Każdy rysunek ląduje na naszym biurku z blokiem tolerancji na dole. +/-0,05 mm, +/-0,1 mm lub klasyczny „o ile nie określono inaczej”. I prawie nikt, kto wysyła te rysunki, tak naprawdę nie zastanawiał się, ile te liczby kosztują. Oznaczenie +/-0,005 mm na części o średnicy 200 mm nie sprawia, że ​​wyglądasz na dokładnego — sprawia wrażenie, jakbyś nigdy nie płacił za precyzyjną obróbkę.

Oto, co faktycznie dzieje się w hali produkcyjnej, gdy tolerancje się zawężają. I dlaczego Twoje wybory dotyczące tolerancji mają większe znaczenie niż wybory materiałowe.

Zacznijmy od tego, co większość sklepów uważa za „standardową precyzję” — +/-0,01 mm w wymiarze liniowym. W naszych 3-osiowych i 4-osiowych centrach obróbczych jest to rutyna. Trzymamy go przez cały dzień na obiektach o średnicy do około 150 mm. Nie ma potrzeby wymiany narzędzia pomiędzy częściami, kontrola jest szybka (zaciski lub mikrofon), a koszt jednostkowy jest przewidywalny.

Ale co z +/-0,005 mm? To tam sprawy stają się interesujące. Przy 0,005 mm masz teraz połowę szerokości włosa. Sama rozszerzalność cieplna przedmiotu obrabianego może pochłonąć cały budżet tolerancji. Część aluminiowa o grubości 100 mm, która nagrzewa się do 3°C pod wpływem ciepła obróbki, rośnie o 7 mikronów — i to przy zastosowaniu chłodziwa zalewowego. Na części 200 mm? 14 mikronów. Twój cały zakres tolerancji zniknął, zanim w ogóle go zmierzyłeś.

Z tego powodu części o wąskich tolerancjach są obrabiane w środowisku o kontrolowanej temperaturze (20°C +/-1°C), mierzonej na maszynie współrzędnościowej i często wymagają wielu przejść wykończeniowych. Czas konfiguracji wydłuża się. Czas kontroli wydłuża się. Poziom złomu rośnie. Mnożnik kosztów od +/-0,01 mm do +/-0,005 mm wynosi zazwyczaj 2-3x, a od +/-0,01 mm do +/-0,001 mm wynosi 5-10x.

Większość przewodników po kosztach obróbki pokazuje ładną, gładką krzywą, w której koszt rośnie wykładniczo w miarę zawężania się tolerancji. Rzeczywistość bardziej przypomina schody z urwiskiem.

Duży skok nie mieści się w przedziale od 0,1 do 0,01. Jest pomiędzy 0,01 a 0,005. W tym miejscu przekracza się granicę od „dokładnej obróbki CNC” do „obszaru obróbki precyzyjnej”, w którym zmienia się cały proces – mocowanie, oprzyrządowanie, środowisko, kontrola.

Oto scenariusz, który widzimy co tydzień. Inżynier określa +/-0,01 mm dla średnicy otworu i +/-0,01 mm dla położenia otworu względem punktu odniesienia. Raport CMM pokazuje, że oba mieszczą się w granicach tolerancji. Części trafiają do montażu. I nie pasują.

Dlaczego? Ponieważ otwór może być nadwymiarowy o 0,01 mm (co mieści się w tolerancji), a pozycja może różnić się o 0,01 mm (również w granicach tolerancji), ale łączny efekt obu błędów oznacza, że ​​współpracujący wał nie może wpaść. Właśnie po to istnieje GD&T — kontroluje związek funkcjonalny między cechami, a nie tylko indywidualnymi wymiarami.

Objaśnienia GD&T, które faktycznie mają znaczenie w przypadku części obrabianych CNC:

• Prawdziwa pozycja (0,05 mm MMC): Do mocowania otworów montażowych. Jeśli skręcisz ze sobą dwie części, tolerancja położenia ma większe znaczenie niż tolerancja średnicy otworu
• Koncentryczność (0,01 mm): Do wałów obrotowych i gniazd łożysk. Należy udostępnić oś, a nie tylko prawidłową średnicę
• Płaskość (0,02 mm): Do uszczelniania powierzchni. Uszczelce nie zależy na tym, czy powierzchnia jest przesunięta o 0,02 mm — ważne jest, czy jest płaska
• Prostopadłość (0,01 mm): Dla relacji datum. Jeśli powierzchnia B nie jest prostopadła do otworu A, zespół jest źle ułożony

Koszt GD&T jest mniej więcej taki sam jak równoważne tolerancje liniowe – zmienia się metoda kontroli (CMM zamiast zacisków), ale podejście do obróbki nie. Różnica polega na tym, że GD&T oferuje funkcjonalne części zamiast części o prawidłowych wymiarach, które nie działają.

To samo objaśnienie dotyczące tolerancji kosztuje różne kwoty w przypadku różnych materiałów. Oto co widzimy w produkcji:

Aluminium 6061: Najłatwiej utrzymać wąskie tolerancje. Niskie siły skrawania, dobry odstęp wiórów, minimalne zużycie narzędzia. +/- 0,005 mm można osiągnąć w przypadku większości obiektów poniżej 100 mm.

Stal nierdzewna 304: Siły skrawania są 2-3 razy większe niż w przypadku aluminium. Zużycie narzędzia przyspiesza i pierwsze 10 części może wytrzymać +/- 0,01 mm, podczas gdy 50. część dryfuje do 0,02 mm z powodu zużycia płytki. Wąskie tolerancje stali nierdzewnej wymagają agresywnych harmonogramów wymiany narzędzi.

Tytan Ti-6Al-4V: Materiał broni się. Sprężynowanie po cięciu oznacza, że ​​wymiar końcowy jest nieco większy niż wymiar cięcia. Kompensujemy to programowaniem wiosennym, ale wydłuża to czas konfiguracji. +/-0,01 mm jest realistyczne. +/-0,005 mm wymaga wytaczania współrzędnościowego lub szlifowania.

ZERKAĆ: Głównym problemem jest rozszerzalność cieplna. Część zmienia rozmiar w wymierny sposób pomiędzy temperaturą obróbki a temperaturą pokojową. Aby uzyskać wąskie tolerancje, poddajemy obróbce maszynowej, pozostawiamy na 2 godziny w celu osiągnięcia równowagi, mierzymy, a następnie wykonujemy cięcie odtłuszczone. Dodaje czas cyklu, ale utrzymuje tolerancję.

Po obróbce dziesiątek tysięcy części oto podejście, które zapewnia najlepsze wyniki przy najniższych kosztach:

1. Określaj wąskie tolerancje tylko tam, gdzie mają one znaczenie.Interfejsy montażowe, gniazda łożysk, powierzchnie uszczelniające — to zasługuje na +/-0,005 mm do +/-0,01 mm. Wszystko inne? +/- 0,05 mm prawdopodobnie będzie w porządku. Niekrytyczna grubość ścianki nie wymaga takiej samej tolerancji jak otwór łożyska.
2. Użyj GD&T do relacji funkcjonalnych.Jeśli konieczne jest dopasowanie dwóch obiektów, określ położenie lub koncentryczność względem punktu odniesienia. Nie narzucaj obu wąskich tolerancji liniowych i miej nadzieję, że się wyrównają.
3. Uwzględnij zachowanie materialne.Wąskie tolerancje w przypadku długich części ze stali nierdzewnej będą kosztować więcej niż wąskie tolerancje w przypadku krótkich części aluminiowych. Jeśli Twój projekt na to pozwala, wybierz materiały, które są łatwiejsze w precyzyjnej obróbce.
4. Określ tolerancję, a nie proces.Nie pisz „szlifuj do +/-0,005 mm” — napisz „+/-0,005 mm” i pozwól warsztatowi zdecydować, czy frezowanie CNC, wytaczanie współrzędnościowe czy szlifowanie jest najbardziej opłacalną metodą. Czasami wykwalifikowany mechanik z ostrym frezem może utrzymać 0,005 mm na środku frezującym, a szlifowanie byłoby przesadą (i droższe).
5. Podaj opis funkcjonalny.Jeśli powiesz nam, że „w tym otworze mieści się łożysko 6205 przy lekkim pasowaniu wtłaczanym (wcisk 0,01–0,02 mm)”, możemy zastosować odpowiednią tolerancję otworu (35,00–35,01 mm) i wybrać metodę obróbki, która utrzyma go niezawodnie. Nie potrzebujemy objaśnienia +/-0,001 mm, aby dopasować łożysko. Potrzebujemy odpowiedniej tolerancji dla funkcji.

Rysunek zawierający 200 objaśnień dotyczących tolerancji, z których połowa to +/-0,005 mm, nie zapewnia solidności projektu. To sprawia, że ​​części są drogie, a czas realizacji wydłuża się. Najlepsza strategia tolerancji to taka, która rozluźnia każdy wymiar na tyle, na ile pozwala na to funkcja, i zacieśnia tylko te, które naprawdę mają znaczenie.

Widzieliśmy projekty, w których poluzowanie 80% tolerancji z +/-0,01 mm do +/-0,05 mm obniżyło koszt części o 30% bez wpływu na jakość montażu. Tolerancje, które miały znaczenie — otwory łożysk, powierzchnie uszczelniające, relacje odniesienia — pozostały wąskie. Wszystko inne zostało odpuszczone.

O to właśnie chodzi. Projektowanie tolerancji nie polega na tym, aby wszystko było szczelne. Chodzi o to, aby wiedzieć dokładnie, co musi być napięte i pozwolić wszystkim innym oddychać.