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Metrología técnicaLa metrología técnica se ocupa de la medición en las fabricaciones mecánicas, en el más
amplio sentido de la palabra. Abarca desde las mediciones groseras con reglas milimetradas, hasta las mediciones con complejas máquinas de medir, con precisiones de lectura de 0,5 micrones, con instrumentos óptico-mecánicos hasta el 0,1 micrón (Microindicador SIP) y con amplificadores mecánicos como el Microkator de Johansson, también de 0,1 de micrón de lectura. Podemos agregar aún, los procedimientos interferométricos para la verificación de bloques patrón, que alcanza la mayor precisión obtenida hasta el presente, del orden de los 0,02 micrones, con instrumental normal de metrología. Un modelo especial de Microkator Johansson permite leer con una división igual a 0,02 micrómetros en forma totalmente mecánica.
Se ocupa, asimismo, de la medición de la producción en fabricaciones en serie, yendo desde los muy simples calibres vistos anteriormente, calibres mordazas y tapones, hasta calibres y verificadores muy complicados, que responden a una técnica muy especial de dimensionamiento y de fabricación (calibres para fabricación de armas livianas, por ejemplo) y cuyo control se efectúa con instrumentos y accesorios que vamos a estudiar en el desarrollo de este curso.
La influencia de la Metrología Técnica, para mantener la calidad de la producción en la moderna industria mecánica es de fundamental importancia, y se la puede considerar una de las bases sobre la cual se sustenta el extraordinario progreso tecnológico alcanzado en lo que va del corriente siglo.
Entre nuestros industriales todavía existe una cierta indiferencia por los problemas de la metrología, pero a medida que las exigencias en cuanto a calidad y a costo obliguen a metodizar los procedimientos de fabricación, la metrología debe inexorablemente adquirir el relieve que tiene actualmente en los países altamente industrializados.
Se limita en la práctica a la medición de longitudes y de ángulos y a la verificación de formas especiales por comparación con plantillas patrones.
Patrones de longitudEllos concretan el valor de una longitud determinada, de tal manera que sea innecesaria
recurrir a un instrumento de medición costoso o máquina de medir para materializar la misma. Dicha longitud es definida por los patrones, sea por la distancia entre dos trazos minúsculos sobre una regla (el metro patrón, las reglas patrones, etc.) o por la distancia entre los extremos planos de varillas o bloques de caras paralelas. Existen patrones asimismo, cuya magnitud patrón está definida por un diámetro (discos o anillos patrones, alambres calibrados, etc.) o por varillas terminadas en calotas esféricas.
Haremos algunas consideraciones sobre el metro patrón.El metro patrón, existente en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sevres
(Francia), corresponde a una colada de aleación platino-iridio, efectuada en 1886, de 30 metros patrones, que se realizó en Francia y de entre los cuales se eligió el Nº 6 como prototipo internacional y que fue designado con el símbolo M.
El metro patrón es entonces, la distancia entre ejes de los dos trazos principales realizados sobre la regla M, a la temperatura de 0 ºC, apoyada la barra sobre los puntos de menor flexión, en dos rodillos de 1 cm de diámetro, situados simétricamente en un plano horizontal, a la distancia de 571 mm uno del otro y sometido a una presión de 760 mm de mercurio.
La forma de la barra que lleva grabado el metro patrón, es de sección transversal en forma de “X”, Figura 47, estando situada la superficie especular grabada con los dos trazos a 1 m de distancia, en la fibra neutra de dicha barra. Los trazos son del orden de los 5 a 7 micrones y llevan al costado de cada uno de ellos, dos trazos visibles a simple vista para facilitar la ubicación de los trazos patrón.
Figura 47.
La aleación de 90% de platino y 10% de iridio es muy resistente a la corrosión, de mucha rigidez y de gran estabilidad molecular. Su coeficiente de dilatación es de 8,8 x 10-6.
Como la industria trabaja en el mundo entero con la temperatura de 20 ºC, como referencia uniforme para facilitar el pasaje de una a otra temperatura, 0 a 20 ºC, en los metros patrones se ha efectúa de un regrabado, correspondiente a esta última temperatura.
El AB mide un metro para la barra a 0 ºC y el AC para la barra a 20 ºC, Figura 48. El regrabado lo hizo la SIP (Societé Genovoise d'Instruments de Physique).
Figura 48.
Algunos países han pedido que el prototipo sea dividido en milímetros en toda su longitud.En los últimos años ha tomado cuerpo y se ha trabajado intensamente, para definir el metro
patrón por medio de longitudes de ondas luminosas, llegándose así a determinar el metro-luz. El problema se presentó lleno de complejidades como consecuencia de que las ondas luminosas varían en función de un gran número de factores: presión, humedad, temperatura, presencia da gas carbónico, pero sobre todo por la fuente de donde proviene el rayo lumínico. Se sabe que cada color tiene su propia longitud de onda y es muy recientemente que se han superado los problemas para obtener una luz monocromática verdadera, aislando los diferentes isótopos de un metal, procedimientos desarrollados con las investigaciones nucleares. En 1960, la Conferencia General para la definición del método luz, ha tomado la siguiente decisión:1 metro es igual a 1.650.763,73 longitudes de onda del criptón 86 en vacío, cuya longitud de onda es de 0,605892 µm.
Durante pocos años han coexistido las dos definiciones del metro, pero con posterioridad se consideró vigente la segunda, es decir, la referida a la longitud de onda del criptón 86.
Actualmente, a partir de 1982, el metro se define en base al tiempo. Es la longitud que recorre una onda luminosa en un tiempo determinado. Ocurre que una de las magnitudes que puede medirse con menor error es el tiempo.
Como medidas patrones submúltiplos del metro patrón y para su utilización en la metrología práctica moderna, se han creado, por Johansson en 1878, los bloques calibradores, llamados también placas y galgas paralelas, de superficies patrón plana paralelas, en los cuales la distancia que separa los dos planos principales, es la medida patrón correspondiente, Figura 49. Llevan grabadas la cota patrón que definen y su forma es paralelepipédica, en casi todos los casos.
Figura 49.
Por acoplamiento o unión de placas, se obtiene una gama completa de medidas patrones, entre 1 mm (en Johansson desde 0,2 mm) y una medida máxima variable que puede llegar a los 1000 mm en una sola pieza, con saltos de 1 a 10 µm y en los Johansson calidad AA, hasta 0,1 µm, para lo cual lleva una serie: 1,0001 a 1,0009 mm.
Los bloques, que constituyen los patrones de mayor precisión en la industria mecánica, son controlados y medidos por procedimientos interferométricos, cuyo patrón es la longitud de onda luminosa monocromática, como se verá al estudiar Interferometría.
Bloques calibradoresSon placas, generalmente de acero, de caras plano-paralelas. Sus ventajas para la utilización
práctica son evidentes. En efecto:
a) Se adaptan perfectamente a muchísimos controles dimensiónales en la industria: sobre el mármol, mediciones directas de interior, control de piezas por comparación (espesores), verificación de calibres de límites, control y reglaje de instrumentos de medición, controles y trazados en el taller, puesta a punto de máquinas y dispositivos, etc.
b) Con pocos accesorios y algunos instrumentos poco costosos pueden realizar combinaciones muy variadas para la medición en laboratorio y en el taller.
c) Su verificación es relativamente simple, por comparación con los bloques de una caja patrón de gran precisión, debidamente verificada.
La terminación de las superficies de medición es extraprecisa, obtenida por lapidado y de tipo especular, cuya distancia corresponde al valor de la medida patrón correspondiente, grabada en una de sus caras.
La calidad de la terminación superficial, permite una fuerte adhesión entre dos bloques, que permanecen firmemente unidos durante el proceso de medición.
Las superficies de medición son de 30 por 9 mm, hasta longitudes de 10 mm y de 35 por 9 para longitudes mayores.
Algunas fábricas los hacen de otras formas, como la Manurhin en Francia, con forma de ocho, Figura 50, y con dos orificios para montar las pilas y Pratt and Witney en EEUU que los fabrica cuadrados con un orificio en el centro, Figura 51, o redondos de diámetro 20 mm. Las superficies de trabajo son, en todos los casos, aproximadamente equivalentes.
Figura 50.
Figura 51.
Los más usados son los paralelepipédicos, Johansson (Suecia), Precisión Mecanique (Francia), Hommel (Alemania), Cary (Suiza), etc.
Su adhesión es tan grande que en los más precisos, la calidad AA de Johansson por ejemplo, se necesita una fuerza de más de 120 Kg para separarlos, o sea, que la fuerza de adherencia es del orden de los 40 Kg/cm2.
El éxito de su utilización reside en poder realizar, como ya se expreso, una gama completa de medidas muy precisas, con escalonamientos muy pequeños, por combinaciones de placas, con un número restringido de las mismas de longitudes diferentes. Pueden reemplazar en muchos casos, a costosas máquinas o instrumentos de medir. Pero, y esto es importante, su uso requiere práctica y precauciones especiales.
El principio mismo de esta práctica, exige de cada bloque, cinco condiciones fundamentales:
1) Una planitud de las superficies de medición, tan perfecto como sea posible.2) Un paralelismo riguroso de dichas caras.3) Una distancia entre caras muy precisa, cuya tolerancia de fabricación definirá la calidad
de las placas.4) Una estabilización absoluta en el tiempo.5) Una dureza suficiente para evitar desgastes prematuros.
De la primera condición depende el grado de adherencia obtenida al juntar dos placas, que se produce por atracción molecular, como consecuencia de lo riguroso de dicha planitud a la que contribuye una capa extremadamente fina de lubricante. La experiencia demuestra que la adherencia aumenta a medida que disminuye dicha capa, que es aconsejable no intentar suprimirla totalmente, pues aparte de no alterar las mediciones, contribuye a una mejor conservación de los bloques.
Loe trabajos de Perard y Mandet, del Laboratorio Internacional de Pesas y Medidas, han conducido a las siguientes conclusiones:
1) Realizada la adherencia por un operador cuidadoso, el espesor de la misma puede ser considerado como rigurosamente constante e inferior a 0,02 µm.
2) Una adherencia mal realizada con abundancia de capa lubricante, significa un sobreespesor aproximado al 0,1 µm. Por encima de este valor, la falta de adherencia es manifiesta. La suma de estos espesores tiene, como se ve, muy poca influencia y sólo en casos excepcionales se los debe tener en cuenta.
3) La naturaleza del lubricante no tiene ninguna influencia sensible sobre el espesor de esta capa mínima.
En cuanto al paralelismo, se sabe que la dimensión de una placa queda definida por la distancia medida entre las dos caras calibrantes de la misma. La dimensión real es de acuerdo a ISA, la distancia que media entre la superficie superior del bloque y una superficie auxiliar en la que se apoya el bloque y a la que se adhiere (con las mismas características del bloque), por ejemplo un mármol de gran precisión. Se acepta la medida mediana, o sea, la del centro del bloque al plano de apoyo, como la magnitud de la medida de la placa en cuestión.
La razón por la cual se define así la longitud de un bloque, es que si se hiciera como distancia
obtenida entre las dos caras calibrantes, el error provocado por la deformación elástica, al actuar la fuerza de medición sobre los palpadores, sería igual a 2 · e como se ve en la Figura 52.
Figura 52.
Midiendo en cambio de acuerdo a la primera definición, el error tiende a cero.El valor más exacto de sus dimensiones y del grado de planitud, se determina con el
interferómetro.Las diferencias de paralelismo en cualquier punto, son las discrepancias entre la medida real,
en ese punto y la de la mediana.Para eliminar las tensiones internas que actúan con el correr del tiempo como consecuencia
del tratamiento térmico a que se los somete, modificando los valores de las medidas de las placas y afectando su forma, se las envejece artificialmente de distintos modos, de acuerdo con la práctica del fabricante.
Uno de esos procedimientos, consiste en calentar a 150 °C durante una hora y luego enfriarlas bajo cero durante otra hora, repitiendo varias veces la operación. La DoAll, americana, las envejece a 82 °C (5 horas), y a 95 °C (5 horas), repitiendo unas 20 veces el procedimiento. Otros las mantienen a 120 °C durante 7 días en hornos especiales de regulación automática de temperatura. Ese envejecimiento se hace, luego de rectificar las piezas dejando un exceso de 1 mm, de templarlas y revenirlas a 65 – 68 Rc, y de rectificar todas sus caras dejando terminadas las secundarias y una demasía de 0,02 mm en las de medición para su posterior terminado.
Envejecidas se las almacena cuidadosamente durante varios meses antes de ser terminadas. La terminación se hace por lapidados sucesivos, en general cuatro, con abrasivos de grano cada vez más fino.
Se efectúa con abrasivo suelto y un lubricante, entre dos platos de hierro colado blando, que giran lentamente y que son de grano muy fino y perfectamente paralelos. Un método especial de disposición, obliga a los bloques a recorrer caminos iguales. Se lapidan así simultáneamente hasta 24 bloques.
El primer lapidado, con carburo de silicio de grano 300, el segundo con grano 900, el tercero con óxido de aluminio (pasta de Al3O2 muy fino y aceite) y el cuarto con los platos limpios.
Las placas son de aceros inoxidables, aceros nitrurados y aceros al Cromo. La DoAll usa: un SAE 52100 con 0,95% C – 1,1% C; 1,3 – 1,6% Cr; 0,25 a 0,45% Mn y menos de 0,025 de P y S. Zeiss agrega V en baja proporción.
Es necesario destacar que la estabilización completa no se consigue, por lo cual se aconseja verificarlos una vez por año.
El coeficiente de dilatación es de: 11,5 ± 1 x 10-6.
Las Cajas de Bloques tienen cantidades muy variables de los mismos. Por ejemplo la Caja Johansson M5 de 76 bloques, esta provista de:
Cantidad Dimensión1 1,005 mm49 1,01 a l,49 mm, escalón: 0,01mm19 0,5 a 9,5 mm, escalón: 0,5 mm1 10 mm3 20 – 30 – 40 mm3 50 – 75 – 100 mm
Existen series complementarias de: 1,001 a 1,009 mm y a veces de 1,0001 a 1,0009 mm.Para controlar una medida de: por ejemplo 19,978 mm, se prepara una pila así:
1,0081,4801,4906,00010,000
19,978 mm
Se empieza por el bloque correspondiente a la menor cifra decimal.
Se hacen también de metal duro (carburos metálicos sintetizados), como los Croblox, de Starrett (USA), y también de cuarzo (Leitz, Alemania). Son más caros, pero su dureza y estabilidad son mayores. Como accesorio corriente para los de acero, se fabrican dos plaquitas de metal duro de 2 mm de espesor, que se colocan en los extremos de la pila, para proteger los bloques del desgaste durante la medición.
Existen tres grados de precisión en los bloques, estableciendo, sin embargo, la Johansson, 5 precisiones distintas: la AA, la A, la B, la C y la W de reciente aparición. La primera es la más precisa que se conoce. La AA para laboratorios y gabinetes científicos (patrones para interferometrías). La A para controles y mediciones de calibres, instrumentos de medición, verificadores, etc., en laboratorios de medidas. La B para el control de calibres de menor precisión y de herramientas. La C para el taller, en puestas a punto, trabajo de ajustadores, etc. La W para trabajos donde no es necesaria la calidad C.
Las tolerancias de fabricación de las diferentes calidades es variable aumentando con la disminución de calidad y con la medida del bloque.
Veamos algunos valores dados por Johansson:
Medida Tolerancias en µmDesde Hasta AA A B C W
0 25 ±0,05+0,10 +0,15 +0,20 +0,40–0,05 –0,07 –0,10 –0,20
25 40 ±0,06+0,13 +0,19 +0,25 +0,50–0,06 –0,09 –0,10 –0,25
... ... ... ... ... ... ...
900 1000 ±1,00+2,0 +3,0 +4,0 +8,0–1,0 –1,2 –1,5 –3,0
La Casa Zeiss da:
para bloques inferiores a 1 mm ± [0,08 + 0,05 · (1 – L)] µmpara bloques inferiores de 1 a 20 mm ± 0,08 µmpara bloques inferiores de 21 a 40 mm ± (0,04 + L / 500) µmpara bloques inferiores más de 40 mm ± (3 · L / 1000) µm
Valores del error de paralelismo y planitud:
inferiores a 1 mm ± [0,05 + 0,05 · (1 – L)] µmde 1 a 30 mm ± 0,05 µmmás de 30 mm ± [0,05 + 0,001 · (L – 30)] µm
Estos errores de planitud y paralelismo se toman como las discrepancias positivas o negativas de cualquier punto de la superficie superior con respecto a la cota de la mediana o medida del bloque (Figura 53). Debe excluirse de esta consideración, una faja de 1 mm de ancho en todo el perímetro de la superficie de trabajo.
Figura 53.
Los errores máximos admisibles dados por DIN 861, son superiores a los expresados. En efecto, para:
Calidad A: mLe µ
+±=
30000002,0
Calidad B: mLe µ
′
+±=1500000
35,0
En los de pequeño espesor de hasta 3 mm y a veces más, se producen alabeos en general, en el sentido de la mayor longitud, que cuando es pequeño desaparece al ser adherida la placa a un plano perfecto. En estas condiciones son aceptables. De la misma forma se enderezan al ser adheridos a otro bloque de mayor espesor, o al introducirse en una ranura a controlar. Estos valores se dan a título ilustrativo. La mejor información se obtiene de publicaciones actualizadas.
La “Revista de Jena” en su número 3 de 1983, página 145 informa que los bloques de producción VEB Jena se calibran con exigencias, que dan una incertidumbre de medida de ± (0,02 µm + 0,2 x 10-6 · L).
La Figura 54, muestra como la adherencia de bloques delgados pone en evidencia un error de planitud y de paralelismo.
Figura 54.
Con vistas a clasificar los distintos patrones de referencia, las condiciones técnicas y límites de error para galgas de bloque, al igual que las exigencias metrotécnicas para la determinación de los límites de error, se han fijado en la RDA. (República Democrática Alemana) con carácter de obligatoriedad. La especificación correspondiente de la Oficina de Estandarización, Metrología y Control de Mercancías de la RDA dice al respecto.
INSTRUCCIÓN VM 95 DE LA ASWMPatrones
de referenciaIncertidumbre de medida para determinar
la desviación de la medida teórica.1er Orden ± (0,02 µm + 0,2 x 10-6 · L)2do Orden ± (0,05 µm + 0,5 x 10-6 · L)3er Orden ± (0,1 µm + 1 x 10-6 · L)4to Orden ± (0,2 µm + 2 x 10-6 · L)
Revista de Jena 1985 / 2. Página 84.
En ciertas mediciones, el falso escuadrado de los bloques, puede tener influencia desfavorable (Figura 55), pues lo que se cuida al máximo en su fabricación es el paralelismo y la planitud de las caras calibrantes, descuidando este otro factor de error.
Figura 55.
La situación de la Figura anterior se puedo presentar al calibrar un radio de curvatura en un calibre placa como el de la Figura 56. Haciendo el montaje para el control de las coordenadas de diversos puntos de la curva como en 1, la verificación con la pila B es posible pero difícil. En cambio con 2, apoyando el calibre sobre el mármol y no sobre la escuadra, la medición es más simple y muy preferible, a pesar del error que pueda producirse por defectos de escuadrados al apoyar las pilas sobre el mármol.
Figura 56.
En la Figura 57 se tienen los valores comparativos de las tolerancias de fabricación de bloques de hasta 100 mm, de la Johansson AA y Hommel H0. Se reitera que los fabricantes pueden introducir cambios en las características de sus productos.
Figura 57.
Utilización de los bloquesA fin de facilitar el empleo de los bloques, se fabrican accesorios compuestos en general de:
morsas o montajes para bloques, pie para sostén de las anteriores, (zócalos), palpadores para formar medidas de exterior y de interior, puntas de trazar y puntas de centrar, Figura 58.
Figura 58.Las precauciones para utilizar bloques y accesorios deben ser muy grandes, ya que son
elementos de mucho precio y darán mediciones precisas respetando las normas para su correcto empleo. Así se conservará su pulimento, su adherencia y se evitará todo desgaste anormal y prematuro.
Limpieza. Evitar de dejar los bloques en atmósfera húmeda, ácida o con polvos abrasivos. Tener las manos secas y limpias al tomar los bloques. Antes de su uso desengrasar cada elemento con cuidado. La limpieza se realiza con pinceles en cubetas de plástico con bencina, secándolos con trapos de algodón bien limpios, que no desprendan pelusa. La gamuza puede también usarse aunque adhieren con más facilidad el polvo. No se los debe someter a la acción solar, ni al sudor de las manos, ni recibir golpes o flexiones.
Para juntar o separar los bloques se debe deslizan el de menor espesor sobre el otro bloque con suavidad y presionando para provocar la adherencia entre los mismos. Lo mismo para separarlos. Previa a su colocación en la caja correspondiente, se envaselinarán con una gamuza y vaselina libre de ácidos y agua, asegurándose que la capa sea fina y cubra todo el bloque. Con vaselina neutra y pura, conviene limpiar el juego cada 8 días aproximadamente.
Se debe asimismo, limpiar cuidadosamente la pieza a controlar. Jamás se debe forzar una placa o una combinación de las mismas o los palpadores, etc., en las piezas o alojamientos a verificar. La cota justa debe apreciarse por deslizamiento untuoso y sin esfuerzo.
Se debe asimismo realizar una comprobación regular de sus medidas como ya se dijo anteriormente. Al efectuar las combinaciones y formar la pila, se debe tratar que el número de bloques sea mínimo, evitando en lo posible de unir varios bloques de pequeño espesor.
Influencia de la temperaturaLos valores de sus medidas corresponden a una temperatura de referencia de 20 °C.
Conviene, por consiguiente, y en especial en las calidades superiores, utilizarlos en laboratorios de temperatura constante 20 ± 1 °C.
Es necesario que la temperatura de la pieza a verificar esté equilibrada con la del ambiente. De lo contrario, para determinar el error producido en la medición, se pueden usar gráficos como los obtenidos del catálogo Johansson y que se reproducen en las Figuras 59 y 60.
Veamos algunos ejemplos:
1) Supongamos que se efectúe la medición de una pieza de cobre de 75 mm de largo, cuya temperatura es 8 ºC superior a la existente en el laboratorio de medición que es de 20 °C. Usando el gráfico de la Figura 59 se puede corregir la medición, mediante el error en más obtenido en dicho gráfico. Para ello: partimos de la escala horizontal superior (75), con vertical se corta la línea del material (Cu), se lleva la horizontal hasta el excedente de temperatura (8 °C) y desde el punto de intersección, la vertical a la escala inferior que nos da para el caso analizado, 10 µm de error que se restará al valor de la medida obtenida.
2) Si se miden piezas de acero con bloques, los errores se compensan por la igualdad de los coeficientes de dilatación, a cualquier temperatura que reine en el laboratorio.
3) Veamos ahora el caso en que la temperatura del ambiente es cualquiera, por ejemplo 30 °C y se quiere medir una pieza de estaño de 300 mm de largo. Usamos el gráfico de la Figura 60 partiendo de una longitud de 30 mm y siguiendo el mismo procedimiento anterior, tenemos un error de 3,3 µm, que dará para la longitud de la pieza 33 µm que habrá que restar a la medida obtenida, por cuanto el coeficiente de dilatación relativo al acero es positivo para el estaño.
Figura 59.
Figura 60.
Usando bloques se puede palpar bien, una diferencia en las medidas de 1 µm, pudiéndose educar el tacto mediante el dispositivo de la Figura 61.
Figura 61.
Así también, tomando dos bloques de la misma altura y apoyando sobre ellos una regla biselada de precisión, Figura 62, un bloque colocado entre ellos con 1 µm de menos, permite el paso de un rayo de luz muy tenue de color azulado. Con 2 µm de luz se aprecia se aprecia mucho mejor. Ello sirve como base para definir un error menor a los 2 µm cuando no hay pasaje de luz por la rendija formada.
Figura 62.
Se recuerda asimismo, que todas las mediciones con bloques, deben realizarse con la ayuda del elemento básico de toda medición de taller, que es el mármol. Asimismo, un auxiliar valioso, para corregir la influencia de la temperatura, es el termómetro especial, con bulbo de una cara plana, que se fija a la pieza a controlar con una pasta, según se ve en la Figura 63, o simplemente apoyado sobre la pieza.
Figura 63.
MármolesSon los patrones del plano o del ángulo de 180° y sirven como base de referencia para todas
las mediciones de longitud o de ángulo. Se pueden distinguir:
1) Platinas o mesas de medir. Son mesas fabricadas en acero con calidad similar a las de las placas calibradoras, templadas, estabilizadas, rectificadas y lapidadas con una precisión variable según su uso. Algunas mesas son estriadas para permitir la evacuación del aire y del polvo y evitar una adherencia demasiado grande de las placas y piezas a medir.
2) Los mármoles de control.3) Mármoles de fundición (Figura 64). Son colados de preferencia de fundición perlifica,
resistente al desgaste para conservar el más largo tiempo posible la precisión original. Un envejecimiento artificial es indispensable para eliminar las contracciones internas y las deformaciones ulteriores. Es mejor aún la exposición de estos mármoles antes de su terminado, a la intemperie durante un año como mínimo.
Figura 64.
Para mármoles chicos, pues de otro modo su peso resulta excesivo, puede obtenerse un alto grado de planitud procediendo por aproximaciones sucesivas mediante rasqueteado manual, una vez estabilizados y cepilladas cuidadosamente las superficies de trabajo. Es necesario actuar sobre tres mármoles de las mismas dimensiones, que titularemos con 1, 2 y 3.
1º) Se frotan mutuamente con azul de ajustador, los mármoles 1 y 2 rasqueteando ambos, hasta obtener ajuste satisfactorio, teniendo en cuenta que es la primera pasada.
2º) Se frotan 1 con 3, rasqueteando sólo el número 3.3º) Se frotan 2 con 3, rasqueteando ambos.4º) Se frotan 2 con 1, rasqueteando sólo el número 1.5º) Se frotan 3 con 1, rasqueteando ambos.6º) Se frotan 3 con 2, rasqueteando sólo el número 2.7º) Se frotan 1 con 2, rasqueteando ambos pero esta vez con más exigencias que en 1. Se
repite el ciclo cuantas veces se desee. Naturalmente, se trata de un trabajo para especialistas, los que no solamente saben emplear la rasqueta con destreza, sino que, además, saben apreciar a vista los puntos de contacto de ambas superficies. Se ha hecho un buen trabajo cuando se logran 25 puntos en una superficie cuadrada de 25 mm de lado. Para mármoles grandes es preferible trabajar con anteojo o también con nivel.
b) Mármoles en granito (Figura 65). Estos mármoles reemplazan los de fundición, pues ellos presentan las siguientes ventajas: envejecimiento natural milenario, excluyendo toda tensión interior y por lo tanto toda variación de las superficies; gran dureza natural, 5,5 a 6 de la escala de Mohs; ninguna porosidad; las partículas metálicas no pueden incrustarse, superficie muy fina permitiendo el deslizamiento fácil de los instrumentos de medir. Estas tres últimas cualidades le confieren una gran resistencia al desgaste. Además, la flexión es muy débil para la acción de fuertes cargas y son no magnéticos, no conductores e inoxidables.
Su limpieza se efectúa con agua y jabón. El granito negro o diabasa, es bien conocido. Se usa también el granito de color, en ciertos casos de dureza superior.
Son más precisos, como se ha visto, que los metálicos; más densos y más duros. No brillan, y son mantenidos muy fácilmente libres de tierra, de grasa y de polvos abrasivos. Tienen asimismo la estructura de grano más fino de todas las formaciones existentes. El proceso de terminado utilizado por Pratt & Whitney es similar al utilizado para el pulido de los gigantescos telescopios astronómicos, pudiendo soportar sin desgastes, rozamientos con otras superficies con pequeños valles microscópicos, formándose pequeñísimas bolsas de aire que protegen el mármol del rayado.
Figura 65.
Es menos sensible a las variaciones de temperatura que cualquier otro material, manteniendo por años la precisión original.
Tampoco es afectado por golpes, que arruinarían la precisión de otros mármoles, como por ejemplo los metálicos. La caída de un cuerpo pesado y de aristas vivas, no levanta crestas compensadoras como ocurre en los de fundición, sino que puede producirse una cachadura que no afecta la precisión del mismo.
Se pueden usar cerca de operaciones de decapado con ácidos corrosivos sin ningún riesgo.Se fabrican en tres precisiones distintas: para Taller de Utillaje, para Inspección y para
Laboratorio.Existen también mármoles de vidrio, de alúmina cristalizada aglomerada con ligante
cerámico. Los mármoles de mucha precisión de grandes dimensiones reposan sobre tres tornillos de reglaje fino, de manera de asegurar un nivel correcto. Van en general apoyados en bloques de hormigón o en mesas especiales. Se entiende por precisión de la superficie de trabajo de un mármol, la mínima distancia entre dos planos geométricos paralelos entre los cuales se encuentre la superficie mencionada.
En fundición se hacen de: por ejemplo los Johanssonmínimo 150 x 150 con precisión ± 0,004 mm
máximo 400 x 550con precisión ± 0,006 mm en calidad A
con precisión ± 0,014 mm en calidad B
En granito negro (Gabro-hipersteno), como los de Pratt & Whitney:mínimo 350 x 450 mm con dos precisiones: 0,002 mm y 0,001 mmmáximo 2000 x 4000 mm con dos precisiones: 0,05 mm y 0,025 mmEstas cifras se dan a título ilustrativo.
Los de menos precisión se usan para el trazado de piezas con ayuda de los gramiles. Los de trazado, de fundición, se suelen hacer también de dimensiones muy grandes.
La sola condición que se exige para poder operar, es que la pieza presente una cara plana de superficie suficiente para quedar en equilibrio sobre el mármol. De lo contrario se recurre a escuadras de precisión, a las cuales se sujeta la pieza a controlar.
Los mármoles de fundición tienen una mesa bastante delgada, por lo cual se los refuerza con nervios para compensar la ligereza con la rigidez exigida. Se suelen fabricar estos últimos en tres calidades distintas: los de precisión, los de ajuste y los de trazado. Los segundos están destinados al control de superficies por el procedimiento de “tinta y mancha”, empleando generalmente azul de Prusia. En la práctica se verá el procedimiento para determinar la planitud de un mármol. A este respecto las normas DIN 876, establecen tres clases de precisiones:
A) Precisión: ,200
5 mL µ
+± siendo L el lado mayor del mármol, en mm.
B) Precisión: ,100
10 mL µ
+± siendo L el lado mayor del mármol, en mm.
C) Precisión: ,50
20 mL µ
+± siendo L el lado mayor del mármol, en mm.
Las dos primeras se trabajan por cepillado y posterior rasqueteado a mano y lapidado, trabajando tres mármoles al mismo tiempo, dos a dos, como se ha explicado.
La tercera por cepillado fino. El rectificado tiene el inconveniente de dejar grano esmeril en los poros de la fundición.
La verificación de la planitud se realiza por medio de reglas de acero, de fundición o de diabasa, con ayuda de bloques normales o de bloques especiales.
La regla de control apoya sobre dos placas iguales y con otras placas o la especial con una pendiente graduada muy pequeña, se acusan las diferencias en los puntos a controlar. Las dos placas de apoyo deben producir una flecha mínima, para lo cual deben estar colocadas simétricamente a aproximadamente 0,56 · L, siendo L la longitud de la regla.
No se debe verificar la planitud con palpadores pequeños, debiendo tener por lo menos la superficie de las placas, es decir, 2,7 cm2.
El control de la planitud de los mármoles es una de las operaciones más delicadas de la Metrología, pues es necesario verificar todas las desnivelaciones accidentales, que puedan luego afectar las mediciones que se realicen sobre él.
Reglas de marmolearEstán destinadas a verificar, como los mármoles, superficies planas, no siendo aptas para
soportar piezas sobre ellas. Con ellas se materializa la línea recta, y en especial se las usa para la verificación de mármoles, Figura 66. La parte plana que es el elemento esencial de la regla, se asimila a la parte plana de los mármoles y es usinada en forma similar por un lapidado, dos a dos, de tres elementos. Su manipulación es simple y se las hace de fundición nervurada, de diabasa y también de aleaciones livianas.
Figura 66.
Escuadras de fijaciónEstán destinadas a sostener piezas a verificar en el mármol, por medio de instrumentos
amplificadores de aguja, o reglan de senos, o para verificaciones de cotas con pilas de bloques, discos, rodillos o bolillas calibradas, cuando la medición no puede realizarse por el simple apoyo de la pieza en el mármol, en forma directa.
Acusan ángulos de 90° con mucha precisión, entre sus dos superficies principales (Figura 67) y las hay asimismo con los extremos de dichas superficies formando ángulos rectos muy precisos con las dos caras de apoyo, permitiendo cambiar la posición de la pieza por giro de 90°, sin mover la pieza de su sujeción.
Figura 67.
Son hechas en acero fundido y llevan normalmente ranuras para el pasaje de tornillos, para fijar la barra de seno o la pieza a verificar.
En ciertos casos, la fijación de éstas se realiza mediante bridas especiales, como se aprecia en las Figuras.
Accesorios para sostener piezas, etc.Citaremos los más comunes usados en la Metrología Técnica, a saber: "V" de precisión,
Figura 68, que resultan indispensables para el control y el mantenimiento en posición, de árboles, ejes, rotores, etc. Se usan asimismo para trabajos de montaje. Se hacen en fundición gris o acero, rectificadas por pares, con un dispositivo especial, que garantiza la igualdad de su altura y de sus ángulos. Todas las superficies son perfectamente planas, paralelas las unas a las otras y en ángulo recto preciso, lo que permite utilizarlas para todos los trabajos de trazado y del control del tipo de piezas mencionados. El agujero central permite con la ayuda de un eje solidarizado, el mantenimiento de grandes piezas en posición. Las cuatro V que llevan son de distinta profundidad. Las hay de diferentes tipos y precisiones.
Figura 68.
Los prismas a ángulo recto en V, Figura 69, pueden ser alargados y no trabajar a pares. Los cilindros-escuadras, o columnas de precisión, materializan el ángulo recto (patrones de ángulo recto) con respecto a sus bases, Figura 70, y son fabricadas en acero aleado de cementación, con un rectificado muy fino. Las verificaciones de escuadrado en piezas o en calibres, se hacen normalmente por pasaje de luz apoyando ambas sobre el mármol o mediante la ayuda de instrumentos de amplificación.
Figura 69.
Figura 70.
Las reglas rectas de acero, Figura 71, sirven en general para comprobar rectitudes de piezas, mediante el pasaje de un rayo de luz. Son de acero laminado o estirado y pueden tener distintas formas, como se ve en la Figura, y muy diferentes longitudes. Las de alta precisión, son templadas en sus aristas de medición, por alta frecuencia. Se las puede usar para verificar planitudes, en la forma que se explicó anteriormente, con la ayuda de bloques calibradores. Las normas DIN fijan cuatro precisiones;
Reglas triangulares de alta precisión: .500
1 mL µ
+±
Reglas de taller (clase I) .100
2 mL µ
+±
Reglas de taller (clase II) .50
5 mL µ
+±
Obsérvese que para estas reglas, el término constante vale 1/5 del fijado para mármoles.
Figura 71.
La verificación de una regla se puede realizar por medio de un instrumento amplificador, sujeto a un pie suficientemente rígido, apoyado sobre un mármol, que se desliza sobre la línea a controlar, como se ve en la Figura 72. La regla debe estar apoyada en bloques, en los puntos de la mínima flexión.
Figura 72.
PATRONES – ANGULARES
EscantillonesEstán constituidos por una serie de piezas cada una de las cuales, lleva dos o cuatro ángulos
patrones. Se usan para mediciones angulares muy precisas y se fabrican con la precisión y terminación de los bloques calibradores.
Las series están compuestas de tal forma, que pueden obtenerse ángulos a voluntad, con escalonamientos de 1' a 5', combinando dos de ellos, como se ve en la Figura 73. Con un juego completo puede obtenerse todos los ángulos escalonados de 1', menos los comprendidos entre 0° y 10° y 350° y 360°, dentro de los cuales el escalonamiento es de 1°.
Figura 73.
La precisión de fabricación de los ángulos es de ±12", siendo, por consiguiente, el error máximo al combinarlos, de 24". El control de ángulos con los escantillones, se efectúa generalmente, Figura 74, por el pasaje de luz.
Figura 74.
Error: 12”, o sea, 6 / 100 mm = 0,006 / 100 = 12''
En los casos de muy buen acabado de las superficies de los ángulos, como por ejemplo en el caso de comprobar un calibre de chapa sobre un cristal, iluminado desde abajo, Figura 75, si el lado es de 20 mm, y el espesor de la chapa de 1 mm, se podrá ver luz, por diferencias de hasta 1 µm, que corresponde a un ángulo de 10". Esta manera de verificar, asegura un error del orden de ±20". Espesor de los escantillones: 2 mm.
Los escantillones angulares son de empleo muy limitado, sólo para pequeñas piezas.
Figura 75.
Placas angularesSe puedes formar ángulos entre 0° y 90° de 10 en 10 segundos. Un juego simple
comprende: (106 / 14 Hommel-Werke), Figura 76.
6 placas de: 1º - 3º - 5º - 15º - 30° - 45°6 placas de: 1' - 3' - 5' - 10' - 25' - 40'2 placas de: 20" - 30"
Son de 100 mm x 15 mm y operan para formar el ángulo requerido, por adición o sustracción. Los hay que permiten formar los ángulos de 0,1' en 0,1', es decir, de 6" en 6". Para ello, llevan en lugar de las dos de segundos, tres de: 0,1' - 0,3' - 0,5'.
Figura 76.Como accesorios: una placa paralela (150 mm x 20 mm) para prolongar la superficie del ángulo formado, y una regla biselada, para verificar ángulos por pasaje de luz.
La precisión de fabricación es de: calidad A → ± 1" y calidad B → ± 2".La formación de los diferentes ángulos, requieren muy frecuentemente 6 y más placas. La
precisión será entonces para 6 placas, de 6" para las A y 12" para las B, que corresponde a la precisión de la barra de senos. Para formar, por ejemplo, un ángulo de 32° 24' 10", se combinan así:
(30° + 3° – 1°) + (25' – 1') + (30" – 20") = 32° 24' 10"Se necesitan para este ejemplo 7 placas.
Un cono se puede verificar fácilmente, como se ve en la Figura 77, con la ayuda de un micrómetro, aunque este es un caso particular que requiere precaución.
Figura 77.
Las placas angulares Webber, de Starrett, permiten la formación de ángulos con escalonamiento 1". El juego consta de 16 piezas. La firma asegura una precisión de ±0,3" para estos bloques.
La mesa de la Figura 78, se puede inclinar con gran precisión en el ángulo α, necesario por ejemplo para rectificar sobre mesa giratoria puesta a punto con placas angulares una pieza determinada.
Figura 78.
Escuadras fijasSe usan para el control y el trazado de ángulos rectos, existiendo asimismo de 45°, 30°, etc.
Son de distintos tipos como se ve en la Figura 79 y pueden ser de diversas precisiones:
a) Escuadras patrones o de referencia: .100
2 mL µ
+±
b) Escuadras de inspección: .50
5 mL µ
+±
c) Escuadras de taller de precisión: .20
10 mL µ
+±
d) Escuadras comunes: .10
20 mL µ
+±
Son las fórmulas aconsejadas por la norma DIN 875.
Figura 79.
Siendo L la distancia al vértice. Para L = 100 mm, dan errores:
a) emáx = ± 3 µm.b) emáx = ± 7 µm.c) emáx = ± 15 µm.d) emáx = ± 30 µm.
Se hacen templadas las de precisión y las comunes sin templar, con un Lmáx = 1000 mm para las primeras dos y hasta 2000 mm para las otras.
El patrón para el ángulo de 90° es un cilindro, ya sea completo o reducido como se lo observa en la Figura 70, en cuyo caso se ha suprimido material quedando cuatro bandas cilíndricas estrechas, para facilitar el empleo del método de contraste de luz. Los cilindros completos pueden ser macizos, o huecos para reducir su peso, en cuyo caso van provistos de tapas. Cuando son muy pesadas (pueden sobrepasar los 70 Kg) llevan un asa en uno de sus extremos.
La escuadra cilíndrica es un auxiliar muy útil. Con una buena rectificadora cilíndrica es posible confeccionarla. Se parte de un caño en fundición, de paredes fuertes, se lo corta a la dimensión deseada y se le fijan firmemente dos tapas, preferentemente roscadas, dejando los bordes extremos libres en unos 10 a 15 mm. Luego en un torno con plato autocentrante se le hacen los centros y se frentean los extremos, dejándolos siempre libres. Si es posible, se rectifican los centros y luego en una rectificadora cilíndrica se rectifica cuidadosamente el cuerpo y se da terminación a los extremos, que deben quedar planos. Eventualmente se rasquetearán con ayuda de un buen mármol.
Las únicas exigencias que debe cumplir el cilindro así obtenido son:
1) Bases planas.2) Generatrices paralelas entre sí.
O sea, que las bases pueden no ser paralelas entre sí, ni rigurosamente perpendiculares al eje del cilindro; además, se admite que el cilindro presente sección no rigurosamente circular.
El paralelismo de las generatrices se puede comprobar con facilidad.Evidentemente una pieza de estas características presentará su eje no perpendicular al
mármol de apoyo y esa inclinación será diferente según la base en que se apoye. Pero siempre habrá dos generatrices que pertenezcan a sendos planos perpendiculares al mármol, para cada base de apoyo. Debemos localizar esas generatrices. Además del mármol, será necesario disponer de un comparador a reloj con palpación axial y un estativo para el mismo. La disposición para el trabajo es la que muestra la Figura 80.
Figura 80.La tarea consiste en lo siguiente: Para una posición de partida para el cilindro, se toma una
lectura en el comparador, cuidando de apoyar bien contra el cilindro la base del estatizo, que debe ser lisa, sin irregularidades. Esa lectura se hace buscando inversión, mediante desplazamientos transversales de la base del estativo. Se repite la operación luego de girar el cilindro sobre si mismo, hasta completar una vuelta, al cabo de la cual la lectura debe ser igual a la primera; Por causa de la falta de perpendicularidad del eje del cilindro con respecto al mármol, al cabo de una vuelta la aguja del comparador habrá barrido un sector cuyas lecturas extremas son L1 y L2. Habrá dos generatrices que correspondan a la lectura:
221 LLL +=
Estas son las generatrices que buscamos, cuyas posiciones pueden ser marcadas en una tapa.Se entiende que si el eje del cilindro es perpendicular a la base de apoyo, la lectura en el
comparador será siempre la misma. El comparador puede ser con lectura 0,01 mm ó 0,001 mm, según las exigencias.
Para el empleo de las fórmulas para determinar la precisión de escuadras fijas de 90º según DIN 875 se procede así: Se aplica el comparador contra una de las generatrices indicadas anteriormente, con el palpador a una altura L menor que la de la escuadra a comprobar y se anota la lectura. Luego se reemplaza al cilindro por la escuadra a comprobar y se anota la nueva lectura.
Supongamos que la diferencia de lecturas sea de 8 µm para una altura L = 120 mm.Su calidad entra cómodamente en la categoría c. Para la categoría b estaría ligeramente
excedida, pues la fórmula indica un error máximo admisible de 7,4 µm para esa altura.
Barras de senoSe utilizan para medir ángulos, por el método indirecto, con ayuda de bloques y un
instrumento de amplificación, o por pasaje de luz con reglas y escuadras. Llevan en sus extremos dos cilindros de gran precisión, Figura 81. El usinado, se efectúa de manera que la superficie superior de la barra sea perfectamente paralela al plano tangente inferior de los cilindros mencionados. La distancia entre los ejes de los cilindros, cuyo diámetro es de 20 mm, es de 100 mm, en las normales, con un error de ± 2 µm y un error de paralelismo de ± 0,5 µm.
Figura 81.
Para facilitar la medición en ángulos grandes, se las suele hacer como se ve en la Figura 82.
Figura 82.
Tenemos que: ( )lhsen =α donde h es la altura de la pila de bloques y l = 100 mm, la distan-
cia mencionada. Se acompañan de tablas donde se dan los valores de h, en micrones, para diferencias de ángulos de 5' en 5' hasta 45°. El error pasa ángulos de 45° es de ± 8,5" para un error de l = ± 2 µm. Para ángulos mayores, por ejemplo: α = 60° dan errores de ± 14". Son muy exactas como se ve, en el alcance 0 – 45°. Conviene para ángulos mayores de 60° medir el complemento, cuando las características de la pieza lo permiten.
En el ejemplo de la Figura 83, usamos dos pilas de bloques. Por consiguiente:
( )l
hHsen −=α
Figura 83.
Llamando: a = sen(α) queda:
( ) ( ) ( )lhHal
hHa logloglog −−=⇒−=
La diferencial logarítmica da:
( )ll
hHhH
aa ∂−
−−∂=∂
Y considerando los errores:
∂+
−∂−∂±=∂
ll
hHhH
aa
Pero:
( )[ ] ( ) ααα ∂⋅=∂=∂ cossena
Luego:
( )
∂+
−∂−∂±=∂⋅
ll
hHhH
aααcos
De donde:
( )
∂+
−∂−∂⋅±=∂
ll
hHhH
aαα cos
en radianes.
Supongamos:
mhmH
ml
µµ
µ
11
2
±=∂±=∂
±=∂
En los dos últimos, los errores son debidos a planitud del mármol y a paralelismo de la barra de senos.
Si α = 20°, el sen(α) = 0,342 y H – h = 34,202 mm. Luego:
( ) 7,5620020,0058,0364,0620100
2202,342
94,0342,0 ′′±=′′⋅+⋅±=′′⋅
+⋅±=∂ α
Si tomáramos: ∂h = ± 0,5 (error más probable), nos daría: ± 4,8"
Se pueden considerar por cálculo en tales condiciones y para diversos ángulos, los siguientes errores:
Para α = 1° ∂α = ± 3,13"Para α = 15° ∂α = ± 4,4"Para α = 30° ∂α = ± 6"Para α = 45° ∂α = ± 8,5"Para α = 60° ∂α = ± 14"
Para α > 60°, la barra de senos común es difícil de manipular. Trabajando con una escuadra de precisión a (patrón) de las mencionadas más atrás, como complemento de la medición, cuyo error era de ± 3 µm, el mismo se transforma en un error angular de ± 6".
Resulta pues conveniente, trabajar hasta 60°, sin escuadra complementaria, Figura 84, pues a los errores provocados por el conjunto barra-mármol-placas, hay que sumarle el propio de la escuadra. O sea, para α = 60°, un error de ± 6" para la barra con α = 30°, dará ± 12" de error total, aproximado a los ± 14" de verificación directa con barra y con la simplicidad de no agregar otro elemento (la escuadra).
Figura 84.
Para un ángulo de 80°, tendremos ∂α = ± 4" para α = 10°, que nos dará un total de ± 10" con la escuadra como complemento.
La barra de tangentes, es una variante de la de senos, que trabaja como se ve en la Figura 85. En la Figura 86, la regla graduada evita la utilización de bloques, aunque los errores que se cometen son mucho mayores.
Figura 85.
Figura 86.
Se puede materializar un ángulo pequeño con mucha precisión, Figura 87, mediante el uso de rodillos calibrados, un bloque intermedio y un paralelo de precisión.
Figura 87.
Tenemos así:
( )2
dDAMOCCBACCBtg −=−=⇒=β pero .
2lddAC ++=
Luego:
( )ldD
dD
ldD
dD
tg⋅++
−=++
−
=2
2
2β y βα ⋅= 2
Es decir:
ldDdDtg
⋅++−=
22α
Galgas de espesor y peines para roscas (Figuras 88 y 89)Se los puede considerar como elementos de referencia de menor importancia, utilizados en
los talleres para controles de puesta a punto y para verificación aproximada del paso de una rosca.
Figura 88.
Figura 89.
Mediante las galgas se mide la luz existente entre dos piezas, se verifican ranuras muy finas, etc. Se construyen juegos para mediciones métricas y en pulgadas, llevando grabadas en cada una de ellas el valor de su espesor. La de la Figura corresponde al tipo Starrett, compuesta de 12 galgas de: 0,04 – 0,05 – 0,06 – 0,07 – 0,08 – 0,10 – 0,15 – 0,20 – 0,30 – 1 – 2 – 3 mm.
En cuanto a los peines de roscas, permiten verificar con cierta precisión el paso y el ángulo de una rosca, por pasaje de luz, apoyando el peine correspondiente sobre la rosca a verificar y paralelamente a su eje. Se venden para roscas métricas y roscas inglesas.
