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APUNTES DE TECNOLOGIA MECANICA
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1. ¿Qué es la metrología y que aplicaciones tiene?

La metrología es la ciencia de la medición física. Viene de la palabra griega metrón (medida) y tecnia (tecnología).

Esta ciencia tiene tantas ramas como especies de magnitudes.Así, la metrología que se ocupa de la medida de las dimensiones es la metrología dimensional; la que se ocupa de la medida de los pesos, la metrología ponderal; y la que se ocupa de las medidas eléctricas, metrología eléctrica, etc.

Es aplicable a variables como dimensión, acabado superficial y propiedades mecánicas y eléctricas. El campo de mayor aplicación es el que se centra en las medidas de longitud y de ángulo.

2. ¿Qué es un patrón de medida?

La medición de cualquier magnitud requiere haber definido previamente los criterios de igualdad y suma. Una vez hecho esto, se adopta una unidad convencional, fija, de la misma especie que la magnitud que se trata de medir, a la que se llama patrón. El criterio de la igualdad nos permitirá reproducirla cuantas veces sea preciso y el de suma, formar sus múltiplos y divisores.

El patrón adoptado sirve para caracterizar al Sistema de Medidas. Dos son los más usuales:

- El Métrico, que adopta como patrón al metro.

- El Anglosajón, que adopta la yarda.

3. Sistemas de medidas más usuales

Para medir cualquier magnitud es necesario adoptar una unidad convencional que debe ser fija y que se denomina patrón. Al patrón se le tienen que aplicar los convenios de igualdad (que se pueda reproducir las veces que sea necesario) y de suma (que se puedan formar múltiplos y submúltiplos).

Sistema métrico decimal ( metro ).

Metro : distancia recorrida por la luz en 1/c segundos.

Sistema anglosajón ( yarda )

Yarda : distancia establecida por el rey Enrique I, esta distancia era la existente entre la nariz y los dedos de la mano.

Pulgada : Distancia entre los nudillos y el pulgar, establecida por el rey Esgando en el siglo X.

1 yarda = 3 pies = 36 pulgadas = 0,9144 m

Tipos de yardas:

Yarda oficial inglesa ; es un patrón variable según la temperatura, puesto que es una aleación de bronce.

Yarda oficiosa inglesa = 0.914398416 m a 62° F ( 16,67° C )

Yarda legal americana = 0.914401829 m a 68° F ( 20 °C )

Yarda industrial americana = 0.9144 m a 63° F ( 20° C )

1 pulgada = 25,4 mm a 20 °C ( 68°f )

4. ¿Qué es la Metrotecnia?

La metrotecnia es la metrología aplicada a la técnica, diferenciamos dos objetivos:

1º Conseguir en la pieza la medida prescrita.

2º Comprobar que la pieza fabricada cumple las normas establecidas en cuanto a tolerancias con el objeto de asegurar su intercambiabilidad.

5. Principios de medición: exactitud, precisión, valor verdadero, incertidumbre, error.

La medición se ha de realizar con la suficiente exactitud y precisión.

Ninguna medida se puede repetir perfectamente, porque las lecturas y las variables sujetas a medición siempre mostrarán dispersión.

La exactitud hace referencia a la medida y se emplea el término valor verdadero con preferencia o valor exacto a aquel valor que se acepta como válido para un determinado fin con independencia de que lo sea o no.

La precisión es una cualidad de un instrumento, que caracteriza su aptitud para dar un valor verdadero a la magnitud de medida. Nos da una idea del grado de repetibilidad de la medición.

La incertidumbre es una caracteristica de la bondad del resultado. Expresa de forma numérica los límites máximos probables de la desviación. Es un término cuantitativo.

Es necesario medir con una incertidumbre compatible con la calidad que se requiere para el resultado de medida.

A la diferencia entre el valor verdadero y el valor medido se le llama error.

La desviación es la diferencia entre el resultado de una medida y el valor más probable.

Error absoluto:

= Valor medido.
a= Valor verdadero.

Error relativo: Error absoluto/ Valor verdadero.

6. ¿Qué atributos deben poseer los instrumentos de medida?

Los atributos que debe tener todo instrumento de medida son:

Sensibilidad: La variación mas pequeña que el instrumento de medida puede detectar. Si la lectura es digital o se hace contra una escala a la sensibilidad se le llama resolución.
La precisión del instrumento de medida deberá ser diez veces mejor que la precisión de la dimensión que se va a medir.

Linealidad: Las variaciones en las medidas deben ser linealmente proporcionales an las lecturas, al menos sobre un rango especificado de las mediciones.

Repetibilidad: Determina la mayor precisión posible que se puede lograr. Un instrumento debe ser capaz de repetir lecturas con la misma precisión hasta donde se pueda leer.

Estabilidad: Resistencia a ir a la deriva.

Velocidad de respuesta crítica: Para medir una variable transitoria.

Posibilidad de automatización.

7. Cuáles son las causas de error más comunes

Toda medición conlleva una interacción entre pieza, aparato de medición, operador y el espacio en el que se realiza, por ello podremos referir las causas de error a los siguientes factores:

- Al instrumento de medida en si, dado que factores como exactitud, precisión, sensibilidad? propios instrumento influirán en el resultado obtenido.

- A la pieza, denominándose causas macrogeométricas a las que se refieren a la forma aparente de la misma y microgeométricas a las que aluden al acabado superficial.

- A los agentes exteriores o ambiente, en cuyo caso el factor temperatura será el más determinante ya que la dilatación puede hace variar en volumen a piezas e instrumentos de medida. Por ello se define una temperatura de referencia universal que en este caso se cifra en 20ºC. Hay otros factores como humedad, iluminación? que también pueden ser determinantes.

- Al individuo que realiza la medición, que puede incurrir en errores dada la imperfección de sus sentidos en la interacción con la herramienta y la pieza.

8. Errores debidos al operador

En general son errores atribuibles a la imperfección de los sentidos humanos usados en la práctica de la medición.

Cada vez más, los constructores de aparatos de medición, tienden a fabricar los mismos de modo que funcionen con la misma exactitud,independientemente del usuario que los utilice. Pese a esto, el ejercicio, la experiencia y las dotes especiales de cada observador serán la mejor garantía de una buena medida.

Las causas de los errores que pueden ser atribuidos al operador se deben:

- A diferencias de presión en el contacto entre palpadores y la pieza a medir (debido a la fuerza aplicada por el operador), que será el defecto más generalizado.

- A la imposibilidad de apreciar, por parte del ojo humano, líneas separadas por menos de 0,1mm (caso que se puede dar en determinadas situaciones como la lectura del nonius de un determinado calibre). Este inconveniente se puede compensar con la utilización de aparatos ópticos de aumento.

- A lecturas falsas que se dan, principalmente, cuando el operario no observa desde la perpendicular a la escala de graduación.

- A deformaciones locales producidas por la excesiva presión de contacto, que puede producir deformaciones en la superficie de la pieza a medir. Esta causa dependerá, a su vez, de la forma de contacto (puntual, lineal o superficial) entre pieza y palpador asi como del estado superficial de los mismos.

9. Errores debidos al instrumento de medida.

Errores de diseño y fabricación:

Falta de paralelismo, defectos de plenitud o concentridad de los palpadores; defectos de los órganos amplificadores y defectos en los grabados de la escala. Estos elementos no deben ser superiores a la décima parte de la escala del elemento.

Errores por precisión y forma de los contactos:

Debido a las deformaciones elásticas de los elementos en contacto bajo presión, la cual es normalmente muy baja y los palpadores muy robustos.

Errores por desgaste del instrumento:

Habrá que hacer verificaciones periódicas. Existe un mínimo en el desgaste, que se puede permitir, aunque en medidas de comparación no importa el desgaste.

Errores de alineación:

Aparecen al comparar una pieza con su patrón. Son mínimos cuando para la realización de una medición comparativa tanto la pieza como el patrón ocupan la misma posición.

10. Errores debidos a la propia pieza.

Existe un solo valor verdadero para esa cota, pero en la práctica no sucede nunca. Las cotas que se miden se miden entre superficies de definiciones imperfectas:

-Errores de forma: distorsiones macro geométricas.

-Errores de deformación: Las piezas por su peso pueden tomar posiciones inadecuadas en la medición.

Puntos de apoyo más favorables:

* Mínimo volumen en la línea neutra.

a = 0,220 L
b = 0,560 L

* Caras extremas queden paralelas (puntos de Airy)

a = 0,211 L
b = 0,578 L

* Mínima flecha en el centro

a = 0,223 L
b = 0,554 L

-Errores de estabilización o envejecimiento: Se deben a deformaciones por modificaciones estructurales del material. (Ejemplo: Acero templado que con el tiempo aumenta el volumen).

11. Errores debidos a los agentes exteriores o ambientales.

Errores debidos a la variación de la temperatura:

Vienen dados por una ley:

= coeficiente de dilatación térmica
L = longitud inicial

Errores causados por la humedad, presión, polvo, suciedad, vibraciones, ?

12. Clasificación de los instrumentos de medida.

1- Calibradores

Por calibradores se entiende un instrumento que mide una variable. Son cuerpos de acero endurecido, carburo de wolframio, cerámica, etc? que se manufacturan con tolerancias cerradas. Pueden ser fijos o ajustables. Una vez calibrable un ajustable se puede utilizar como fijo.

2- Dispositivos graduados de medición

La lectura se hace contra una escala, se calibran mediante los calibradores. Algunos miden con respecto a un cero y otros con desplazamientos relativos.
(Principio de Abbe: para una correcta medición la línea de la escala debe de coincidir con la línea de medición)

3- Dispositivos de medición comparativa de la longitud

No se aplica directamente sobre el patrón, se hace una simplificación de las lecturas por el medio.
Los indicadores nos dan la desviación en relación a la medida cero. Si se utiliza un indicador con suficiente sensibilidad y una base de referencia se puede obtener información relevante sobre longitud y además sobre descentramiento, alineación, etc.

4- Dispositivos ópticos

Aprovechan las propiedades de la luz para realizar mediciones
- Proyectores ópticos o comparadores
- Interferometría: Utilizar haces de luz visible.
- Haces láser:

5- Máquinas de medición

Se llaman MMC (máquinas de medición de coordenadas). Son estructuras construidas para proporcionar soporte a transductores relativos a una superficie o eje de referencia. Su finalidad es ser altamente estables. Realizan movimientos de precisión a lo largo de uno, dos o tres mutuamente perpendiculares.

13. Tipos de calibradores.

En un sentido amplio, se entiende por calibrador un instrumento que mide alguna variable.

En sentido estricto, nos referiremos por calibrador a aquellos ?cuerpos de acero endurecido, carburo de Wolframio, cerámica, etc. que se manufacturan con tolerancias cerradas?. Pueden ser fijos o ajustables. Una vez calibrado, los ajustables se pueden emplear como fijos.

Los tipos más habituales son:

- Bloques patrón: son los principales calibradores de longitud. Son conjuntos de bloques que permiten obtener cualquier dimensión por la unión de varios bloques.

- Bloques en ángulo: siguen el mismo principio que los bloques patrón pero se emplean en la medición de ángulos.

- Barras de longitud.

- Calibradores cilíndricos y de anillo para la medición de diámetros. Los hay que son dispositivos PASA-NO PASA.

- Calibradores de diámetros múltiples, cilindros roscados y anillos calibradores de curvas.

- Calibradores de ensamble.

14. Dispositivos graduados de medición.

En los dispositivos graduados de medición, la lectura se hace contra una escala. En algunos, la medida se hace con respecto a un punto cero mientras que, en otros, se miden las variaciones de una variable (p.ej., un a longitud) frente a otra que se toma como de referencia. Este último procedimiento tiene la ventaja de que nos proporciona la distribución de las dimensiones de un lote determinado.

Los dispositivos graduados deben verificar el principio de Abbe: la línea de la escala debe coincidir con la línea de medición.

Los principales dispositivos graduados son:

1. Reglas y cintas con graduación de líneas.
2. Micrómetros y pies de rey dotados de vernier o nonio.
3. Rejillas de difracción.
4. Transductores digitales.
5. Disco decodificador numérico.
6. Dispositivos electrónicos de estado sólido.
7. Microscopios de matricero.

15. Instrumentos para la medición comparativa de longitud

Son medidas comparativas. Si se utiliza un aparato con la suficiente sensibilidad se puede obtener información sobre otro tipo de cualidades (y no sólo de longitud).

El indicador puede ser de varios tipos:

-De carátula: tipo reloj. Mediante un piñón cremallera se transforma un movimiento longitudinal en un giro para leer en el reloj después de ampliarlo.
-Calibradores digitales: utilizan un transformador diferencial
-Calibradores neumáticos: Miden contra presión.
-Calibradores capacitivos
-Calibradores ultrasónicos


16. Dispositivos ópticos.

-Proyectores o comparadores ópticos: Amplifican la forma de la pieza proyectándola en una pantalla.

-Interferometría: La luz, como onda, se encuentra entre los: 400 nm. (extremo violeta) < l < 760 nm. (extremo rojo). Si colocamos un plano óptico (disco de vidrio con caras paralelas nivelado hasta los 50 nm.) en un ángulo con respecto a la superficie de trabajo e incidimos sobre el plano una luz monocromática se hacen visibles bandas claras y oscuras (bandas o franjas de interferencia). Los rayos reflejados por la pieza recorren una distancia CDE (ver lámina). Si la distancia CDE es igual a una longitud de onda l, los dos rayos se van a sumar. En cambio, si la distancia CDE es l /2 (o l /2 + n . l ) entonces los rayos se cancelan (surge una banda oscura). Al ser la distancia CD°DE, las bandas se repiten cada vez que cambia la altura entre el plano y la superficie de la pieza en l /2, entonces, contando el número de bandas se puede medir la distancia total. Aquí lo complicado es tener una luz monocromática, por lo que se usan como fuente de luz laceres de helio-neón.

-Haces de láser: La pieza se coloca entre el haz de luz y el fotodetector; el haz de luz barre con v=cte y el fotoprotector recoge la sombra. La resolución alcanzada es de 2,5 µ

17. ¿Qué es una máquina de medición? (de coordenadas MMC)

Son estructuras construidas con mucho cuidado y con el fin de proporcionar soportes para los transductores relativos a una superficie o eje de referencia. Deben ser altamente estables; contienen movimiento de alta precisión a lo largo de 1,2, o 3 ejes mutuamente perpendiculares. Hay algunas para medir ángulos, y la calibración de estas máquinas se hace mediante interferometría láser. Si se les dota de sondas de contacto muy sensibles se pueden usar para el trazo de superficies complejas, y se llega a una resolución de 250 nm.

18. ¿Qué es una Norma?

Es un conjunto de especificaciones o reglas que debe satisfacer un determinado producto. En España tenemos las normas UNE, en Italia las UNI, etc,... pero son lo mismo, aunque las normas que realmente facilitan la intercambiabilidad entre países son las ISO.

19. Definir: juego, apriete, cota nominal, cota efectiva, desviación superior, desviación inferior, tolerancia.

- Juego: Diferencia entre el diámetro del agujero y el del eje, cuando el del agujero es el de mayor dimensión.

- Apriete: Diferencia entre el diámetro del agujero y el del eje, cuando el del eje es el de mayor dimensión.

- Cota nominal: Es la medida que figura en el dibujo con un número entero de milímetros.

- Cota efectiva o real: Es la medida que tiene la pieza terminada.

- Desviación superior: Diferencia entre cota máxima y la cota nominal.

- Desviación inferior: Diferencia entre la cota mínima y la cota nominal.

- Tolerancia: Diferencia entre la cota máxima y la mínima. Se designa T.

- Cota máxima y mínima: Medidas máximas y mínimas permisibles en una pieza determinada.

20. ¿Qué tipos de ajustes ISO conoces?

Los ajustes ISO tienen dos sistemas:

- Agujero único: La cota mínima de todos los taladros coincide con la cota nominal, independientemente del ajuste. El campo de tolerancias del agujero tiene su base sobre la línea cero.
Los ajustes se obtienen empleando diámetros de ejes variables.
Este sistema se emplea, p. ej., en industrias de máquinas herramientas, automóviles, locomotoras y ferrocarriles.

- Eje único: La cota máxima de cada eje coincide con la cota nominal. El campo de tolerancias tiene su límite superior coincidente con la línea cero.
Los ajustes se obtienen empleando agujeros de distintos diámetros.
Se emplea en industrias dedicadas, p. ej., a transmisiones, motores eléctricos, mecánica de precisión, máquinas textiles y agrícola.

21. Dado el ajuste 25H7n6 determinar los juegos máximo y mínimo.

22. Dada la anotación 37F7h10, obtener la medida del agujero y del eje.

- Dada la notación, obtener la medida de agujeros y del eje. Determinando los juegos máximo y mínimo.

37F7h10: 37 = cota nominal en mm.
F7 = agujero; IT = 7; calidad = F
IT = 7; 37 ? T = 0.013 mm. (Tabla 7.1)
Di = 0.025; d = 37; F (Tabla 7.3)
Cinf = Cn + Di = 37.025 mm.
Csup = Cinf + T = 37.05 mm.

h10 = eje; IT = 10; calidad = h
IT = 10; 37 ? T = 0.1 mm. (Tabla 7.1)
Ds = 0 mm.; d = 37; h (Tabla 7.2)
Di= Ds - T= -0.1 mm.
Cinf = Cn + Di = 36.9 mm.
Csup = Cinf + T = 37 mm.

- Juego máximo: agujero máx. y eje min. = 37.5 ? 36.9 = 0.15 mm.
- Juego mínimo: agujero min. y eje máx. = 37.025 ? 37 = 0.025 mm.
- Tipo de ajuste: juego

23. ¿Qué criterios hay que tener en cuenta para elegir el ajuste a emplear en el diseño?

La ISO no fija ninguna pareja eje-agujero, pero recomienda una serie de ellas. A partir de estas recomendaciones surgen las familias ?conjunto de ajustes?, que en el sistema agujero único (o eje único) tienen el mismo agujero (o eje). (Ejemplo: H7 o h7.)
Para elegir los ajustes también hay que tener en cuenta el factor económico. En general, piezas pequeñas nos van a exigir un tiempo considerable de acabado, y en el control de calidad se van a desechar bastantes piezas (tolerancia pequeña material caro).

Hay que pensar qué estamos fabricando y para qué, de modo que elijamos de manera que, alcanzando las exigencias estipuladas en el ajuste, sean económicamente viables.

24. Tipos de superficies: real, geométrica ideal, nominal y efectiva.

Superficie real: límite que separa el cuerpo del resto del espacio. Si el cuerpo se ha obtenido técnicamente, se denomina superficie técnica.

Superficie geométrica ideal: Es la superficie correspondiente al cuerpo ideal proyectado.

Superficie nominal: superficie prescrita técnicamente y dada en el dibujo con sus medidas normalizadas.

Superficie efectiva: es la superficie realmente obtenida.

25. Posibles desviaciones de la forma: falta de planitud, falta de curvatura y falta de conicidad

En el proceso de mecanizado, la superficie obtenida, es decir la superficie efectiva, puede no corresponderse con la superficie inicialmente prescrita. Esto puede ser debido a diversos factores.

Para el estudio de estas posibles deformaciones en la superficie, se coge un perfil representativo de toda la superficie, ya que la información es mucho menos y es más fácil de analizar. Los perfiles se obtienen seccionando la pieza según un plano perpendicular a la superficie teórica, esto es lo que se usa en la práctica. El plano se orientará de manera que se obtenga el perfil que presente mayores irregularidades geométricas.

Las posibles desviaciones de forma que puede sufrir la superficie pueden ser debidas a la falta de:

a. Planitud: la duperficie efectiva, es decir, la superficie obtenida, no se corresponde con la nominal puesto que es curva o presenta desviaciones frente a la planitud de la superficie nominal.

b. Curvatura: la curvatura de la superficie efectiva es menor que la curvatura esperada inicialmente, es decir, que la curvatura presentada en el dibujo por la superficie nominal.

c. Conicidad: el ángulo que forma la superficie efectiva respecto de la horizontal es menor que el ángulo formado por la superficie nominal con respecto a la horizontal.

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