecanizado

f ? Otros $alores de rugosidad )entre parntesis*

%jemplo


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;# 8 $alor Ra de la rugosidad en Am )mejor sustituirlo por la clase*-

9 $alor de la altura de la ondulacin )no necesario*-

? orientacin de la rugosidad )en este caso paralela a la l(nea*-

B# ;, paso de la rugosidad en Am )no necesario*

8 $alor del paso de la ondulacin en mm )no necesario*-

4eor(a de +ertz

La teor(a de +ertz se basa en ue la rugosidad de una superficie slo existe a una escalaespacial- Describe la superficie como una sucesin homognea de bolas de igual radio#todas colocadas con su centro a la misma altura )@er figura ;*- Dicho modelo empiezaanalizando el contacto simple existente entre dos bolas elsticas homogneas de radios R;y R9# apretadas una contra otra con una fuerza C- Determina el campo de deformacinminimizando la energ(a de deformacin elstica- %l modelo de +ertz tiene $arias

inexactitudes# como la hiptesis de partida de ue la rugosidad existe solamente a unaescala# el hecho de ue slo es $lida para contacto elstico )pudiendo ser generalizada acontacto adhesi$o# resultando la teor(a de ohnson!Eendall!Roberts# ER*# y el hecho deue supone ue no exste interaccin entre los campos de deformacin creados por lasdistintas esferas al contactar la superficie- F/n as( es un referente histrico ue no puedefaltar en cualuier estudio de la rugosidad


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4eor(a de 1reenGood y Hilliamson

La teor(a de 1reenGood y Hilliamson )1H * es hija de la teor(a de +ertz y trata de supliren cierta medida las carencias de la anterior# pero hereda de ella gra$es deficiencias- %n lateor(a de 1H se asume tambin ue la rugosidad se d solamente en una escala de longitud-.e postula ue la superficie est formada por una distribucin homognea de asperidadesue aproxima por esferas de igual radio# como la de +ertz- La /nica diferencia es ue 1Hentienden ue las superficies no son perfectas y posicionan sus bolas con una distribucin1aussiana de alturas

con h la amplitud rms de las fluctuaciones en altura de las cimas de las bolas- Fsumen

tambin ue pueden rechazar la interaccin elstica entre las regiones de contacto de lasasperezas# como su predecesor- %l resultado es ue el &.D tiene la forma de una deltaalrededor de m correspondiente a la longitud de onda /nica Im ? 9J m a la ue se d larugosidad: ')* ? 'BK) m*-


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4eor(a de &ersson

La teor(a de &ersson se basa en ue la rugosidad existe a $arias escalas- 'uando miramos

un slido# percibimos en l una rugosidad ue podemos resol$er con la $ista# pero simiramos con una lupa $eremos ue auellas zonas ue nos parec(an planas a primera $ista#estn llenas tambin de rugosidades- La teor(a de &ersson se basa en ue este proceso serepite conforme $amos magnificando la superficie hasta el l(mite f(sico ue ser(a unadistancia atmica-

Desarrollo experimental

4oma de imgenes y preparacin de muestras&ara la toma de imgenes se ha utilizado un microscopio FC3 comercial con mejorascaseras- 5uestro objeti$o es medir la dimensin fractal de una superficie autoaf(n- &ara talexperimento elegimos una oblea de silicio# ya ue es muy plano- %l proceso de limpieza dela oblea de silicio consisti en someterla a $arios ciclos de acetona en ultrasonidos seguidade 0@ y alcohol en ultrasonidos seguida tambin de 0@- 4ras $arios ciclos# la muestrasegu(a bastante contaminada as( ue finalmente fue sometida a bombardo de iones deargn en condiciones de alto $ac(o dentro de una campana comercial- 'on elloconseguimos una muestra muy plana y con superficie estad(stca- Las imgenes tomadascorresponden a .i de < micras y a imgenes de miscroscopio sin barrido )B micras*- &aradeterminados procesados de las imgenes usaremos el programa H.x3# mientras ue para

otros# utilizaremos un programa en el lenguaje 3athemtica# de elaboracin propia-


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Densidad espectral de rugosidad

&uesto ue basamos nuestro desarrollo en la densidad espectral de energ(a )&.D*# ya eshora de ue pongamos una imagen- @er figura 6- 0tilizando el programa H.x3 obtenemosun &.D en 9D para una determinada imagen# las unidades son nm6 en las ordenadas y

nm; en las abscisas- 'omo se obser$a# no es el &.D ue podr(amos esperar- .eg/n lateor(a# la pendiente se relaciona con la dimensin fractal Df M9# ,N a tra$s del exponentede +urst a ? 9)+ ;*# donde a ser(a la pendiente de la recta ue ajusta el &.D tal ue + MB# ;N# por tanto tendr(amos ue la pendiente debe ser a M6# 9N- &ero# aunue en lafigura 6 $emos incluso dos pendientes# ninguna de ellas entra dentro de ese rango- La rectade menor pendiente de ellas es a; P ;#7 y la segunda a9 P 6#


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Direccin de barrido

%n esta seccin $amos a tratar de explicar los resultados obtenidos cuando hacemos unaimagen a Bo y a >Bo - %n la figura > $emos el &.D de dos imgenes )azul y $erde*# ambasde < micras y ambas a la misma frecuencia- Lo /nico ue cambia es el ngulo- %l &.D paraambas direcciones coincide- Scmo puede ser as(U S5o hab(amos dicho ue ten(an unadiferencia de >Bo U S5o deber(a corresponder el &.D rpido de una con el lento de la otraULa respuesta es: no siempre- @amos a analizarlo poco a poco- %mpecemos por el hecho deue coincidan los dos &.D del eje rpido- %s estupendo ue coincidan porue nos estinformando de dos cosas:

3OD%LF'"V5 D% LF R01O."DFD

%stimacin del coeficiente de rugosidad# seg/n: n de 3anning y f de Darcy W Heisbach

'onsideraciones asociadas al coeficiente de rugosidad de 3anning-

0na gran cantidad de esfuerzos tanto experimentales como tericos se han lle$ado a cabo

desde la aparicin en ;8> de la famosa y uni$ersalmente aceptada frmula de 3anningpara la determinacin de la $elocidad media en una seccin particular de un canal- 4alesesfuerzos han estado encaminados a la obtencin del $alor del coeficiente de rugosidad n#el cual $ar(a de acuerdo con las condiciones hidrulicas y de geometr(a de cada problemaparticular-


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F partir de su relacin estrecha con el coeficiente ' de 'hXzy M$er 'hoG# ;>9# cap- #N# eln de 3anning puede expresarse como sigue:

Los clculos indican ue# en un amplio rango de RYZs# la $ariacin de [)RYZs* es peue\a-'omo una aproximacin# [)RYZs* se puede asumir constante e igual a un $alor medio-

La ra(z sexta de la altura de la rugosidad# Zs- La altura de rugosidad utilizada por .tricZleres el tama\o medio de la malla del material# es decir# el D


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altura de rugosidad Zs- De otro lado# la friccin en la pared del flujo en canales es bastantesimilar a la del flujo estacionario en conductos y se puede correlacionar adecuadamente conel diagrama de 3oody o la frmula de 'olebrooZ W Hhite

&ara el flujo turbulento con una pared rugosa# donde f?^BY_09 y Dh# el dimetrohidrulico es igual a 6FY& ? 6R- %n muchos de los anlisis de canales abiertos# y este noser la excepcin# se utiliza el radio hidrulico R# igual a la cuarta parte del dimetrohidrulico

Fs( para flujo dominado por la rugosidad:

&rdidas 3enores

Los componentes adicionales )$l$ulas# codos# conexiones en 4# etc-* contribuyen a laprdida global del sistema y se denominan prdidas menores- La mayor parte de la energ(aperdida por un sistema se asocia a la friccin en las porciones rectas de la tuber(a y sedenomina prdidas mayores-

&or ejemplo# la prdida de carga o resistencia al flujo a tra$s de una $l$ula puede ser unaporcin importante de la resistencia en el sistema- Fs(# con la $l$ula cerrada la resistenciaal flujo es infinita] mientras ue con la $l$ula completamente abierta la resistencia al flujopuede o no ser insignificante-


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0n mtodo com/n para determinar las prdidas de carga a tra$s de un accesorio o fitting#es por medio del coeficiente de prdida EL )conocido tambin como coeficiente deresistencia*

Las prdidas menores tambin se pueden expresar en trminos de la longitud eui$alente

Le :


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