Ottimizzare le tolleranze per ottenere pezzi lavorati su macchine CNC di migliore qualità

La standardizzazione ottenuta attraverso le tolleranze è datata, ma essenziale per il commercio globale.

Il concetto di intercambiabilità dei componenti e tolleranza dimensionale è una fase ormai affermata della produzione moderna. Il valore di produrre pezzi "identici" che si adattano a qualsiasi gruppo di componenti dello stesso tipo esiste dal 1841 e, probabilmente, anche da prima. Sir Joseph Whitworth ha sviluppato la forma del filetto British Standard Whitworth (BSW), che ha migliorato per sempre la produzione distribuita. Ha consentito sia la concorrenza che la collaborazione tra diverse aziende manifatturiere.

La perfezione può ostacolare il progresso.

È facile aggiungere tolleranze rigorose e vincoli eccessivi con la quotatura e la tolleranza geometriche (GD&T) in fase di progettazione e prototipo. Ciò aumenterà inevitabilmente i costi di produzione e limiterà ulteriormente le opzioni di approvvigionamento lungo il ciclo di sviluppo. Le tolleranze più rigorose possono richiedere passaggi di lavorazione (a macchina) secondari come rettifica, lucidatura o elettroerosione (EDM) aumentando sia i costi che, soprattutto, i tempi di consegna.

Similmente, tolleranze troppo blande possono rendere difficile o impossibile il montaggio dei componenti.

Per aiutare a muoversi tra i tipi di tolleranza e le probabili implicazioni sui costi, questo articolo tratta le tolleranze disponibili presso Protolabs, insieme alle tolleranze comunemente utilizzate. Infine, esploreremo la quotatura e la tolleranza geometriche (GD&T), definite ai sensi di BS 8888:2020, ISO e ASME.

Tolleranze standardizzate per lavorazione CNC

Molti fornitori insistono su un disegno 2D. A volte è così che possono addebitare un extra per le tolleranze più rigorose e risparmiare producendo il resto del componente a una tolleranza generale (GT) più blanda. Protolabs produce tutto con una tolleranza standard moderata pari a ±0,1 mm. Mantenerla semplice consente di risparmiare tempo nella produzione di disegni e nella comunicazione. Per la maggior parte dei componenti è sufficiente: Il 54% dei componenti funzionali può essere prodotto con una tolleranza pari o inferiore a ±0,1 mm.-

Linee guida sulle tolleranze per la lavorazione CNC

L'eccessiva limitazione di un progetto può assumere due forme: aggiungendo una tolleranza inutilmente stretta o vincolando in ogni grado di libertà più di una volta: un singolo perno vincolerà nelle direzioni x e y, un secondo perno impedirà la rotazione. Lo stesso vale per gli slot e gli inserti: un vincolo eccessivo aggiungerà costi.

Finitura superficiale

In genere, Protolabs offre una finitura superficiale di 1,6 µm Ra (rugosità media) su tutta la gamma di materiali CNC. Da Ra 6,3 µm a Ra 0,8 µm sono tipiche per la lavorazione CNC generica. La sabbiatura facoltativa del tallone creerà una finitura leggermente più ruvida, ma uniforme e opaca. Per immagini dettagliate consultare guida alla finitura superficiale.

Progettare in aggiustamento

L'aggiunta di aggiustamenti a un progetto può essere un buon modo per ottenere un'accurata corrispondenza e proteggere le scommesse di progettazione oppure per testare la tolleranza che potrebbe essere necessaria:

• Scorrimento: utilizzo di un pezzo di materiale sottile per regolare l'altezza o gli spazi vuoti / utilizzo di spessori in acciaio o rondelle di spessore
• Viti di regolazione: viti senza testa o viti a passo fine possono essere utilizzate per modificare la posizione o spingere un gruppo contro un punto di riferimento, non bisogna dimenticare di considerare come bloccare la posizione (dado nylock, composto frenafiletti o un'altra vite)
• Raccordo a pressione: pressione di 2 componenti a un'altezza o a una posizione nota
• Raccordo termoretraibile: riscaldando un componente, la dilatazione termica può essere utilizzata per bloccare con precisione due componenti

Tutti questi metodi sono ottimi per maschere, banchi di prova e attrezzature di montaggio.

Modifica durante il montaggio

Montaggio su banco, sbavatura e lucidatura sono tutti processi che si desidera assolutamente evitare se il prodotto è destinato alla produzione di grandi volumi. Sono altamente dipendenti dall'abilità e introducono variazioni. Tuttavia, nella fase di test e prototipo, l'utilizzo di smeriglio fine, pasta per lappatura o composto per lucidatura e un metodo di misurazione rapido, possono costituire un modo rapido per iterare il progetto alla tolleranza necessaria. Un altro suggerimento è quello di produrre più progetti per i test di montaggio; CNC e 3DP possono produrre rapidamente un array di test.

Cosa sono i micron?

Il micrometro (µm) è piccolo al 100^o di millimetro; è a malapena un “odore”: letteralmente, una particella di fumo di sigaretta ha diametro pari a 1 µm. Tenendo il cellulare, il calore della mano modifica le sue dimensioni fino a 68 µm. Il che contestualizza la nostra tolleranza generale pari a ±100 µm, evitando di misurare in micron, a meno che non si preveda di normalizzare per 24 ore e misurare in un ambiente a temperatura controllata utilizzando una CMM (che Protolabs offre).

 (# lega di alluminio CTE = 24 µm/m/°C, ambiente 18 °C, temperatura corporea 37 °C, lunghezza del telefono 150 mm)

Controllo qualità e documentazione

Su richiesta, possiamo effettuare misurazioni utilizzando CMM (macchine di misura a coordinate), scanner laser o altre apparecchiature di metrologia. Possiamo anche lavorare con il cliente sulla procedura di approvazione dei componenti di produzione (PPAP), fornire un certificato di conformità (CoC) alle specifiche del cliente oltre che fornire il rapporto FAI (First Article Inspection) e le schede tecniche dei materiali.

Capacità e precisione di misurazione

“Sebbene Protolabs abbia quotato ±0,1 mm sui pezzi in alluminio che abbiamo ricevuto, tutte le dimensioni erano entro ±0,05 mm” – commento del cliente.

Protolabs utilizza studi di capacità per mantenere la tolleranza, il che significa che spesso superiamo la tolleranza quotata, in quanto deve coprire più configurazioni di lavorazione a macchina e tipi di materiale.

Per ottenere la migliore tolleranza, utilizzare la seguente guida:

• Ove possibile, orientare tutti i particolari correlati da lavorare in un unico piano (in modo che vengano prodotte nella stessa configurazione)
• Utilizzare materiali a bassa dilatazione termica (Coefficiente di dilatazione termica CTE)
• Utilizzare plastiche con buone proprietà igroscopiche: l'assorbimento di acqua modifica le dimensioni e la forma, questo influisce sulla plastica riempita con vetro tagliata a CNC

Quotatura e tolleranza geometriche

GD&T fornisce una documentazione più dettagliata che il progettista può utilizzare per spiegare al produttore importanti considerazioni sulla produzione. Un po' come la stenografia: spesso aggiungendo una GD&T si richiede una sequenza di produzione specifica e, possibilmente, un processo produttivo diverso. Poiché ciò include le relazioni di adattamento tra i vari particolari del pezzo, richiede anche un maggiore controllo di qualità, quotatura e misurazione.

Limiti e adattamenti: Normalmente definito sulla base del foro (secondo ISO 286-2) utilizza una lettera e un numero (insieme al diametro totale del foro). I fori sono definiti con le lettere maiuscole H7, gli alberi con le lettere minuscole g6. Maggiore è il numero, più ampia è la fascia di tolleranza:

• 9 o più è una tipica tolleranza di fresa o trapano,
• 7 indica generalmente un foro alesato: è necessario un alesatore specifico per ogni dimensione del foro
• 6 e inferiori richiedono lavorazioni ancora più specializzate.

La lettera definisce quanto lontano dal valore nominale: H è sul valore nominale, k e successive sono maggiori del valore nominale (interferenza), g e precedenti sono inferiori al valore nominale (adattamento con gioco).

GD&T:

Un buon corso è in grado di spiegare sia come utilizzare che come misurare ciascuna classe di tolleranza (ce ne sono molti tra cui scegliere: Mitutoyo, ImechE o NPL). Come vengono prodotte le quotature e tolleranze geometriche?

Posizione vera: Più comunemente usata con il simbolo del diametro per indicare la tolleranza applicata in ogni direzione. Notare che è un valore assoluto, pertanto 0,030 significa ±0,015. Fori alesati sono quasi sempre necessari, in quanto se il diametro del foro è irregolare intaccherà il GD&T. Sono necessarie attrezzature CNC calibrate e meticolose impostazioni di misurazione.

Planarità: Le superfici fresate sono generalmente piuttosto piatte. L'aggiunta di una planarità molto rigorosa è normalmente un codice per la rettifica superficiale. L'aggiunta di parallelismo significa che due facce devono essere entrambe piane l'una rispetto all'altra. Spesso viene aggiunta anche la finitura superficiale (in quanto influirà sulla tolleranza di misurazione). Suggerimento: cuscinetti di appoggio leggermente rialzati o contrassegnare il disegno per mostrare solo le aree in cui la planarità è critica può semplificare la produzione e la misurazione.

Cilindricità, concentricità ed eccentricità: si applicano a fori e alberi, viene più spesso specificata l'eccentricità in quanto è più facile da misurare: un "orologio" o DTI (indicatore di comparatore a quadrante) misura la deviazione mentre il pezzo viene girato. Si tratta di una misurazione composta, quindi potrebbe essere necessaria un'ulteriore misurazione per capire se è cilindrica (non a forma di uovo) o concentrica (fuori dal centro di rotazione).

Ortogonalità (perpendicolarità e angolarità): Le fresatrici CNC sono calibrate per controllare che gli utensili siano in squadra rispetto alla base di lavorazione, questo offre una buona ortogonalità, soprattutto su brevi distanze. Più rigorosa è la tolleranza di ortogonalità, più la produzione sarà iterativa e dispendiosa in termini di tempo.

Riepilogo, è importante conoscere le tolleranze e le GD&T e usarle in modo appropriato. È facile aggiungerle a un disegno, ma bisogna sempre pensare se sono necessarie, in quanto potrebbe essere difficile per il fornitore di produzione e addebiterà i costi di conseguenza. Ricordiamo che siamo in grado di quotare e produrre rapidamente direttamente dal file CAD e non c'è niente di meglio di un pezzo fisico quando si tratta di capire come un progetto si adatterà all'insieme.

Siamo qui per supportare i vostri progetti. Per saperne di più è sufficiente chiamarci o inviarci una e-mail. Abbiamo sempre ingegneri applicativi disponibili per assistervi in caso di domande, potete contattarci all'indirizzo [email protected] o al numero +39 321 381 211. Siete pronti a iniziare il vostro prossimo progetto? È sufficiente caricare un file CAD sul nostro sito web.