Rugosidade da superfície na fabricação

Introdução

A rugosidade da superfície é uma consideração de fabricação importante que descreve a variação microscópica em uma superfície. Essas imperfeições, geralmente medidas em micrômetros (µm) ou micropolegadas (µin), podem ser decorrentes de usinagem, fundição, manufatura aditiva, desgaste ou reações químicas. Pequenas variações podem ter um impacto significativo sobre o desempenho, a aparência e a vida útil de um componente individual. Portanto, o controle e a medição da rugosidade da superfície são essenciais em diversos setores, como automotivo e aeroespacial, dispositivos médicos e eletrônicos.

O que é rugosidade da superfície?

A rugosidade da superfície é a textura da superfície em escala fina, como picos, vales e ondulações. A rugosidade da superfície não deve ser confundida com ondulação da superfície, o estado de irregularidades de comprimento de onda maior, ou erros de forma, desvios da geometria planejada.

As causas da rugosidade da superfície são essencialmente devidas ao processo de fabricação:

- Usinagem: Os micro-ranhuras são criados com o uso de ferramentas de corte; a rugosidade depende da afiação da ferramenta e da taxa de avanço. É possível obter um Ra de 0,2 µm com ferramentas de boa qualidade em uma peça aeroespacial de alumínio fresada por CNC, por exemplo, com cortes mais grosseiros de Ra de mais de 1,6 µm.

- Fundição: A textura da superfície é uma função das taxas de solidificação e do material do molde; as peças de alumínio fundido geralmente têm um Ra de 1-3 µm.

- Manufatura aditiva: Estruturas em degraus são criadas por meio de impressão em camadas; o aço inoxidável de fusão seletiva a laser (SLM) sem pós-processamento tem a capacidade de atingir valores de Ra de até 10 µm.

Métodos com e sem contato estão disponíveis para medir a rugosidade da superfície, com informações essenciais para o controle de qualidade e a validação do desempenho.

Por que a rugosidade da superfície é importante?

A rugosidade da superfície tem um impacto direto sobre:

- Desempenho funcional: A superfície irregular gera atrito e desgaste. Por exemplo, em anéis de pistão de automóveis, um valor de Ra superior a 0,8 µm pode aumentar o atrito, o que reduz a eficiência do motor em até 2 a 3%. Por outro lado, uma superfície com bom acabamento (Ra ~0,2-0,4 µm) melhora a retenção de lubrificação e aumenta a vida útil do componente.

- Qualidade estética: Os produtos eletrônicos de consumo com preço premium exigem superfícies com acabamento com menos de 0,1 µm Ra para obter uma aparência premium suave.

- Resistência: A rugosidade da superfície pode servir como concentrador de tensão e causar o início de trincas por fadiga. Em lâminas de turbina para aplicações aeroespaciais, descobriu-se que manter a rugosidade da superfície em Ra ≤ 0,5 µm aumenta a vida útil da fadiga em mais de 15% sob condições de carga cíclica.

Métodos de medição da rugosidade da superfície

Métodos de contato

1. Profilômetros: Um estilete com ponta de diamante faz a varredura da superfície e registra os desvios. Os profilômetros muito precisos podem medir valores de Ra a partir de 0,01 µm e são adequados para semicondutores de precisão e peças metálicas.

2. Medidores táteis: Os medidores de contato fornecem leituras rápidas para testes de controle de qualidade de rotina, como verificar se uma peça plástica moldada atende à especificação de Ra < 1 µm.

Métodos sem contato

1. Profilometria óptica: Use interferometria ou microscopia confocal para medir superfícies sem contato, o que é ideal para materiais macios ou delicados, como revestimentos de película fina ou implantes médicos.

2. Escaneamento a laser: Lasers rápidos escaneiam a topografia de grandes superfícies, o que é ideal para painéis aeroespaciais em que a uniformidade de Ra é significativa em superfícies curvas.

Influências na medição da rugosidade da superfície

A medição precisa depende de várias influências:

- Material da superfície: Os metais dúcteis se deformam ao serem tocados e distorcem os resultados; o alumínio, o titânio e o aço inoxidável exigem forças distintas do estilete.

- Ambiente de medição: As variações de temperatura, vibração e níveis de iluminação podem distorcer as leituras. Nos laboratórios de precisão, as medições são realizadas a 20 ± 1°C para excluir os efeitos da expansão térmica.

- Calibração de instrumentos: Os perfilômetros e scanners ópticos devem ser calibrados com base em padrões de rugosidade credenciados, geralmente por sessão de medição, para garantir a repetibilidade.

Aplicações da medição de rugosidade da superfície

Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

Qual é a unidade de medida padrão para a rugosidade da superfície?

Micrômetros (µm) ou micropolegadas (µin).

Por que a rugosidade da superfície é fundamental na fabricação?

Ela afeta o desempenho, a durabilidade e a aparência, além de garantir que os componentes estejam dentro das especificações funcionais e de projeto.

A rugosidade da superfície pode ser aprimorada após a produção?

Sim, por meio de esmerilhamento, polimento, lapidação ou revestimento para o acabamento, conforme necessário.

Qual é a diferença entre Ra e Rz?

Ra é uma medida de rugosidade média, enquanto Rz é a altura média do pico ao vale ao longo de um comprimento de amostragem e são dados complementares.

Quando os instrumentos devem ser calibrados?

A calibração é realizada antes do uso ou conforme necessário, usando padrões de rugosidade certificados para obter precisão.