Leitfaden zu CNC-Bearbeitungstoleranzen
Computerized Numerical Control (allgemein bekannt als CNC) bezeichnet die Anwendung von Computerprogrammierung und elektromechanischen Geräten zur Automatisierung der Bearbeitung von…
Jeder, der mit Geschwistern aufgewachsen ist, weiß, was Toleranz bedeutet: Wie viel kann ich ertragen, bevor es zum Problem wird? Die Bearbeitungstoleranzen unterscheiden sich hierbei nicht. Toleranzen beschreiben im Grunde, wie viel Maßabweichung an einem Bauteil zulässig ist, bevor es zu Problemen kommt.
Bei jedem bearbeiteten Bauteil gibt es eine inhärente Abweichung von einem perfekten Schnitt. Jeder Fertigungsprozess hat ein unterschiedliches Maß an Präzision. Ein Beispiel: Bandsäge-Schnitte haben typischerweise eine Genauigkeit von +/- 0,030″, was etwa der Dicke von zwei Visitenkarten pro Richtung entspricht. Ein nomineller Schnitt von 1,000″ könnte also bis zu 1,030″ lang oder nur 0,970″ kurz sein. Ein deutlich präziseres Verfahren, das Draht-EDM (elektrisches Entladungsbearbeiten), erreicht üblicherweise Toleranzen von 0,0001″ – ein Zehntausendstel Zoll, oder ein Zehntel eines „Thou“. Zum Vergleich: Das ist etwa 40-mal dünner als ein Blatt Papier!
Dieser Artikel erläutert, warum Toleranzen wichtig sind, behandelt das Thema Toleranzaufsummierung, erklärt, was GD&T ist, und stellt einige der gebräuchlichsten GD&T-Symbole vor.
Wie bereits erwähnt, hat jeder Fertigungsprozess eine Toleranz. Dies gilt selbst für die Dicke der Rohmaterialien, die von jedem Fertiger verwendet werden. Unten sehen Sie einen Screenshot der Dickentoleranz von ABS-Kunststoff, der bei einer Nennstärke von 0,125″ eine Dickentoleranz von +0,007″/-0,006″ aufweist.
Das bedeutet, dass die Dicke eines ABS-Stücks bis zu 0,132″ betragen oder nur 0,119″ dünn sein kann. Behalten Sie diese Toleranzen stets im Hinterkopf bei ingenieurtechnischen Berechnungen. In der Regel sind die Abweichungen so gering, dass Berechnungen auf Basis des Nennmaßes erfolgen können. Für kritische Anwendungen oder geringe Sicherheitsfaktoren empfiehlt es sich jedoch, für Festigkeitsberechnungen mit der minimalen Dicke und für Gewichtsbewertungen mit der maximalen Dicke zu rechnen.
Unter Toleranzaufsummierung versteht man die Summierung der Toleranzen mehrerer Einzelteile und deren Zusammenspiel. Wenn beispielsweise eine Baugruppe aus drei wichtigen Teilen besteht, die zusammenpassen müssen, müssen alle Teile zueinander passen, unabhängig davon, ob die jeweiligen Minimal- oder Maximalwerte der Toleranzen erreicht werden. Eine zunächst geringe Toleranz kann sich durch Addition mehrerer Einzelteile zu einer beträchtlichen Gesamtabweichung summieren. Im folgenden Beispiel gibt es eine Positionierhülse, die drei Platten ausrichtet. Mehrere Toleranzen müssen berücksichtigt werden, damit die Teile korrekt zusammenpassen: die Position der Hülse, deren Durchmesser, der Durchmesser und die Position des Durchgangslochs in der grünen Platte sowie Durchmesser und Position des Durchgangslochs in der roten Platte. Das Bewusstsein für Toleranzaufsummierung erhält die korrekte Funktionalität im Design und ermöglicht gleichzeitig die richtige Spezifikation von Toleranzen.
Im obigen Bild ist zu sehen, dass das Loch in der roten Platte nicht exakt mittig zur Hülse sitzt, der Pin aber aufgrund des Übermaßlochs dennoch durch beide Platten passt.
Im zweiten Beispiel hat die gelbe Platte jedoch ein zu tief liegendes Loch, wodurch die Hülse weiter verschoben wird, als das Übermaßloch der roten Platte zulassen kann. Dadurch passt die Hülse aufgrund der Toleranzaufsummierung nicht mehr durch beide Platten und kollidiert mit der roten Platte.
Wie bei den meisten Dingen im Designbereich geht es auch bei der Wahl der richtigen Bearbeitungstoleranz um das richtige Maß. Es wäre einfach, für jedes Teil die engste vom Fertiger angebotene Toleranz zu wählen. Dies wäre jedoch sehr teuer und würde die Lieferzeit der Teile vermutlich erheblich verlängern. Das Risiko bei extrem engen Toleranzen ist, dass die Ausschussrate dramatisch steigt, je enger die Toleranz gewählt wird. Schon ein kleiner Fehler kann dazu führen, dass ein Teil unbrauchbar wird, wenn alle Toleranzen zu streng sind. Ausschuss kostet den Fertiger zusätzliches Geld und verlangsamt den gesamten Fertigungsprozess. Diese Mehrkosten und Verlängerungen spiegeln sich sowohl in längeren Lieferzeiten als auch einem höheren Preis für das Teil wider. Deshalb ist es wichtig, die Toleranz nur so weit zu wählen, wie es für die Funktion des Bauteils unbedingt erforderlich ist – aber nicht enger.
GD&T steht für geometrische Bemaßung und Tolerierung. Es handelt sich um ein System, um die gewünschten Maße und die zulässigen Toleranzen so zu übermitteln, dass ein Bauteil als akzeptabel gilt. Diese Maße und Toleranzen werden durch ein international anerkanntes Symbolsystem kommuniziert. Die Symbole werden von der American Society of Mechanical Engineers (ASME) in der Norm Y14.5 verwaltet.
GD&T dient dazu, dem Fertiger die Design-Intentionen mitzuteilen. Man kann es als effiziente Sprache betrachten, die eine komplexe Beschreibung von Prüfprozessen mit einem einzigen Symbol ermöglicht. So gibt die Profiltoleranz beispielsweise vor, dass ein Bauteil überall entlang des im CAD definierten Profils innerhalb der angegebenen Toleranz gefertigt werden muss.
Im obigen Beispiel besagt die Angabe, dass die Oberfläche des Teils maximal 50 Tausendstel Zoll vom nominalen CAD-Modell abweichen darf. Dies wird durch den grünen Rand um das Bauteil auf der rechten Seite visualisiert, der die zulässige Toleranzzone anzeigt.
In diesem Beispiel ist das blaue Teil auf der linken Seite zwar grob geschnitten, liegt jedoch innerhalb der angegebenen Oberflächentoleranz und besteht somit die Prüfung. Das rote Teil rechts fällt jedoch durch, weil es in der rechten unteren Ecke außerhalb der Toleranzzone liegt. Dies unterstreicht, wie wichtig eine bewusste Auswahl der Toleranzen ist.
Bezugsebenen sind Referenzmerkmale, von denen aus eine Toleranz gemessen wird. Sie geben an, welches Maß am kritischsten ist. Je nach den verwendeten Datums und Maßen kann eine bestimmte Messung für die Abnahme eines Bauteils völlig irrelevant sein. Dies sollte bei der Definition von Datums und Messungen stets berücksichtigt werden.
Im Beispiel oben ist das schlüsselförmige Teil zweimal dargestellt: einmal mit der kreisförmigen Fläche als Bezugsebene und einmal mit dem flachen Ende als Bezugsebene. Die kreisförmige Bezugsebene macht deutlich, dass der Abstand von diesem runden Teil für die Funktion am wichtigsten ist. Das flache Ende als Bezugsebene legt den Schwerpunkt auf die Maße relativ zur ebenen Fläche.
Ein Grundmaß, eingerahmt von einem Kasten, gibt das ideale (Soll-)Maß an, also das angestrebte Zielmaß. Die zulässige Abweichung (Toleranz) bezieht sich auf dieses Grundmaß. Zum Beispiel ist die Lagetoleranz eines Lochs ein zylindrisches Merkmal, dessen Mittelpunkt an der durch die Grundmaße definierten Stelle liegt, senkrecht zur ersten Bezugsebene im Bezugsrahmen (Primärbezug), mit einem Durchmesser entsprechend dem Toleranzwert. Im Bild unten zeigt der grün gestrichelte Kreis die Zone, in der sich das gebohrte Lochzentrum befinden muss. Liegt das Zentrum außerhalb dieser Markierung, ist das Loch außerhalb der Toleranz.
Eine 2D-Zeichnung eines Lochs in einer Platte mit der zulässigen Position des Lochzentrums, markiert durch einen grünen, gestrichelten Kreis. Bemerkenswert ist, dass eine Lagetoleranz von 0,140″ etwa einer Koordinatentoleranz von +/- 0,050″ entspricht.
Die Positionstoleranz ist ein recht komplexes, aber häufig verwendetes GD&T-Symbol. Sie definiert einen Raum, in dem sich das Merkmal befinden muss. Dieser Raum ist um die ideale oder „wahre“ Position zentriert, die durch Grundmaße festgelegt ist. Die Form des Raums variiert je nach Merkmal: Ein Loch erhält eine zylindrische Toleranz, eine Kugel eine sphärische, und ein rechteckiges Merkmal wie ein Schlitz eine rechteckige Positionstoleranz.
Im Bild oben wurde ein Loch gebohrt, das deutlich nicht senkrecht zur Unterseite der Platte verläuft. Es befindet sich aber immer noch innerhalb des grünen Zylinders, der die zulässige Lagetoleranz repräsentiert, und besteht daher die Prüfung.
Das nächste Beispiel zeigt, wie das Loch oben die Toleranzzone verlässt. Obwohl der Lochanfang exakt an der durch Grundmaße bestimmten Position liegt, macht die Neigung des Lochs, dass das Teil die spezifizierte Lagetoleranz nicht erfüllt.
Die Toleranz „unabhängig von der Maßgröße“ (RFS) bedeutet genau das: Die angegebene Toleranz gilt unabhängig von der tatsächlichen Größe eines Merkmals. Dies ist der Standardfall, wenn kein weiterer Modifikator im Bezugsrahmen angegeben ist – der Fertiger weiß dann, die Toleranz bleibt konstant, unabhängig davon, wie weit sich das Merkmal vom Nominalmaß entfernt.
Die Zeichnung oben zeigt eine Toleranz ohne Modifikator, also RFS. Der rote Kreis markiert die äußere Grenze, an der die Lochkante noch zulässig ist, der blaue Kreis die innere Grenze. Die Tabelle rechts zeigt die Lagetoleranz in Abhängigkeit zur tatsächlichen Lochgröße – sie bleibt für alle Größen gleich.
Die maximale Materialbedingung, dargestellt durch ein eingekreistes „M“, ist dann gegeben, wenn ein Merkmal das Bauteil am schwersten macht, also am meisten Material enthält. Für ein Außenmerkmal wie einen Bolzen bedeutet das größter Durchmesser; für ein Innenmerkmal wie ein Loch oder einen Schlitz heißt das kleinster Durchmesser. Dieser Modifikator wird häufig bei Durchgangslöchern verwendet, da er eine „Bonustoleranz“ bietet: Je größer das Loch, desto größer die zulässige Toleranz. Dies wird am häufigsten für Durchgangs- oder Schraubenlöcher verwendet.
Die Zeichnung oben zeigt eine Toleranz mit MMC-Modifikator. Der rote Kreis markiert die äußere, der blaue Kreis die innere Toleranzgrenze. Die Tabelle rechts zeigt die Lagetoleranz in Abhängigkeit zur tatsächlichen Lochgröße. Ist das Loch am kleinstmöglichen Durchmesser (MMC, 0,20″), entspricht die Toleranz dem Wert in der Zeichnung – und man erhält „Bonustoleranz“, wenn das Loch größer wird. So wird ein Mindestabstand garantiert.
LMC, dargestellt durch ein eingekreistes „L“, ist gegeben, wenn ein Merkmal das Bauteil am leichtesten macht, also am wenigsten Material enthält. Bei Außenmerkmalen wie einem Bolzen bedeutet das kleinster Durchmesser; bei Innenmerkmalen wie einem Loch oder Schlitz, größter Durchmesser. Dieser Modifikator ist eher selten. Er wird vor allem verwendet, wenn ein Merkmal nahe einer Kante liegt – etwa eine Schraubenbohrung nahe dem Rand. Er wird meist eingesetzt, wenn der Konstrukteur eine Mindestwandstärke erhalten möchte. Durch den LMC-Modifikator erhält man eine Bonustoleranz, wenn das Loch kleiner wird, was die Mindestwandstärke sicherstellt.
Die Zeichnung oben zeigt eine Toleranz mit LMC-Modifikator. Der rote Kreis markiert die äußere, der blaue Kreis die innere Toleranzgrenze. Die Tabelle rechts zeigt die Lagetoleranz in Abhängigkeit zur Lochgröße. Ist das Loch am größtmöglichen Durchmesser (LMC, 0,25″), entspricht die Toleranz dem Zeichnungswert – und man erhält „Bonustoleranz“, wenn das Loch kleiner wird. So bleibt die Mindestdicke zwischen Loch und Rand erhalten.
Bearbeitungstoleranzen beziehen sich auf die zulässige Abweichung zwischen dem gefertigten Teil und den in der Zeichnung oder CAD-Datei angegebenen Nennmaßen. GD&T steht für geometrische Bemaßung und Tolerierung und ist ein standardisiertes Symbol- und Zeichnungssystem, mit dem Konstrukteure ihre Anforderungen an Fertiger kommunizieren, damit diese akzeptable Teile fertigen können. Bearbeitungstoleranzen haben sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt.
