Ist es Ihnen passiert, dass einige Teile nicht richtig montiert oder von sehr schlechter Qualität waren? Ungenau CNC-Teiletoleranzen bedeuten, dass Fehler nicht nur teuer sind, sondern auch lange in der Behebung dauern. Diese Probleme können jedoch gelöst werden und eine bessere Funktionalität und Passform erreicht werden, indem die richtigen Toleranzen verstanden und verwendet werden.
Herkömmliche Fertigungstoleranzen von Teilen werden als akzeptable Abweichung von einer idealen Formgröße definiert. Korrekte Toleranzen stellen sicher, dass Teile richtig zusammengebaut werden, beschleunigen die Arbeit, reduzieren die Anzahl von Fehlern und verbessern die Wirksamkeit der Endprodukte.
In diesem Artikel erfahren Sie mehr über verschiedene Toleranzen von CNC-Bearbeitungsteilen wie Maß-, Geometrie- und Oberflächentoleranzen, die sich auf Ihr Bearbeitungsprojekt auswirken.
Toleranzen sind die zulässige Größengrenze bei der CNC-Bearbeitung. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um einen Bereich akzeptabler Größen. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um einen Bereich akzeptabler Größen. Diese Spezifikationen definieren strenge Parameter, anhand derer ein Merkmal eines Teils so gestaltet werden muss, dass es wie erforderlich funktioniert und den Designanforderungen entspricht. Toleranzen gegenüber Abmessungen, Geometrien und Oberflächenbeschaffenheiten sind entscheidend für die Herstellung eines Produkts und seine Anwendung. Lassen Sie uns nun näher auf jeden Typ eingehen.
Toleranzen gehören zu den folgenden Kategorien: geometrische Toleranzen und Maßtoleranzen. Letzteres betrifft die akzeptable Abweichung von der Größe von Merkmalen wie Länge, Breite, Höhe und Produktdurchmesser. Diese liegen hauptsächlich in Form von Maximalwerten und Minimalwerten vor. Mit anderen Worten: Gibt den Bereich an, innerhalb dessen die tatsächliche Messung des Merkmals liegen sollte.
● Lineare Abmessungen: Dazu gehören Aufmaße im Zusammenhang mit Längenabmessungen des Werkstücks, beispielsweise die Längen und Durchmesser. Beispielsweise bedeutet bei einem Lochdurchmesser eine Toleranz von 10 mm + 0,05 mm, dass das Loch nicht kleiner als 10 mm sein sollte und bis zu 10,05 mm groß sein kann.
● Winkelabmessungen: Positionen der beiden Flächen zueinander, beispielsweise ein 90°-Winkel zwischen zwei Flächen mit einer Toleranz von ± 0,5°.
● Zirkularität und Rundlauffehler: Bei Anwendungen wie Löchern oder zylindrischen Oberflächen ist eine Kontrolle der Rundheit für Passung und Betrieb erforderlich.
Bei Montageprozessen müssen daher korrekte Maßtoleranzen vorhanden sein, um die Korrelation und Passung der Teile und Merkmale zu gewährleisten. Eine strenge Kontrolle der Abmessungen bedeutet, dass die Komponenten die erforderlichen Funktionsabstände aufweisen müssen, ohne dass weitere Anpassungen erforderlich sind.
Geometrische Toleranzen umfassen die Kontrolle von Form, Ausrichtung, Position und Gesamtqualität der Merkmale eines Teils. Während sich Maßtoleranzen auf die Messung beziehen, wurden geometrische Toleranzen festgelegt, um die Form und Ausrichtung von Merkmalen zu steuern.
Formtoleranzen:
Diese definieren die akzeptablen Toleranzen bezüglich der Form eines Features.
● Ebenheit: Es definiert die Oberfläche als koplanar mit einer anderen, wenn eine Oberfläche versiegelt oder zwei Komponenten verbunden werden.
● Geradheit: Bestimmt, wie weit eine Linie von der Geraden abweichen darf. Dies ist nützlich für Features wie Wellen und Kanten.
● Zirkularität: Gibt die akzeptable Toleranz für einen echten Kreis in vielen kreisförmigen oder zylindrischen Abschnitten eines Produkts an.
Ausrichtungstoleranzen:
Diese definieren die Winkel- oder Ausrichtungstoleranz zwischen zwei Merkmalen.
● Rechtwinkligkeit: Es hilft zu überprüfen, ob die Oberfläche senkrecht zueinander steht.
● Parallelität: Beschreibt zwei Punkte oder Kanten, indem es angibt, dass zwei Flächen über die gesamte Länge parallel zueinander sind.
● Winkligkeit: Ein geometrisches Element, das die relative Ausrichtung zweier Ebenen reguliert, die nicht benachbart oder parallel sein sollen.
Standorttoleranzen:
Diese beziehen sich auf den Betrag der zulässigen Abweichung eines Merkmals von einem Referenzpunkt oder einer Linie.
● Positionstoleranz: Wird zum Positionieren eines Merkmals verwendet, beispielsweise der Mitte eines Lochs bezüglich einer Achse oder eines Punktes. Diese sind notwendig, um sicherzustellen, dass Baugruppen, Komponenten oder Teile ordnungsgemäß passen.
● Konzentrizität: Definiert die Ausrichtung zweier kreisförmiger Elemente zueinander, sodass sie konzentrisch sind.
Rundlauftoleranzen:
Rundlauf ist ein Maß für den Betrag, um den ein rotierendes Teil von der Kreisform oder Geraden abweicht. Dies ist besonders wichtig für Teile wie Wellen oder Räder, die sich wiederum drehen, und bei denen die Konzentrizität der Löcher entscheidend ist.
Oberflächengütetoleranzen bestimmen die Oberflächenqualität des CNC-Teils und geben die Textur, Glätte und Rauheit an. Diese Toleranzen sind entscheidend für Teile, die eine direkte oder kraftschlüssige Passung erfordern, beispielsweise bei Pass- und Reibflächen. Darüber hinaus erfordert das Erscheinungsbild der funktionalen Anforderungen enge Toleranzen, beispielsweise bei verschlissenen oder korrodierten Teilen.
● Ra (Rauheitsdurchschnitt): Ra ist der am häufigsten verwendete Oberflächentexturparameter. Es ist definiert als ein arithmetischer Mittelwert der Spitze-Tal-Höhe des Oberflächenprofils. Ein niedrigerer Ra-Wert wird bevorzugt, da dies bedeutet, dass die Oberfläche eine geringere Oberflächenrauheit aufweist.
● Rz (durchschnittliche maximale Höhe des Profils): Rz ist der Mittelwert der absoluten Differenz zwischen der maximalen Spitze und dem minimalen Tal entlang einer bestimmten Länge. Es bietet eine bessere Vorstellung von der Oberflächenrauheit.
● Rt (Gesamthöhe des Profils): Rt bezieht sich auf die Gesamthöhe in einer Probenahmestrecke, die den höchsten Gipfel und den niedrigsten Tiefpunkt der Oberflächenrauheit darstellt.
Für weniger Reibung und minimalen Oberflächenverschleißkontakt ist eine bessere Oberflächenrauheit wünschenswert. Für Anwendungen wie Klebekontakte, bei denen eine bessere Haftung erforderlich ist, könnte eine geringe Oberflächenrauheit bevorzugt werden. Die Oberflächenbeschaffenheit kann sich auch auf das Korrosions- und Ermüdungsverhalten des Teils auswirken. Beide sind für Branchen wie die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung.
Hier sind die allgemeinen Parameter, die sich auf die CNC-Bearbeitungstoleranzen auswirken;
Die Materialauswahl für ein bestimmtes Teil bestimmt, wie einfach das Teil mit der erforderlichen Toleranz bearbeitet werden kann. Einige Materialien wie Stahl oder Aluminium lassen sich leichter mit feinen Toleranzen zu wertvollen Produkten verarbeiten als andere wie Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Weil sie dazu neigen, bei Temperaturänderungen anzuschwellen oder zu schrumpfen.
Die Genauigkeit der CNC-Maschine ist ein Hauptfaktor. Durch die höhere Präzision der Maschine können engere Toleranzen erreicht werden. Daher ist es wichtig, die über einen längeren Zeitraum getesteten und angepassten Geräte einzusetzen.
Durch den Verschleiß des Werkzeugs können die geforderten Toleranzen nicht eingehalten werden. Aus diesem Grund müssen Werkzeuge regelmäßig überprüft und kalibriert werden, da sich diese Abmessungen bei längerem Gebrauch ändern können.
Lassen Sie uns einige der wichtigsten CNC-Toleranzstandards herausfinden.
ISO, ASME und DIN sind einige Toleranzstandards für CNC-Teile. Hersteller müssen bestimmte Standardtoleranzen einhalten. Beispielsweise ist ISO 2768 eine allgemeine Toleranznorm für Industrieprodukte und legt Toleranzen für Abmessungen und geometrische Proportionen im Maschinenbau fest.
Zu den Toleranzklassen gehören IT0, IT1 und IT2, die den Toleranzgrad für ein bestimmtes Genauigkeitsniveau beschreiben. Unter diesen drei Toleranzen ist IT0 genauer, kann jedoch nicht mit vertretbaren Kosten realisiert werden. Abhängig von der Produktsorte kann die erforderliche Größe um eine bestimmte Toleranz angepasst werden.
Hier sind die gängigen Branchen, die CNC-Bearbeitungstoleranzen für eine perfekte Teilepassung und Montage verwenden;
Von Luft- und Raumfahrtteilen wird erwartet, dass sie geringe Toleranzen einhalten (im Bereich von ±0,002 mm oder besser). Gerade bei Teilen wie Turbinenschaufeln sind kleine Abweichungen fatal.
Automobiltoleranzen hängen von der jeweiligen Teileanwendung ab. Komponenten mit Hochleistungstoleranzen von ±0,1 mm können verwendet werden, während weniger beanspruchte Teile wie die Karosserieteile mit etwas größeren Toleranzen zugelassen werden können.
Medizinische Komponenten wie Implantate und chirurgische Instrumente sollten Anforderungen an ein noch höheres Toleranzniveau stellen; etwa ± 0,01 mm. Da diese typischerweise für hochsensible medizinische Funktionen eingesetzt werden.
Bei elektronischen Produkten wie Steckverbindern und Leiterplatten werden Pass- und Schnittstellenmaße oft mit einer Genauigkeitstoleranz von ±0,02 mm bis ± 0,1 mm angegeben.
Häufiges Beispiel:
Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt erfordern eine hohe Präzision, Maßhaltigkeit und Geometrien von 0,01 mm. Aufgrund von Unterschieden in Sicherheit und Funktionalität können Karosserieteile von Kraftfahrzeugen mit Toleranzen von 0,2 mm gefertigt werden.
Zu den gemeinsamen Faktoren gehören:
Die Geometrie trägt einen großen Teil des Rollenspiels in engen Toleranzen bei. Aus diesem Grund ist es schwierig, dünnwandige Teile, tiefe Löcher oder andere kleine Merkmale präzise herzustellen. Designer sollten es vermeiden, Merkmale einzubeziehen, die schwer zu bearbeiten sind oder zu Verzerrungen neigen. Es ist interessant festzustellen, dass die Anwendung einfacher, symmetrischer Designs zu stabileren Toleranzen führen kann.
Konstrukteuren wird empfohlen, bereits in der Entwurfsphase Maschinisten zu konsultieren, um herauszufinden, ob ein Teil innerhalb der angegebenen Toleranzgrenzen hergestellt werden kann. Es ist nützlich, die Fragen des Bearbeitungsprozesses, der Materialauswahl und der in der Fertigung benötigten Werkzeuge offen zu diskutieren, um Design for Manufacturability (DFM) anzugehen. Darüber hinaus können potenzielle Probleme erkannt werden, bevor sie zu erheblichen Kostenquellen werden.
Bei der Toleranzstapelung handelt es sich um eine kombinierte oder akkumulierte Toleranz aller in einer Baugruppe addierten Komponenten. Insbesondere kommt der Ansatz zum Einsatz, wenn unterschiedliche Bauteile mit individuellen Toleranzwerten zusammengefügt werden. Denn die kumulierte Differenz kann durchaus zu einem Offset und einer Fehlfunktion führen. Beispielsweise kann jedes Teil in einer Baugruppe eine Toleranz von ±0,1 mm haben, das Endergebnis könnte jedoch ±0,3 mm oder mehr betragen.
Um die Stapeltoleranz zu verringern, müssen sich Konstrukteure auf die kritische Abmessung konzentrieren, die einen Einfluss auf die Funktion der Baugruppe hat. Die Auswirkungen können minimiert werden, indem man Worst-Case-Toleranzen verwendet oder selektiv strengere Toleranzkontrollen für kritische Merkmale anwendet. Darüber hinaus können Merkmale wie selbstpositionierende Löcher oder Ausrichtungsstifte auch Positionsfehler in Baugruppen reduzieren.
Heutige CNC-Maschinen bieten bessere Steuerungen und präzisere Systeme zum Erreichen exakter oder engerer Toleranzen. Beispielsweise ermöglichen mehrachsige CNC-Maschinen die präzise Herstellung komplexer Teile weitaus besser als erwartet, wenn eine einzige Achse verwendet würde. Auch die CNC-Software trägt gleichermaßen dazu bei. Werkzeuge wie die CAD/CAM-Systeme ermöglichen Simulation und Werkzeugweggenerierung, um die gewünschte Toleranz zu erreichen.
Die Automatisierung hat die Möglichkeit, eine höhere Toleranz in der Produktion zu erreichen, erheblich verbessert. Roboterarme und andere computergesteuerte CNC-Maschinen minimieren Fehler und machen den Vorgang für den wiederholten Einsatz präziser. Zu diesen Geräten gehören Laserscanner und Koordinatenmessgeräte (KMG). Diese liefern in Echtzeit Feedback zu den Bauteilabmessungen, um die Kommunikation zu erleichtern, die bestätigt, ob das Teil innerhalb der erforderlichen Toleranz liegt oder nicht, bevor es zur weiteren Verarbeitung an andere Stationen versandt wird.
Allerdings ist es schwierig, enge Toleranzen einzuhalten. Aufgrund von Problemen wie Materialschwankungen, Verschleiß des Werkzeugs oder der Maschine und Umweltfaktoren wie der Temperatur. Komplexe Geometrien können ebenso problematisch sein wie mehrteilige Baugruppen, bei denen sich die Gesamttoleranz zur endgültigen Passung addiert.
Um die Toleranzgenauigkeit von CNC-Teilen zu verbessern, können Hersteller:
● Nutzen Sie optimale, gut gewartete und effiziente Maschinen anstelle billiger lokaler Maschinen.
● Die entsprechenden Messgeräte müssen sorgfältig ausgewählt werden.
● Wählen Sie Werkzeugwege und Schnittstrategien aus, die die Werkzeugablenkung reduzieren oder eliminieren.
● Implementieren Sie hochtechnologische CNC-Technologien sowie Simulations- und Optimierungssoftware.
● Führen Sie routinemäßige Qualitätsprüfungen durch und integrieren Sie die Rückmeldungen in den Produktionsprozess.
Um die richtige Toleranz für die CNC-Bearbeitung zu finden, gehen Sie folgendermaßen vor:
● Kennen Sie den Zweck des Teils: Berücksichtigen Sie die Funktion und den Verwendungszweck Ihres Teils. Bestimmte Abschnitte erfordern eine größere Genauigkeit bei der Herstellung.
● Überprüfen Sie das Design: Schauen Sie sich das Design des Teils an. Es müssen detaillierte Angaben zur CAD-Datei gemacht werden.
● Betrachten Sie das Material: Bei einigen Materialien können engere Toleranzen eingehalten werden als bei anderen. Berücksichtigen Sie also die Materialeigenschaften und -fähigkeiten.
● Kennen Sie die Fähigkeiten der Maschine: Die Schnitttoleranz hängt von der verwendeten CNC-Maschine ab, wobei verschiedene Maschinen unterschiedliche Leistungsniveaus bieten.
● Kosten und Präzision ausgleichen: Engere Toleranzen kosten mehr. Entscheiden Sie, was Sie brauchen.
● Testprototypen: Erstellen Sie Prototypen mit unterschiedlichen Toleranzniveaus, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß zusammengebaut werden und funktionieren.
Wenn Sie die Variationen reduzieren und Ihr Design vereinfachen, kann die Produktleistung insgesamt gesteigert werden, indem die Herstellungskosten gesenkt werden. Um exakte Teilespezifikationen zu erreichen, sind genauere Maschinen erforderlich und der Prozess dauert länger. Darüber hinaus wird möglicherweise mehr Material verschwendet. Daher müssen sich Hersteller auf kritische Abmessungen konzentrieren und entscheiden, ob für die Leistung engere Toleranzen erforderlich sind. Gleichzeitig müssen sie Wege finden, die Herstellungskosten zu senken.
Die Entwicklung der CNC-Technologie hat heutzutage zugenommen. Daher ist in naher Zukunft mit einer strengeren Toleranz zu rechnen. Durch die Integration von Fortschritten in den Bereichen Automatisierung, KI und maschinelles Lernen in den Produktionsprozess können hochwertigere und kostengünstigere Produkte entstehen. Die Miniaturisierung nimmt zu und Branchen wie die Luft- und Raumfahrt sowie die Medizintechnik verwenden hochwertige Materialien. Dies erhöht den Druck auf die CNC-Präzision. Daher ist die CNC-Präzision weiterhin ein Bereich des Wachstums und der Entwicklung.
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