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Generalidades


INTRODUCCIÓN

En metrología Dimensional se utilizan instrumentos de medición extremadamente delicados y algunos de ellos miden con exactitudes del orden de nanómetros (10 –9 m). Sin embargo el rendimiento obtenido será verdaderamente bueno solamente si los conocimientos del operador con respecto de la máquina y de los principios de Metrología son suficientes y los sabe aplicar en la práctica de las mediciones.

Principios generales de la Metrología Dimensional

1.1 Sala de Medición

A fin de obtener un resultado confiable los instrumentos se deben de ubicar dentro de una sala limpia con TEMPERATURA UNIFORME debido a que la temperatura es la mayor fuente de influencia en Metrología Dimensional todas las variaciones repentinas o rápidas de la temperatura, inevitablemente causan errores de medición. Se deben evitar específicamente los rayos en forma directa, la proximidad de fuentes de calor y corrientes de aire. Las ventanas se deben de orientar o resguardar de forma tal que jamás el sol penetre por ellas. Delante de las salidas de aire acondicionado se deben colocar rejillas o deflectores para orientar y distribuir el flujo de aire de manera uniforme. A fin de evita el polvo para todos los instrumentos de medición, el piso debe mantener meticulosamente limpio, y puede protegerse con algún tipo de recubrimiento plástico este tipo de pisos protege las piezas que caigan por accidente. Se debe procurar pintar las paredes con pinturas a base de aceites y con acabado liso.

En Metrología Dimensional las diferencias de temperatura son la mayor causa de errores en las mediciones. Las piezas a medir deben permanecer junto a la máquina durante el tiempo suficiente para que adquieran la misma temperatura de la sala. Si las piezas se colocan sobre una mesa de fundición de hierro se acelera el proceso de estabilización térmica. La temperatura estándar universal en metrología Dimensional es de 20 °C (68 °F).

Las VIBRACIONES mecánicas provocan perdida de la nitidez de las imágenes ópticas y causan desplazamientos impredecibles d los elementos de Medición. Cuando es posible que existan vibraciones, coloque los instrumentos sobre placas, apoyadas sobre almohadillas de goma o trabaje sobre una mesa de granito se desplace como un cuerpo rígido y se garantiza que está no se mueve ni vibre entonces se podrá también garantizar que la instrumentación permanecerá fija durante el proceso de medición nivel de humedad adecuado es del 45% ± 5%.

La HUMEDAD se debe excluir de la sala de medición, ya que la oxidación daña rápidamente los distintos elementos. La condensación y la oxidación ocurren tan pronto como la humedad relativa del aire excede 60%. Para prever la oxidación, es necesario utilizar siempre lubricantes y grasas que permitan proteger los instrumentos que son de acero y metales que se pueden oxidar.

1.2 Temperatura

El contacto con el calor de la mano causa importantes errores en las piezas largas de poca masa. Se debe recordar que la temperatura de tales piezas aumenta rápidamente con la manipulación, pero desciende lentamente en un ambiente estable. Se recomienda el uso de pinzas de madera de bambú o acero con aislamiento de goma, y el uso de guantes que eviten el contacto de las manos con los materiales.

Temperatura Estándar

La temperatura estándar oficial para todos los países es de 20 °C (ISO-1). La dimensión de una pieza se proyecta, dibuja, se mide e informa a la temperatura estándar a menos que otra cosa se especifique. Las mediciones que se obtienen con otras condiciones de temperatura se deben corregir informar los valores a la temperatura de 20°C.

La expresión comúnmente utilizada para corregir las dimensiones de una pieza medida a temperatura uniforme diferente de la temperatura de referencia es:



Dónde es el coeficiente de expansión térmica del material, Lf y Lo son la longitud final e inicial de una pieza, Tf y To son la temperatura final e inicial de la pieza respectivamente.

Él se da generalmente en unidades x 10-6 °C. Para el acero es de 11,5 x 10-6 /°C ó 11,5 µm/m °C, es decir que por cada 1° C que aumenta de temperatura un objeto de 1 m de longitud, su longitud aumentará 11,5 µm, y viceversa, si un metro de acero disminuye su temperatura en 1°C, su longitud se contraerá 11,5 µm ó 11,5 x 10-6 m.

Por ejemplo, se conoce que a 15° C un riel mide 10,0 m, y se desea conocer cuál es la longitud final de ese riel a una temperatura de 35° C. Se aplica la fórmula anterior y se obtiene que:

L final =10,0 m [1+11,5 x 10-6 /° C (35° C –15° C) ]

L final =10,0 m [1+11,5 x 10-6 /° C (20° C) ]

L final =10,0 m [1+2.3X10-4]

L final =10,0 m [1,00023]

L final =10,0023 m

Ahora bien, se debe conocer cuánto cambia la longitud del riel durante el día si su temperatura varía hasta 20° C, el riel tiene una longitud de 10m y su coeficiente de expansión térmica es de 11,5 x 10-6 /C.

Para obtener el resultado se debe utilizar la siguiente expresión:



Dónde Lo es la longitud nominal del objeto, es el coeficiente de expansión térmica del material y es la variación de temperatura del objeto.

Lf = (10 m)*(11,5 x 10-6 m/° C)*(20° C)

Lf = 2300 x10-6 m = 2,3 mm

Si L20 es la dimensión de una pieza a la temperatura estándar de 20° C y LT es la dimensión medida de la pieza a la temperatura T la relación que se utiliza para corregir la longitud de la pieza a 20° es:

L20 = LT - C (1).

Donde C es el término de Corrección

Es decir, si se mide una pieza de aluminio a 25° C y se obtiene una longitud de 1 m; y se desea obtener el valor de la longitud de esa pieza a 20° C se tendrá que corregir el valor de LT a L20 con un término de corrección C = LT α∆t

Aplicando la fórmula (1) tendremos que:

L20 = LT – C

L20 = 1 m - [(25 °C – 20 °C)(24 x 10-6 /°C)(1 m)]

L20 = 1 m – 0,120 x10-3 m

L20 = 1 m – 0,000 120 m

L20 = 0,999 88 m,

es decir: 1m con menos 120 µm ó 120 µm menos de la longitud medida.

Suponga que se mide una pieza con una escala E a una temperatura T diferente a 20°C. El término de corrección a utilizar es:



Donde:

L            Es la Longitud nominal de la pieza



Ejemplo: Una pieza de aluminio que se ha maquinado tiene una temperatura de 35°C, y se mide con un micrómetro que tiene una temperatura de 15 °C, la longitud medida con el micrómetro es de 55,635 mm.

Determinar la longitud de la pieza maquinada a 20° C, que es la temperatura de referencia. La pieza es de aluminio con  αpieza =23 x10-6 /°C y el micrómetro es de acero con  αescala =12 x10-6 /°C.

Sustituyendo valores en la fórmula 2 se tendrá:



Donde: ∆T=Tf-T20º

El término de corrección C es:

C = 0,055 m [(23 x 10-6 /°C·(35° C - 20° C)) – (12 x 10-6 /C (15° C - 20° C))]

C = 0,055 m [(23 x 10-6 /°C·(15° C)) – (12 x 10-6 /C (-5° C))]

C = 0,055 m [345 x 10-6 m + 60 x 10-6 m]

C = 0,055 m [405 x 10-6 m]

C= 22,27 x10-6 m

Este valor de C debe sustituirse en la fórmula (1) de L20.

L20 = LT - C (1).

L20 = 0,055 635 m – 0,000 022 27 m

L20 = 0,055 612 7 m ó 55,612 73 mm

Casos particulares

Medición de una pieza de acero por medio de una escala de acero. Debido a que la pieza y escala son del mismo material, se procede como sigue:



Donde ∆Tp-e es la diferencia de temperatura entre la pieza y la escala de medición.

Para el acero, el coeficiente de expansión térmica αes = 11,5 x10–6 / C.

Caso 1: Si la temperatura de la escala y de la pieza es la misma, entonces, ∆Tescala = ∆Tpieza y C=0. Por lo que si medimos una pieza de ACERO, el resultado será correcto independientemente de la temperatura ambiente, siempre y cuando la temperatura de la pieza y la de la escala de medición sea la misma. La medición dará directamente la dimensión del objeto para la temperatura estándar de 20 °C (68 F), dado que la corrección es cero (siempre y cuando la escala esté calibrada a 20°C).

Esto se explica debido a que la escala de medición es el patrón con el cual se ha de medir el objeto, este patrón debe estar calibrado a 20° C y además su coeficiente de expansión es el mismo que el de la pieza; entonces al medir la pieza se dilatará la misma longitud debido a que sus coeficientes son iguales y por lo tanto la corrección C que se aplica para ambos se anula.

El ejemplo anterior explica por qué la temperatura de las piezas debe estar estabilizada antes de medirlas y por qué se deben de evitar las variaciones repentinas de la temperatura alrededor del patrón de medición.

Caso 2: Medición de una pieza fabricada con un material diferente al acero, pero que se encuentra a la temperatura de la escala de medición

La fórmula 2 se convierte en:



A continuación se describe un ejemplo de cálculo:

La distancia entre dos orificios en una pieza de bronce medida a 28° C es de 325,078 mm. ¿Cuál es el valor de la distancia entre los dos orificios a 20° C?




A fin de obtener la dimensión de la pieza a 20° C se debe sumar (o restar si el cálculo da un signo negativo) el valor C a la lectura LT.

Reemplazando los valores numéricos en la formula se obtiene: L20 = 325,078 – 0,017 = 325,061 mm.

La siguiente tabla 1 muestra los valores aproximados del coeficiente de expansión térmica (a) en unidades de 10-6 /° C ó µm/m ° C.

No. Material Por °C
1 Magnesio 27
2 Aluminio 23
3 Plata 19.7
4 Latón y Bronce 18
5 Cobre 16.5
6 Cosntatán 15.2
7 Oro 14.3
8 Níquel 13
9 Acero Dulce y Templado 11.5
10 Acero de Fundición Gris 10.4
11 Acero Inoxidable 10 a 18
12 Cerámica 9.2
13 Platino 9
14 Carburo de Cromo 8.4
15 Granito 6.3
16 Vidrio 6 a 9
17 Carburo de Tungsteno 4.5
18 Invar 0.5 a 2
19 Cuarzo Fundido 0.5
20 Zerudor 0.05



A continuación se presenta una tabla (2) con diferentes casos que pueden presentarse en las correcciones de temperatura:

Caso Material Diferencia de Temperatura Corrección
2.1 αе ≠ αр ∆tе ≠ 0; ∆tp ≠ 0 Lnp+∆tp - αе+∆tе)
2.2 αе ≠ αp ∆tе = ∆tp = ∆t ≠ 0 Lnp – αе) ∆t
2.3 αе ≠ αp ∆tе = ∆tp= 0 0
2.4 αе = αp ∆tе ≠ ∆; ∆tp ≠ 0 Ln(∆tp - ∆tе) α
2.5 αе = αp ∆tе= ∆tp = ∆t ≠ 0 0
2.6 αе = αp ∆tе = ∆tp = 0 0


Dónde:

αe , αp son los coeficientes de expansión térmica de la escala y la pieza respectivamente.
∆te, ∆tp son las variaciones de temperatura respecto a 20°C para la escala y la pieza respectivamente

Ln es la longitud nominal de la pieza a medir.

Los casos 2.1 a 2.3 son materiales distintos entre la escala y la pieza y la diferencia de temperatura entre ellos es diferente (excepto para el caso 2.3), los casos 2.4 a 2.6 los materiales de la escala y pieza presentan el mismo coeficiente de expansión térmica y la diferencia de temperatura entre ellos es similar a los casos 2.1 a 2.3 respectivamente.

Debe aclararse que aun cuando algunas correcciones resultan ser de cero, no es así para la incertidumbre de medición de cada caso, ya que en la incertidumbre siempre se presenta un valor

1.3 Fijación de las piezas

Siempre se deben recordar dos hechos. Cualquier fuerza que se ejerza sobre una pieza para fijarla, la deforma.

Una pieza que se coloca sin sujetar sobre una mesa tendrá la posibilidad de desplazarse por la fuerza de medición aplicada ó por la aceleración del carro del instrumento.

Una pieza debe, por lo tanto, fijarse de forma tal que la distorsión sea despreciable y que evite cualquier desplazamiento no deseado.

En la práctica, las piezas livianas o frágiles deben, en la mayor parte de los casos, sujetarse en posición mediante bolitas de masa (plastilina ó masa similar). Las piezas rígidas o más pesadas se pueden ajustar por medio de abrazaderas que en algunos casos son provistas con los instrumentos y en los otros casos el Metrólogo debe idear algún dispositivo de sujeción que no afecte geometría de las piezas a medir.

1.4 Limpieza

La limpieza es de una importancia primordial y cada Metrólogo debe poner especial atención a ella. Durante todas las mediciones es de importancia primordial que prevalezca una limpieza meticulosa de los instrumentos, los accesorios y las piezas a medir. La suciedad, los depósitos de grasa y otras impurezas pueden provocar errores serios de medición; primordialmente afectan en el contacto del palpador con la pieza. Por lo tanto, las superficies de contacto se deben limpiar con un trapo ó papel apropiado, totalmente libre de suciedad cuidando de no transmitir calor a la pieza con las manos.

Las superficies que se examinan con algún proyector de perfiles o similar también se deben de encontrar perfectamente limpias, ya que la suciedad deteriora la imagen. Limpie con éther de petróleo, alcohol ó algún solvente suave y séquela con aire aplicado con una bomba manual de aire, para evitar soplar con aire húmedo.



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