A maioria das superfícies apresenta espaçamentos regulares ou não que compõem a sua textura. Espaçamentos estes gerados por vários fatores durante o processo de fabricação ou na fase de acabamento do componente. Dos fatores relacionados ao material, o mais importante diz respeito à sua microestrutura. A usinagem e o acabamento também são importantes na geometria da superfície, principalmente com relação ao tipo e estado da ferramenta de corte utilizada, velocidade e fluido empregados.
MORTON (1994) registra que a principal razão de medir a topografia de uma superfície é para tentar predizer o desempenho do componente. Como exemplo, a superfície de um mancal requer uma textura que atenda aos requisitos de lubrificação (retendo óleo em bolsões) e de mínimo atrito: se for áspera, o desgaste será acentuado e prematuro, mas se for polida, a lubrificação será insuficiente. A segunda principal razão de medir a topografia de uma superfície é para controlar o processo de fabricação.
A textura de uma superfície (Figura 29) é formada por duas componentes: a rugosidade (do inglês roughness) que refere-se às irregularidades de alta
frequência na superfície causadas pela interação da microestrutura do material e a ação da ferramenta de corte;
a ondulação (do inglês waviness) que refere-se às irregularidades de média frequência na superfície sobre as quais a rugosidade se sobrepõe, e causadas pela instabilidade da ferramenta de corte e erros no guia da máquina de usinagem.
Figura 29: Textura de uma superfície com ondulação e rugosidade em destaque. Fonte: MATOS JR. (2008).
Para uma análise efetiva da rugosidade e da ondulação, parâmetros internacionalmente reconhecidos são aplicados de forma combinada (normalmente escolhendo-se entre três e seis parâmetros para tal), sendo estes parâmetros separados em quatro tipos básicos. :
Parâmetros de amplitude que medem os desvios verticais da superfície; Parâmetros de espaçamento que medem os espaçamentos das
irregularidades ao longo da superfície, independente da amplitude destas irregularidades;
Parâmetros híbridos que analisam uma combinação de amplitude e espaçamentos das irregularidades da superfície;
Parâmetros extendidos que não são definidos somente pelo perfil da superfície e requerem outros dados complementares.
De forma mais detalhada, os parâmetros mais utilizados são [HUTCHINGS, 1992; MORTON, 1994; BET (1999) apud MEDEIROS, 2002, p.44]:
Rugosidade média (Ra) – é a altura média das rugosidades ao longo de um comprimento avaliado da superfície. É bastante utilizado para avaliar superfícies torneadas, fresadas e retificadas. Também representado por c.l.a (centre line average) ou AA (arithmetic average), tal parâmetro segundo Hutchings (1992) pode ser expresso matematicamente como (Equação 14):
[14]
Onde, y é a altura da superfície acima da linha média a uma distância x da origem, e L é o comprimento total do perfil analisado.
Rugosidade rms (Rq) é definida como o desvio da raiz quadrada média do perfil da superfície a partir de uma linha média. Também utilizado para avaliar superfícies oriundas do torneamento, fresamento e retífica, mas com uma sensibilidade maior às variações de superfície do que o parâmetro Ra. Hutchings (1992) define a seguinte expressão para tal parâmetro (Equação 15):
L y x dx L Ra 0 1[15]
Rugosidade Rz é a distancia média entre os cinco picos mais altos e os cinco vales mais profundos de uma superfície dentro do comprimento analisado. Assim como o parâmetro Rmax (que especifica a máxima altura de rugosidade), o parâmetro Rz é utilizado na análise do perfil de superfícies sujeitas à altas tensões.
Profundidade da rugosidade central (core roughness depth) ou Rk é a profundidade da rugosidade com exceção dos picos e vales ou a altura da região de rugosidade central. Representa a parte da superfície que, após o running-in, suportará a carga influenciando na vida e desempenho do componente. É comumente utilizado para avaliar superfícies planas resultantes de múltiplas operações de usinagem nas quais os picos são removidos e grandes vales são criados para reter a lubrificação, tendo por isso, tal parâmetro, larga aplicação na industria automotiva.
Altura reduzida dos picos (reduced peak height) ou Rpk caracteriza a parte do perfil que está acima da região de rugosidade central e que será desgastada durante o running-in. É utilizado em conjunto com o parâmetro Mr1.
Profundidade reduzida dos picos (reduced valley depth) ou Rvk caracteriza a parte do perfil que está abaixo da região de rugosidade central e que tem a função de reter o lubrificante durante a sua vida em serviço. É utilizado em conjunto com o parâmetro Mr2.
Parâmetro Mr1 que representa o percentual de material correspondente à
interseção entre a linha superior da região de rugosidade e a curva de Abbott-Firestone, ou seja, o menor percentual de suporte da região central.
Parâmetro Mr2 que representa o percentual de material correspondente à
interseção entre a linha inferior da região de rugosidade e a curva de Abbott-Firestone, ou seja, o maior percentual de suporte da região central.
Volume A1 que corresponde à região de picos compreendida entre a curva de Abbott-Firestone e a linha superior da região de rugosidade central.
Volume A2 que corresponde à região de vales compreendida entre a curva de Abbott-Firestone e a linha inferior da região de rugosidade central.
A Figura 30(a) apresenta a família Rk de parâmetros híbridos de avaliação da topografia superficial e, à direita, a curva de Abbott-Firestone, ou curva de relação de material [WHITEHOUSE (1994) apud MEDEIROS, 2002, p.45] e a Figura 30(b), um exemplo comparativo entre medidas Rk e Ra.
Figura 30: (a) Curva de Abbott ou Abbott-Firestone de um perfil de rugosidade: lê-se os percentuais das áreas de asperezas (A1), de vales (A2), da rugosidade central (Rk) e de menor (Mr1) e maior (Mr2) capacidade de carga do perfil; (b) Definição esquemática e comparativa, aplicada a duas superfícies, dos parâmetros de textura superficial Ra, Rk, Rpk, Rvk de acordo com MUMMERY [1992: 40-1] apud MEDEIROS, 2002, p.45.
GRZESIK (2016) reforça que a predição das propriedades funcionais de peças usinadas representa um dos desafios fundamentais da engenharia de manufatura. Em geral, tal predição baseia-se na medição do acabamento da superfície gerada em operações de corte, desbaste e polimento. Na prática, estas propriedades estão correlacionadas com os parâmetros 2D e 3D de rugosidade, ondulação e textura da superfície.
Tipicamente, o projeto de peças de máquinas é baseado nas tolerâncias dimensionais e de forma, e marginalmente em parâmetros de rugosidade, principalmente o Ra. Atualmente, além da rugosidade e ondulação, desvios de forma e posição, requer-se indicar no projeto, as tensões residuais de projeto, mínima e máxima.
Reforçando o exposto anteriormente, o desempenho funcional está fortemente relacionado ao acabamento superficial, que influencia propriedades como resistências à fadiga, ao desgaste e à corrosão, rigidez das juntas, capacidades de lubrificação e selagem, entre outras.
GRZESIK (2016) destaca que a importância dos parâmetros 3D sobre os parâmetros 2D para caracterizar superfícies é que a funcionalidade da superfície depende fortemente das camadas usinadas, que por sua vez, influenciam a direcionalidade (anisotropia) da textura superficial, o que repercute em propriedades como resistência à fadiga e desgaste por fretting, atrito de deslizamento, resistência ao desgaste abrasivo, adesão e resistência à corrosão, para as quais tal pesquisador fez as devidas correlações (entre propriedades e parâmetros).