Guida di riferimento alla lavorazione: rugosità superficiale e valori Ra

La rugosità superficiale è una delle caratteristiche più importanti dei pezzi lavorati. Influisce direttamente sulle prestazioni, sull'attrito, sull'usura, sulla tenuta, sull'aspetto e persino sui costi di produzione.

Uno dei parametri di rugosità più comunemente specificati nei disegni tecnici è la rugosità media aritmetica (Ra). Il Ra fornisce un'indicazione ripetibile e standardizzata della struttura media della superficie. Tuttavia, in alcuni casi, il Ra deve essere combinato con altri standard di rugosità, quali Rz e Rpk. Tale combinazione è particolarmente importante quando si ha a che fare con superfici funzionali quali impianti medici, perni di cuscinetti e facce di tenuta.

Questa guida approfondisce il tema della rugosità superficiale e dei valori Ra. La guida spiega il significato dei valori Ra, come misurarli e come specificare correttamente la rugosità nei disegni tecnici.

Che cos’è la rugosità superficiale?

La rugosità superficiale descrive le irregolarità microscopiche che rimangono su una superficie dopo la lavorazione. Tali irregolarità derivano dal movimento dell’utensile da taglio, dalla geometria dell’utensile, dalle proprietà del materiale e dai parametri di lavorazione, quali l’avanzamento e la velocità di taglio. La rugosità superficiale fa parte della descrizione della struttura superficiale. La struttura superficiale comprende la rugosità, ovvero i segni di lavorazione fini con profondità compresa tra 0,1 e 100 µm. Altri elementi della struttura superficiale includono l’ondulazione, l’orientamento e l’errore di forma, che sono definiti e regolamentati in modo esaustivo nell’ambito di quadri metrologici standardizzati come la norma ASME B46.1 “Surface Texture Specification” (Specifiche sulla struttura superficiale). ^[1].

La rugosità superficiale è una scala numerica che descrive la struttura della superficie, a differenza di altre irregolarità quali opaco-argenteo o liscio-lucido. La rugosità non si percepisce solo al tatto o alla vista, ma può anche essere misurata. La rugosità superficiale può essere generata intenzionalmente dai sistemi di produzione oppure può derivare da vari fattori. Tra questi figurano le proprietà fisiche del materiale e le vibrazioni degli utensili da taglio. La rugosità superficiale è oggetto di studio nel campo della metrologia superficiale.

Perché la rugosità superficiale è importante?

È impossibile ottenere una superficie perfetta. Tuttavia, esistono livelli di perfezione da raggiungere per garantire l’efficacia delle operazioni di produzione. La quantificazione della rugosità superficiale è rilevante per i prodotti commerciali che richiedono un rigoroso controllo dei costi e che sono progettati per tempi di ciclo brevi. La produzione ingegnerizzata stabilisce limiti di deviazione accettabili per diverse categorie di prodotti. La misurazione della rugosità superficiale è utile per il controllo qualità. Inoltre, gli ingegneri possono utilizzare il quadro di riferimento della rugosità prestabilita per soddisfare le specifiche estetiche. Ciò contribuisce a classificare i prodotti in diverse categorie, ciascuna con un prezzo diverso.

Come si misura la rugosità superficiale?

La rugosità superficiale è un valore medio. Consiste nel quantificare le deviazioni relative a picchi, avvallamenti e irregolarità osservate sulla superficie del pezzo, con riferimento a un piano di riferimento ideale. Il termine più comunemente utilizzato nella misurazione della rugosità superficiale è la rugosità media aritmetica (Ra). Tuttavia, sono comuni anche altri parametri come Rz, Rt, Rq e Rmax.

R_z è la media dei picchi massimi e dei minimi consecutivi. Di solito si procede in questo modo per le cinque deviazioni più significative, per poi calcolarne la media. R_p è la distanza calcolata tra il picco più alto del profilo e la linea media all’interno della lunghezza di valutazione. R_v è la distanza calcolata tra il punto più basso del profilo e la linea media all’interno della lunghezza di valutazione. R_massimo è la massima deviazione consecutiva tra il picco massimo e il minimo, calcolata all'interno della lunghezza di valutazione.

Calcolo dei valori Ra

Ra è la media della deviazione dei punti più bassi e più alti della superficie rispetto alla linea di riferimento. Può essere espressa come segue:;

Ra = (|y₁| + |y₂| + |y₃| + … + |y_n|) / n

Dove y è la deviazione di ciascun punto misurato dalla linea media e n è il numero di punti misurati. Ra viene solitamente misurato in micrometri (µm).

Gli ingegneri non esprimono un giudizio assoluto sulla natura della rugosità superficiale basandosi esclusivamente sui valori Ra. Le superfici possono presentare gli stessi valori Ra ma diversi profili di picchi e valli. Tali superfici possono comportarsi in modo diverso in termini di usura, attrito e tenuta.

La rugosità superficiale può essere determinata con metodi a contatto o senza contatto.

In cosa consiste il metodo a contatto per la determinazione della rugosità superficiale?

Il metodo più diffuso per stimare la rugosità superficiale consiste nell'utilizzo di un profilometro a contatto.

Lo strumento è dotato di uno stilo con punta di diamante che entra in contatto fisico con la superficie. Il punto di contatto si sposta lungo la superficie per una distanza specificata, rilevandone il profilo. Il punto di contatto si sposta verso l’alto quando incontra un picco e verso il basso quando incontra una depressione. Lo strumento è dotato di un sistema di rilevamento che rileva questi movimenti e li converte in segnali elettrici. Il segnale elettrico viene elaborato per creare un profilo superficiale, che viene poi interpretato in laboratorio sotto forma di curve. Il profilometro a contatto funziona grazie a un software che separa la rugosità dalle variazioni superficiali di lunghezza d’onda maggiore. Il software calcola parametri quali Ra e Rz e presenta i risultati sotto forma di valori numerici.

Superficie → Stilo diamantato → Movimento verticale dello stilo → Segnale elettrico → Profilo → Filtraggio → Calcolo della rugosità → Ra/Rz

Quali sono i metodi di misurazione senza contatto della rugosità superficiale?

Questo metodo di misurazione utilizza la luce per misurare la struttura microscopica. A differenza di uno stilo fisico che traccia meccanicamente picchi e avvallamenti, l'approccio senza contatto rileva l'interazione della luce con la superficie, creando un profilo 2D. Questo metodo è ampiamente utilizzato quando gli ingegneri devono evitare graffi o deformazioni dei componenti, quando i metodi tradizionali non riescono a raggiungere strutture profonde e quando lo stilo a contatto danneggia un rivestimento delicato. I sistemi ottici senza contatto possono generare mappe superficiali 3D per facilitare l’analisi da parte degli ingegneri. Gli ingegneri possono individuare la posizione di specifici picchi e avvallamenti, segni di lavorazione e graffi. Tra i metodi di misurazione superficiale senza contatto figurano l’interferometria a luce bianca (WLI), la microscopia confocale, la scansione laser e la profilometria ottica.

WLI utilizza l'interferenza delle onde luminose per stimare differenze di altezza superficiali estremamente ridotte, fornendo una topografia superficiale quantitativa ad alta risoluzione e mappe altimetriche 3D dettagliate senza contatto fisico, come evidenziato nei rapporti di analisi dei materiali di Lucideon ^[2].

Nella scansione laser, un raggio laser focalizzato viene proiettato sulla superficie del pezzo e la luce riflessa viene misurata utilizzando metodi quali la triangolazione laser. A seconda dell’altezza della superficie, la posizione del raggio laser riflesso varia e tali variazioni di posizione vengono convertite in misurazioni di altezza. Il raggio laser viene fatto scorrere lungo la superficie del pezzo, generando un profilo superficiale.

Come si sceglie la giusta rugosità superficiale?

La scelta della finitura superficiale deve partire dalla funzione del pezzo, non dal valore di rugosità più basso possibile. Ogni superficie lavorata ha uno scopo diverso, pertanto la finitura deve essere adeguata all’applicazione, anziché applicare lo stesso requisito all’intero componente.

Adeguamento della rugosità superficiale ai requisiti funzionali

Gli ingegneri cercano di adattare la rugosità superficiale del prodotto all’uso previsto. Prima di scegliere la finitura superficiale, stabiliscono come verrà utilizzata la parte dopo la lavorazione. Se la finitura superficiale non soddisfa i requisiti funzionali della parte, vengono applicate finiture più fini, in particolare alle sedi dei cuscinetti, alle superfici di scorrimento, agli accoppiamenti di precisione e alle facce di tenuta. Se le superfici non influiscono sull’assemblaggio, i produttori applicano finiture di lavorazione standard per ridefinire la rugosità superficiale. I valori di rugosità superficiale vengono assegnati solo alle superfici che presentano un requisito funzionale.

Trovare il giusto equilibrio tra finitura superficiale e costi di produzione

Per ottenere valori di rugosità inferiori, i produttori ricorrono a ulteriori operazioni di lavorazione o finitura. Tali operazioni comprendono la lucidatura, la rettifica, la levigatura e altre passate di finitura aggiuntive. Questi processi di produzione e metodi di finitura aggiuntivi incidono sui costi complessivi di produzione. Si consiglia pertanto agli ingegneri di ricorrere a finiture più raffinate solo laddove queste offrano un vantaggio funzionale. In tali casi, è possibile applicare una lavorazione standard.

Come evitare una definizione eccessivamente dettagliata della finitura superficiale

Un’altra strategia per scegliere la giusta rugosità superficiale consiste nell’evitare di assegnare la stessa finitura superficiale a tutte le facce del pezzo. L’applicazione di requisiti di finitura molto rigorosi su aree non funzionali aumenta i tempi di lavorazione e il lavoro di ispezione. I produttori devono esaminare ogni superficie singolarmente durante la progettazione del pezzo. Limitare le finiture di precisione alle caratteristiche critiche semplifica la produzione, mantenendo al contempo la qualità richiesta del pezzo.

Conclusione

La finitura superficiale misura i piccoli picchi e avvallamenti presenti su un pezzo lavorato. Il Ra (rugosità media) è la media aritmetica delle altezze del profilo ed è la specifica più comune nei disegni tecnici. Il Rz è l’altezza media tra picco e avvallamento su una lunghezza di campionamento ed è più sensibile ai graffi profondi.

I requisiti relativi alla finitura superficiale variano da una caratteristica all’altra. Un alloggiamento, un albero, una superficie di tenuta e un componente ottico raramente presentano lo stesso valore Ra, poiché ciascuna superficie svolge una funzione diversa. In fase di progettazione, gli ingegneri specificano la rugosità solo per le aree che influiscono sull’assemblaggio, il movimento, la tenuta, il rivestimento, l’ispezione e la qualità del prodotto.

Riferimento

[1] American Society of Mechanical Engineers (ASME). (2019). B46.1-2019 Struttura superficiale (rugosità, ondulazione e orientamento della superficie). Norme ASME. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (s.d.). Interferometria a luce bianca (WLI) per la topografia quantitativa delle superfici. Test e caratterizzazione di Lucideon. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli