Computerized Numerical Control (allgemein bekannt als CNC) bezeichnet die Anwendung von Computerprogrammierung und elektromechanischen Geräten zur Automatisierung der Bearbeitung von Metallteilen (sowie von Nichtmetallen) je nach Bedarf. Eine CNC-Maschine führt alle Bearbeitungsschritte am Werkstück basierend auf dem Programm aus und liefert so das Endprodukt.
Obwohl NC-Bearbeitungsdienste eine sehr hohe Präzision hinsichtlich der Produktmaße gewährleisten, sind sie nicht vollkommen fehlerfrei. Die Endmaße zweier Teile, die mit demselben Fertigungsverfahren und sogar auf derselben CNC-Maschine hergestellt wurden, weichen immer um einen kleinen Betrag voneinander ab. Es ist unmöglich, identische Teile mit exakt denselben Abmessungen herzustellen, unabhängig davon, welche CNC-Maschine verwendet wird.
Diese Differenz in den Endmaßen zweier Teile, die auf derselben CNC-Maschine gefertigt wurden, wird durch die Festlegung eines Standardtoleranzbereichs berücksichtigt. Die Toleranzgrenze definiert die maximal zulässige Abweichung zwischen entsprechenden Maßen der beiden Teile.
Für die CNC-Bearbeitung liegt die Standardtoleranzgrenze bei etwa +/-.005” (0,127 mm). Zum Vergleich: Die Dicke eines menschlichen Haares beträgt etwa 0,002” (0,05 mm).
Diese Standardtoleranz ist äußerst gering und in den meisten Fällen spielt ein so kleiner Unterschied zwischen zwei funktional identischen Teilen keine Rolle. In Fällen, in denen geringe Maßabweichungen die Funktion des Teils beeinträchtigen könnten, können strengere Toleranzen eingehalten werden.
Technische Toleranzen sind ein notwendiges Kriterium bei der Definition von Produktabmessungen. Falls der Kunde keine bestimmten Toleranzen vorgibt, werden die Teile in der Regel nach einer allgemeinen Toleranzklasse gefertigt.
Es liegt daher im Interesse des Konstrukteurs, die Toleranzen für relevante Merkmale festzulegen, bevor das Teil zur CNC-Bearbeitung freigegeben wird. Dies sichert die Kundenzufriedenheit und senkt die Nachrüstungskosten für die CNC-Werkstatt, falls Anforderungen nicht erfüllt werden.
Mit „relevanten Merkmalen“ ist gemeint, dass es nicht notwendig ist, für jede Dimension eine Toleranz festzulegen. Im Gegenteil: Zu viele Anforderungen an jede einzelne Abmessung machen das Teil nur unnötig teuer.
In der Praxis definieren wir Toleranzen meist nur für diejenigen Merkmale eines Teils, die mit anderen Teilen zusammengefügt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Komponenten im Zusammenbau gut passen und wie vorgesehen funktionieren.
Folgende Toleranzarten finden bei bearbeiteten Teilen Anwendung:
Allgemeintoleranzen können für lineare oder winkelbezogene Maße sowie für Fasen oder abgerundete Bereiche definiert werden. Diese Toleranzen legen Standardwerte für vier verschiedene Klassen fest, je nach Bereich der Teildimension.
Diese Klassen sind in einer Tabelle angeordnet, die die Toleranzgrenzen nach sehr grob (v), grob (c), mittel (m) und fein (f) unterscheidet.
Der Toleranzbereich für eine bestimmte Maßgruppe richtet sich nach internationalen Standards (EN 20286, JIS B 0401, ISO 286, ISO 1829, ISO 2768, ANSI B4.1, ANSI B4.2).
Grenztoleranzen werden als Minimal- und Maximalwerte für eine Maßangabe angegeben. Das entsprechende Maß der gefertigten Bauteile muss zwischen diesen beiden Werten liegen, um für den Zusammenbau verwendet werden zu können.
Beispielsweise muss bei einer Grenztoleranz von 12…12,5 mm der Endwert innerhalb dieser Grenzen liegen.
Bei einer einseitigen Toleranz wird der Toleranzbereich nur in eine Richtung festgelegt. Das bedeutet, dass die Abweichung nur auf einer Seite des Nennwerts zulässig ist.
Betrachten wir eine Welle mit einem Durchmesser von 70 mm, die in eine Bohrung desselben Maßes passen soll. Überschreitet der Wellendurchmesser auch nur geringfügig die 70 mm, passt sie nicht mehr in die Bohrung.
Daher können Wellen mit einem Durchmesser über 70 mm nicht verwendet werden. Dies würde den Ausschuss und die Durchlaufzeit erhöhen.
Um dem entgegenzuwirken, werden für solche Teile einseitige Toleranzen festgelegt. Ist eine maximale Abweichung von 0,05 mm erlaubt, wird die Toleranz für diese Welle auf 70 +0,00 /-0,05 mm gesetzt. Somit ergibt sich ein maximal zulässiger Durchmesser von 70,00 mm und ein minimaler von 69,95 mm.
Ein Vorteil der einseitigen Toleranz ist die unkomplizierte Prüfung. Da die Maße nur in eine Richtung abweichen und der obere Wert fix ist, kann mit einer genormten Lehre die Kontrolle schnell und einfach durchgeführt werden.
Bei einer zweiseitigen Toleranz darf das Endmaß eines Teils sowohl ober- als auch unterhalb des Nennwerts oder des Sollprofils abweichen. Ein Beispiel ist eine Toleranz von 30 +0,05/-0,05 mm, was einen Minimalwert von 29,95 mm und einen Maximalwert von 30,05 mm bei einem Nennmaß von 30 mm bedeutet.
Geometrische Bemaßung und Tolerierung (GD&T) geht über die klassische Maßtoleranz hinaus. Neben der Einhaltung von Maßgrenzen werden zusätzliche Eigenschaften wie Konzentrizität, Ebenheit oder die exakte Lage des Maßes definiert.
Das Endmaß muss diese vorgegebenen Eigenschaften erfüllen, um die Qualitätsprüfung zu bestehen.
Während andere Toleranzarten weit verbreitet sind, ist GD&T im Bereich der CNC-Bearbeitung besonders relevant. Diese Teile haben oft höchste Anforderungen, und mit GD&T lassen sich vielfältige Merkmale mit höchster Präzision definieren.
Nachdem wir nun wissen, warum Toleranzgrenzen und deren Arten wichtig sind, betrachten wir, weshalb die Wahl des richtigen Toleranzbereichs entscheidend ist. Die geeignete Toleranz gewährleistet eine fehlerfreie Funktion des Bauteils, ohne unnötige Kosten zu verursachen.
Eine zu enge Toleranz hat jedoch einige Nachteile.
Sehen wir uns an, worauf bei der Wahl der Toleranzen zu achten ist.
Zu enge Toleranzen treiben die Bearbeitungskosten sowie die Durchlaufzeiten aus mehreren Gründen erheblich in die Höhe. Engere Toleranzen erfordern mehr Zeit und Arbeitsaufwand.
Außerdem steigt das Risiko, dass Teile außerhalb der Toleranz liegen und aussortiert werden müssen. Für solche Anforderungen werden spezielle Vorrichtungen und Spannmittel benötigt. Sehr enge Toleranzen machen zudem den Einsatz spezieller Messgeräte für die Qualitätskontrolle erforderlich.
Die vom Konstrukteur festgelegten Toleranzen bestimmen, welche Fertigungsverfahren am besten geeignet sind. Mit zunehmender Genauigkeit können nur noch wenige CNC-Maschinen die gewünschte Präzision gewährleisten, da sich deren Fähigkeiten in puncto Genauigkeit unterscheiden.
Um die gewünschten Toleranzen zu erreichen, können zusätzliche Bearbeitungsschritte wie Schleifen oder Läppen erforderlich sein. Swiss-Turning hingegen kann Drehteile mit außergewöhnlich engen Toleranzen fertigen, die in den meisten Fällen keine weiteren Bearbeitungsschritte mehr benötigen. Dies ist jedoch wirtschaftlich nur bei größeren Stückzahlen sinnvoll.
Die Materialwahl bestimmt maßgeblich, ob ein Fertigungsverfahren die gewünschten Toleranzen erreichen kann. Unterschiedliche Materialeigenschaften können die Endmaße erheblich beeinflussen.
Weiche Werkstücke lassen sich schwer fixieren, da sie sich beim Kontakt mit dem Werkzeug leicht verbiegen.
Abrasive Materialien wiederum können das Werkzeug schnell abnutzen und die Einhaltung der Toleranz erschweren. Phenolharze wie GP 11, GP 03 oder Glaslaminate sind Beispiele für solche Werkstoffe.
Die beim Schneiden entstehende Reibungswärme kann zudem bei bestimmten Materialien (z. B. Kunststoffteilen) zu Verformungen führen. Daher kann die Materialwahl die Vereinbarkeit mit dem Fertigungsverfahren bei engen Toleranzen einschränken.
Je enger die Toleranzen, desto aufwändiger und zeitintensiver ist deren Prüfung. Für die Messung werden hochwertigere Messmittel und Prüfverfahren benötigt. Dies erhöht die Herstellungskosten des Bauteils.
So können beispielsweise Rattermarken durch Vibrationen beim Bearbeitungsprozess entstehen. Diese sind zwar visuell erkennbar, doch um Länge und Tiefe der Markierungen zu bestimmen, sind fortschrittliche Prüfgeräte notwendig. Solche Markierungen können – insbesondere bei engen Toleranzen – Störungen wie Geräusche oder Vibrationen in der Baugruppe verursachen.
CNC-Drehen und Fräsen stehen für höchste Qualität und Präzision. Gleichzeitig sollten Ingenieure bei der Festlegung der Anforderungen einige wesentliche Aspekte berücksichtigen und die Vorgaben nicht überstrapazieren.
Die Kenntnis der Materialeigenschaften und die Berücksichtigung der Einsatzbedingungen des Projekts unterstützen die Entscheidungsfindung maßgeblich.
