INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA Curso Académico 20112011-12

Rafael Muñoz Bueno Laboratorio de Metrología y Metrotecnia LMM--ETSII LMM ETSII--UPM

TEMA 5. Magnitudes objeto de la metrología dimensional

Índice 1.

Patrón primario de longitud: Materialización del metro.

2.

Clasificación de la metrología dimensional.

3.

Consideraciones en medidas dimensionales.

4.

Instrumentos de medida en metrología dimensional y su trazabilidad

5.

Magnitudes macro-geométricas en metrología dimensional.

6.

Magnitudes micro-geometricas en metrología dimensional.

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Patrón primario de longitud: El metro, m Evolución de la unidad de longitud (i) Las primeras definiciones de la unidad de longitud son definiciones en algunos casos difícilmente reproducibles y materializadas en barras con la dificultad que ello conlleva. Es en 1960 y debido al progreso constante de las medidas ópticas cuando se provoca el cambio fundamental en la definición de esta unidad y se decide pasar a un “patrón natural e indestructible “. La XI Conferencia General de pesas y Medidas acordó una nueva definición del metro basada en la longitud de onda en 1960: El metro es la longitud de 1 650 763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p10 y 5d5 del átomo de kripton 86.

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Patrón primario de longitud: El metro, m Evolución de la unidad de longitud (ii) El número escogido de la cantidad de longitudes de onda se fijó en 1 650 763,73 para no introducir demasiados cambios en la magnitud del metro definido con anterioridad. Con esta definición, quedo determinada la longitud de onda de dicha radiación en el vacío con una reproducibilidad de 1·10-8 en valor relativo. La realización práctica de esta definición requiere de la excitación de los átomos de kripton, efectuada por una descarga en una célula conteniendo vapor y la observación de la luz de fluorescencia emitida por estos átomos. Entre 1967 y 1968 aparece también la definición del segundo atómico. El segundo se define como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cs 133.

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Patrón primario de longitud: El metro, m Definición actual del metro La actual definición del metro fue adoptada en la XVII Conferencia General de Pesas y Medidas, en 1983 como: La longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un tiempo de 1 / 2 99 792 458 s. Con la definición de 1980, se obtuvo como gran ventaja la mejor reproducibilidad del patrón. Con la definición de 1983 se obtiene otra ventaja adicional respecto a las anteriores, y es que puede materializarse la unidad de longitud sin modificar la definición del metro. El CIPM se encargó de dar una lista de Recomendaciones para la realización práctica del metro, donde figuran 8 radiaciones recomendadas de láseres estabilizados y dos radiaciones de lámparas espectrales (entre ellas la radiación del Kr 86).

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Patrón primario de longitud: El metro, m Materialización actual del metro La radiación más ampliamente empleada para la realización práctica de la unidad de longitud es la correspondiente a láseres de He-Ne (estabilizados mediante absorción saturada de 127I2), y con una longitud de onda en el vacío de 632 991 392,22 fm, lo que corresponde a una frecuencia de 473 612 214 702 kHz, con un incertidumbre relativa de 2,5·11-12 La realización práctica del metro se lleva a cabo en los Institutos Nacionales de Metrología, en el caso de España en el Centro Español de Metrología. Éstos sistemas son comparados en el BIPM y muestran un acuerdo de unas pocas partes en 1011. En gran parte de laboratorios se emplean sistemas interferométricos láser para realizar mediciones de longitud. Estos láseres han sido calibrados contra estos láseres estabilizados mediante celda de Iodo, para asegurar la trazabilidad de las medidas por medio de una cadena ininterrumpida de calibraciones.

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Introducción a la Metrología Dimensional La finalidad básica de las mediciones dimensionales en la producción es garantizar y verificar la concordancia del producto fabricado con sus especificaciones de diseño. La necesidad actual de una mayor exactitud en las mediciones procede de la mayor precisión requerida en la fabricación, debido a nuevas exigencias: • Tolerancias de fabricación más estrechas. • Compactación y miniaturización de componentes y productos (microelectrónica). • Diseño compensado entre fuerzas y tensiones. • Mayor precisión operacional y mejores prestaciones en engranajes, rodillos, elementos de guiado y sellado, etc., lo que implica tolerancias de posición, y forma geométrica y de calidad superficial más estrechas. • Ensamblado automático a altas velocidades. • Intercambiabilidad general de piezas, componentes y repuestos. • Fiabilidad en el funcionamiento de máquinas y fabricaciones en general.

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Clasificación de Metrología Dimensional Atendiendo al tipo de mediciones a realizar o de defectos a evaluar:

Microgeometría Acabado superficial Nanometrología

Macrogeometría Dimensiones Longitud Ángulos

Formas Rectitud, Planitud y Paralelismo Redondez y Cilindricidad Simetría y Concentricidad Introducción a la Metrología

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Imperfecciones en metrología dimensional Origen de los defectos macrogeométricos • Precisión de las máquinas-herramienta utilizadas en la fabricación, y el estado de conservación de las mismas, en el momento de la mecanización de las piezas. • Calidad y estado de desgaste de la herramienta de mecanización. • Deformaciones elásticas de la pieza, en su fijación a la máquina. • Deformaciones debidas a dilatación térmica, tanto de la pieza como de la máquina, en función de sus respectivas temperaturas durante el proceso de mecanizado.

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Imperfecciones en metrología dimensional Origen de los defectos microgeométricos Las causas a que obedecen los defectos microgeométricos son también variadas, pero ligadas a la máquina herramienta que produce la pieza: •

Filo de la herramienta

•

Velocidad de giro

•

Avance del husillo

•

Vibraciones, etc.

Las piezas aparecen pues con superficies irregulares, compuestas de ondulaciones, picos y valles, con determinados valores de paso y amplitud, dependiendo del proceso de mecanizado seguido. Características como resistencia al desgaste, rodadura, deslizamiento, propiedades de lubricación, resistencia a la fatiga, intercambiabilidad funcional, resistencia a la corrosión, etc. están ligadas al estado superficial del elemento en cuestión.

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Fuentes de incertidumbre en metrología dimensional En la práctica existen muchas posibles fuentes de incertidumbre en una medición, entre ellas: • Definición incompleta del mensurando. •

Realización imperfecta de la definición del mensurando.

•

Muestra no representativa del mensurando.

•

Conocimiento inadecuado de los efectos de las condiciones ambientales sobre la medición, o medición imperfecta de dichas condiciones ambientales.

•

Lectura sesgada de instrumentos analógicos por parte del operador.

•

Resolución del instrumento de medida.

•

Valores inexactos de los patrones de medida y/o de los materiales de referencia.

•

Valores inexactos de constantes y otros parámetros obtenidos de fuentes externas y utilizados en el algoritmo de tratamiento de datos.

•

Aproximaciones y suposiciones establecidas en el método y procedimiento de medición.

•

Variaciones en la repetición de las observaciones del mensurando bajo condiciones aparentemente idénticas.

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Precauciones a considerar en medidas dimensionales Cuando se pretende medir con cierta exactitud la longitud de un objeto material, es necesario conocer su temperatura, así como el valor del coeficiente de dilatación. Las mediciones de gran exactitud únicamente pueden realizarse en locales que cumplan las características siguientes: •

Temperatura constante: Los resultados de medida vienen referidos a 20 °C, por tanto es indispensable trabajar en un local cuya temperatura sea lo más próxima posible a esta referencia.

•

Ausencia de vibraciones: Las vibraciones podrían dar lugar a desplazamientos imperceptibles de las muestras bajo medición, o de ciertos órganos de las máquinas de medición, o generar un ruido que hiciera imposible la medición.

•

Grado higrométrico adecuado.

•

Limpieza y ausencia de polvo.

Tras haber adoptado las precauciones necesarias para obtener una buena estabilidad en temperatura, y para eliminar las vibraciones, la regulación del grado de humedad y el trabajo en ausencia de polvo son fáciles de conseguir.

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Instrumentos utilizados en Metrología Dimensional Los equipos utilizados en los laboratorios de Metrología Dimensional son muy variados, atendiendo a las diversas magnitudes a medir, al campo de medida, a la resolución, a los principios físicos en los que se basan,.etc. La elección de uno u otro dependerá de la incertidumbre requerida en el proceso de medición, función a su vez de la tolerancia específica que deba garantizarse. La industria cuenta hoy día con captadores electrónicos, de tipo inductivo y capacitivo, comparadores mecánicos y neumáticos, sistemas multicota, medidores ópticos, láseres, interferómetros, reglas codificadas, máquinas de medición por coordenadas, etc., que han supuesto revoluciones parciales en el campo de la Metrología Dimensional, sobre todo al combinarse con la informática:

• Automatización de los procesos de medición. • Eliminación de la influencia del operador. • Mayor repetibilidad y fiabilidad.

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Trazabilidad de los instrumentos de metrología dimensional

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones primarios de longitud El Área de Longitud del CEM posee dos láseres de He-Ne estabilizados sobre célula interna de Iodo (llenado BIPM), emitiendo en 633 nm, con los que realiza y mantiene la actual definición del metro. Dichos láseres son, por decisión oficial, los patrones nacionales, de los que se derivan todos los demás existentes. La incertidumbre típica, para un nivel de 1σ, con la que se realiza la unidad de longitud, mediante la frecuencia de emisión de dichos láseres es de 2,5 x 11-12.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (i) Los tipos básicos de patrones son: • Patrones a cantos: Bloques patrón, barras de extremos, etc. • Patrones a trazos: Reglas a trazos, codificadas, etc. La calibración de los patrones a cantos, se realiza por interferometría o por comparación mecánica, dependiendo de su grado de calidad. En el caso de los patrones a trazos, los métodos utilizados suelen ser interferométricos, con ayuda de métodos ópticos para el enrase de los trazos.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (ii)

Bloques patrón Los bloques patrón son patrones materializados de longitud en forma de paralelepípedo rectangular cuyas caras opuestas, denominadas caras de medida, poseen una calidad superficial tal que tienen la propiedad de adherirse a otras caras de la misma calidad superficial, sean éstas de otros bloques, o de bases de apoyo como las utilizadas en su medición interferométrica.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (iii)

Bloques patrón escalonados

Este tipo especial de patrones de longitud, consiste en un soporte rígido, en cuyo eje de simetría, o fibra neutra, van localizados una serie de bloques patrón. Estos bloques, de acero, carburo de tungsteno o cerámica, tienen comúnmente longitudes individuales de 10 mm, y separación variable entre caras adyacentes. Las longitudes totales de los soportes van desde los 300 mm, hasta los 1200 mm como máximo.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (iv)

Barras de extremos

Se trata de cilindros de acero duro y estabilizado, con extremos esféricos, de diámetro igual a la longitud de la barra, o bien de extremos planos, y de longitudes variables. La forma primera es de mejor calidad metrológica. Las del segundo caso suelen utilizarse para la verificación de micrómetros de exteriores.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (v)

Patrones de diámetro interior (anillos) Se trata de patrones materializados, en acero muy duro, estabilizado, compuestos de un hueco cilíndrico perfectamente rectificado y acabado. Este cilindro debe ser lo más perfecto posible, desde el punto de vista geométrico. Sobre cada patrón viene grabada la cota nominal, delimitándose mediante dos trazos paralelos sobre una de las caras, la zona en la que esta cota es válida, a media altura del cilindro.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (vi)

Patrones de diámetro exterior (tampones) Se trata de elementos de control de diámetros interiores. Como prácticamente todos los calibres, se fabrican en metal duro tratado y estabilizado, o en carburo de tungsteno. Pueden ser: • calibres simples (o normales), portando una única

zona calibrada, materializando la cota nominal, o • calibres de límites, utilizados para verificar las cotas

máxima y mínima.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de longitud (vii)

Reglas a trazos Constituyen el segundo tipo de patrones materializados de longitud, junto con los patrones a cantos. Se trata de patrones cuya longitud nominal viene definida por la distancia existente entre los ejes de dos trazos. Las reglas que se comercializan presentan una gran variedad, en cuanto a material, sección, longitud, tipo y calidad de la escala y los trazos, precisión, etc.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Máquinas de medir por coordenadas (MMC) Las MMC miden puntos en el espacio. La potencia de las MMC deriva de su capacidad para calcular, a partir de los puntos medidos, una gran cantidad de magnitudes dimensionales: distancias, posiciones relativas, ángulos, formas, etc., lo que antes requería el concurso de un gran número de instrumentos individuales. Utilizan programas de medición potentes, que incluyen correcciones no solo de parámetros ambientales, sino de los errores de guiado de sus ejes.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones angulares (i)

Bloques patrón angulares Son similares a los longitudinales, pero en vez de materializar longitudes, materializan ángulos entre sus caras de medida. Valores angulares típicos son: 45º, 30º, 20º, 10º, 3º, 1º, 45’, 30’, 20’, 10’, 3’, 1’, 45”, 30”, 20”, 10”, 3”, 1”. Al igual que los bloques longitudinales poseen la propiedad de adherencia de sus caras, posibilitando la formación de valores angulares determinados mediante adición de varios de ellos.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones angulares (ii)

Polígonos ópticos Son prismas de altura reducida, cuyas bases están formadas por polígonos regulares, de p. ej., 4, 8, 12, 24, 36 o 72 lados, que materializan en el centro ángulos de 90º, 45º, 30º, 15º, 10º y 5º respectivamente. El material del que están fabricados varía desde el acero al vidrio, siendo su principal característica la alta reflectividad de las caras laterales, dado que su calibración implica la utilización de métodos ópticos, basados en el empleo de autocolimadores.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Mediciones de defectos de forma Las medidas de forma cubren un amplio abanico, desde la determinación de rectitud o planitud, hasta la cilindricidad y la redondez. La dificultad para el control de formas reside básicamente en la elección de las referencias matemáticas de cálculo para la determinación de la verdadera forma y posición de la pieza, a partir de los valores obtenidos mediante palpado sobre la misma. Normalmente se acude a ecuaciones matemáticas de ajuste por mínimos cuadrados, aunque existen otros criterios, aplicables según el defecto de forma en cuestión. Para la puesta a punto y calibración de los propios equipos medidores de defectos de forma, es necesario contar con patrones específicos. Es el caso de los patrones de diámetro interior, con defecto de forma inferior a 20 nm, los cilindros patrón de perpendicularidad, los flick standard (patrones de amplificación), o los patrones de redondez (hemisferios) de vidrio, etc.

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Magnitudes macrogeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de defectos de forma Cilindros de perpendicularidad y esferas patrón Redondez: Es este uno de los defectos más importantes, por cuanto cualquier tipo de fabricación posee una serie de componentes cuya forma es redonda en todas o algunas de sus secciones (ejes, rodamientos, engranajes, cilindros, etc.). La cuestión importante, desde el punto de vista dinámico, es conocer y cuantificar la magnitud del defecto de redondez que caracteriza a dichos elementos. Además, podemos mencionar el defecto de perpendicularidad (entre ejes, entre eje y plano, entre planos) y el de cilindricidad (forma cilíndrica), obtenible a partir de la determinación de redondez en varias secciones.

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Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional Mediciones de calidad superficial (i)

Independientemente del proceso utilizado, durante el mecanizado de una pieza o elemento, la superficie siempre porta deformaciones. La producción de piezas con superficies geométricas ideales no es fácil, y en aquellas en que se alcanza un grado de perfección alto; p. ej., bloques patrón, el coste económico es muy elevado. Cualquier desviación respecto a la superficie geométrica ideal tiene influencia sobre el comportamiento funcional del elemento en cuestión.

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Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional Mediciones de calidad superficial (ii) Todas las superficies mecanizadas poseen una mezcla de deformaciones o irregularidades (de forma, ondulaciones, rugosidades), distinguiéndose unas de otras por su espaciado horizontal (longitud de onda característica), más que por sus amplitudes. •

En los defectos de forma de gran longitud de onda, la longitud del defecto suele ser igual a unas 1000 veces su amplitud.

•

En el caso de la ondulación, la relación entre el espaciado de los defectos y la amplitud máxima de los mismos suele hallarse entre 100:1 y 1000:1.

•

En el caso de la rugosidad, el espaciamiento entre defectos, suele ser del orden de 5 a 100 veces la amplitud máxima de los mismos.

La normalización internacional ha definido una serie de parámetros para caracterizar el acabado superficial. La mayoría de estos parámetros se basan en el perfil obtenido al analizar una sección o corte de la superficie, tomado en la dirección que presumiblemente aporta mayores defectos.

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Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional Mediciones de calidad superficial (iii)

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Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de calidad superficial (i)

Para el ajuste y calibración de los instrumentos empleados en calidad superficial, se utilizan patrones de ranura y/o de escalón, algunos de ellos portando varias ranuras, con los que se procede a verificar la amplificación vertical del equipo de medida (método estático). Estos patrones son calibrados previamente mediante contacto, microscopía interferencial o SPM (AFM).

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Magnitudes microgeométricas en metrología dimensional Patrones materializados para mediciones de calidad superficial (i)

También se utilizan patrones de rugosidad (método dinámico). Estos patrones poseen una superficie rugosa con parámetros de rugosidad perfectamente conocidos, y permiten verificar no solamente la amplificación del sistema, sino el comportamiento total del instrumento; es decir, palpador (radio de la punta, comportamiento dinámico), indicación del valor medido y registro del perfil.

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