Podstawy tolerowania i wymiarowania geometrycznego

Ograniczenia tolerancji przed wprowadzeniem GD&T

Przed wprowadzeniem GD&T, cechy produkcyjne były określane przez obszary X-Y. Na przykład, podczas wiercenia otworu montażowego, otwór musiał znajdować się w określonym obszarze X-Y. Dokładne określenie tolerancji określało jednak pozycję otworu w odniesieniu do zamierzonej pozycji, przy czym akceptowany obszar to koło. Tolerancja X-Y pozostawiała strefę, w której inspekcja mogłaby dać fałszywą wartość negatywną, ponieważ chociaż otwór nie znajdował się w prostokącie X-Y, to mieściłby się w opisanym okręgu. Nowy system stał się standardem wojskowym w latach pięćdziesiątych XX wieku. Obecnie standard GD&T jest definiowany przez American Society of Mechanical Engineers (ASME Y14.5-2018) dla USA i ISO 1101-2017 dla reszty świata. Dotyczy głównie ogólnej geometrii produktu, podczas gdy inne standardy opisują specyficzne cechy, takie jak chropowatość powierzchni, tekstura i gwinty śrubowe.

Dlaczego warto wdrażać procesy GD&T?

W przypadku funkcjonalnych zespołów, produktów wieloczęściowych lub części o skomplikowanej funkcjonalności, kluczowe jest, aby wszystkie komponenty działały dobrze razem. Wszystkie odpowiednie dopasowania i cechy muszą być określone w sposób, który minimalizuje wpływ na proces produkcyjny i związane z nim inwestycje, a jednocześnie gwarantuje funkcjonalność. Zwiększenie tolerancji dwukrotnie może podnieść koszty dwukrotnie lub nawet bardziej, z powodu wyższych wskaźników odrzutów i zmian narzędzi. GD&T to system, który pozwala projektantom i inspektorom optymalizować funkcjonalność bez zwiększania kosztów.

Najważniejszą korzyścią GD&T jest to, że system opisuje zamysł projektowy, a nie wynikową geometrię. Podobnie jak wektor lub wzór, nie jest to faktyczny obiekt, ale jego reprezentacja. Przykładowo, cecha stojąca pod kątem 90 stopni do powierzchni podstawy może być tolerowana pod względem prostopadłości do tej powierzchni. Zdefiniuje to dwie płaszczyzny oddzielone od siebie, w których musi się mieścić płaszczyzna centralna cechy. Albo podczas wiercenia otworu - najważniejsze jest tolerowanie go pod względem wyrównania z innymi cechami.

Opisanie geometrii produktu w odniesieniu do jego zamierzonej funkcjonalności i podejścia produkcyjnego jest ostatecznie prostsze niż konieczność opisywania wszystkiego w wymiarach liniowych. Zapewnia również narzędzie komunikacji z dostawcami, klientami oraz kontrolerami jakości.

Kiedy GD&T jest wykonywane prawidłowo, pozwala nawet na statystyczną kontrolę procesów, zmniejszając wskaźniki odrzutów produktów, awarie montażu i wysiłek potrzebny na kontrolę jakości, co oszczędza przedsiębiorstwom znaczne zasoby. W rezultacie różne działy są w stanie pracować bardziej równolegle, ponieważ mają wspólną wizję i język tego, co chcą osiągnąć.

Jak działa GD&T?

Rysunki techniczne muszą pokazywać wymiary wszystkich cech części. Obok wymiarów musi być określona wartość tolerancji z minimalnym i maksymalnym dopuszczalnym limitem. Tolerancja to różnica między minimalnym a maksymalnym limitem. Na przykład, jeśli mamy stół, który zaakceptujemy o wysokości od 750 mm do 780 mm, tolerancja wyniesie 30 mm.

Jednak tolerancja dla stołu implikuje, że zaakceptujemy stół, który ma 750 mm wysokości z jednej strony i 780 mm z drugiej strony, lub ma pofałdowaną powierzchnię o zmienności 30 mm. Aby odpowiednio tolerować produkt, potrzebujemy symbolu komunikującego zamysł projektowy płaskiej górnej powierzchni. Dlatego musimy uwzględnić dodatkową tolerancję płaskości oprócz ogólnej tolerancji wysokości.

Podobnie, cylinder o tolerowanej średnicy niekoniecznie zmieści się w swoim otworze, jeśli cylinder zostanie lekko wygięty podczas procesu produkcji. Dlatego również potrzebuje kontroli prostoliniowości, co byłoby trudne do komunikowania za pomocą tradycyjnych tolerancji plus-minus. Innym przykładem może być rura, która musi idealnie pasować do złożonej powierzchni, do której jest przyspawana - wymaga kontroli profilu powierzchni.

Tolerowanie polega na określaniu odpowiednich odchyłów dla wszystkich specyficznych cech projektowych, aby maksymalizować wskaźnik akceptacji produktu w granicach procesów produkcyjnych, w zależności od wizualnego i funkcjonalnego celu części.

W systemie metrycznym istnieją międzynarodowe klasy tolerancji (IT), których można również używać do określania tolerancji za pomocą symboli. Na przykład symbol 40H11 oznacza otwór o średnicy 40 mm z luźnym pasowaniem. Producent musi wtedy tylko sprawdzić tabelę podstawową cech otworów, aby uzyskać dokładną wartość tolerancji.

Poza indywidualnymi tolerancjami, inżynierowie muszą brać pod uwagę efekty na poziomie systemu. Na przykład, kiedy część wychodzi z maksymalnymi dozwolonymi wymiarami, czy nadal spełnia ogólne wymagania, takie jak masa produktu i grubość ścianek? Jest to nazywane warunkiem maksymalnego materiału, podczas gdy jego odpowiednikiem jest warunek minimalnego materiału.

Tolerancje również się sumują. Jeśli stworzymy ogniwo łańcucha, gdzie każdy otwór ma tolerancję plus 0,1 mm, a każdy trzpień ma tolerancję minus 0,1 mm, to oznacza, że nadal zaakceptujemy różnicę długości 20 mm przy 100 ogniwach. Podczas instalowania powtarzających się elementów, takich jak perforowany wzór otworów, najpierw należy ustawić wzór, a następnie określić wzajemne odległości, zamiast odnosić się do stałej krawędzi lub płaszczyzny części.

Standardy dotyczą nie tylko projektantów i inżynierów, ale także inspektorów jakości, informując ich, jak mierzyć wymiary i tolerancje. Używanie specyficznych narzędzi, takich jak cyfrowe mikrometry i suwmiarki, wysokościomierze, płyty powierzchniowe, wskaźniki zegarowe i współrzędnościowe maszyny pomiarowe jest ważne w praktyce tolerowania.

Podczas mierzenia i definiowania części, geometria istnieje w przestrzeni konceptualnej zwanej odniesieniem układu współrzędnych. Jest to porównywalne do układu współrzędnych w oprogramowaniu do druku 3D. Odniesienie układu współrzędnych to punkt, linia lub płaszczyzna, która jest używana jako punkt początkowy do pomiarów. Upewnij się, że definiujesz cechy odniesienia odpowiednie do funkcjonalności Twojej części. O ile nie dopasowujesz cech jednej części do cech innych części w złożeniu, często możesz użyć pojedynczego odniesienia. Zawsze upewnij się, że główne odniesienie ma niezawodną lokalizację do wyprowadzania innych pomiarów, na przykład tam, gdzie ostateczna część będzie miała małą nieprzewidywalną zmienność.

Wytyczne dotyczące tolerowania GD&T

Rysunek techniczny musi dokładnie pokazywać produkt bez dodawania zbędnej złożoności lub ograniczeń. Następujące wytyczne są pomocne do rozważenia:

• Klarowność rysunku jest najważniejsza, nawet bardziej niż jego dokładność i kompletność. Aby poprawić klarowność, umieszczaj wymiary i tolerancje poza granicami części i stosuj je do widocznych linii w prawdziwych profilach, stosuj jednokierunkowy kierunek czytania, przekazuj funkcję części, grupuj i/lub rozstawiaj wymiary oraz używaj białej przestrzeni.
• Zawsze projektuj z najluźniejszą możliwą tolerancją, aby obniżyć koszty.
• Używaj ogólnej tolerancji zdefiniowanej na dole rysunku dla wszystkich wymiarów części. Specyficzne ściślejsze lub luźniejsze tolerancje określone w rysunku zastąpią wtedy ogólną tolerancję.
• Najpierw toleruj funkcjonalne cechy i ich wzajemne relacje, a następnie przejdź do reszty części.
• Jeśli to możliwe, zostaw prace GD&T ekspertom produkcyjnym i nie opisuj procesów produkcyjnych na rysunku technicznym.
• Nie określaj kąta 90 stopni, ponieważ jest to przyjmowane automatycznie.
• Wymiary i tolerancje są ważne przy 20°C / 101,3 kPa, chyba że podano inaczej.

Symbole GD&T

Każda cecha GD&T jest określana przez różne elementy. Symbole GD&T dzielą się na następujące grupy:

Elementy kształtu określają kształt cech, w tym:

• Prostoliniowość dzieli się na prostoliniowość elementu linii i prostoliniowość osi.
• Płaskość oznacza prostoliniowość w wielu wymiarach, mierzoną między najwyższymi i najniższymi punktami na powierzchni.
• Okrągłość lub kołowość można opisać jako prostoliniowość zakrzywioną w kole.
• Walcowość to w zasadzie płaskość zakrzywiona w kształt cylindra. Zawiera prostoliniowość, kołowość i stożkowatość.

Elementy profilu opisują trójwymiarową strefę tolerancji wokół powierzchni:

• Profil linii porównuje dwuwymiarowy przekrój do idealnego kształtu. Strefa tolerancji jest określona przez dwie przesunięte krzywe, chyba że określono inaczej.
• Profil powierzchni tworzy dwie przesunięte powierzchnie, między którymi musi się mieścić powierzchnia cechy.

Elementy orientacji dotyczą wymiarów, które różnią się kątami, w tym:

• Kątowość to płaskość pod kątem do odniesienia i jest określana przez dwie płaszczyzny odniesienia oddzielone od siebie wartością tolerancji.
• Prostopadłość oznacza płaskość pod kątem 90 stopni do odniesienia. Określa dwie idealne płaszczyzny, między którymi musi się mieścić płaszczyzna cechy.
• Równoległość oznacza prostoliniowość względem odległości. Równoległość dla osi można określić, definiując strefę tolerancji jako cylindryczną, umieszczając symbol średnicy przed wartością tolerancji.

Elementy lokalizacji definiują lokalizacje cech za pomocą wymiarów liniowych:

• Pozycja to lokalizacja cech w stosunku do siebie lub do odniesień i jest najczęściej używanym elementem.
• Koncentryczność porównuje lokalizację osi cechy do osi odniesienia.
• Symetria zapewnia, że części niecylindryczne są podobne po obu stronach płaszczyzny odniesienia.

Szybkie prototypowanie i produkcja części za pomocą druku 3D

W tym artykule omówiliśmy system tolerowania i wymiarowania geometrycznego (GD&T), który przynosi ogromne korzyści projektantom i inżynierom pracującym nad złożonymi produktami, gdzie wymiary muszą być ściśle kontrolowane.

GD&T przekazuje nie tylko wymiary liniowe, ale także zamysł projektowy, co pomaga w jasnym komunikowaniu projektu inżynieryjnego interesariuszom projektu. GD&T zachęca projektantów do tego, aby optymalnie tolerowali swoje części dla wybranego procesu produkcyjnego, ponieważ różne techniki produkcji przynoszą różne charakterystyczne odchylenia.

Firmy z branż takich jak lotnictwo, motoryzacja, medycyna i wiele innych wdrażają narzędzia do cyfrowej produkcji. Druk 3D jest katalizatorem efektywności, dając pracownikom - od inżynierów produkcji po operatorów narzędzi - narzędzia do usprawniania łańcuchów dostaw, poprawy produkcji i szybszego wprowadzania produktów na rynek – oszczędzając znaczne kwoty oraz tygodnie czy miesiące czasu.