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Basi di dimensionamento geometrico e tolleranza (GD&T)

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Basi di dimensionamento geometrico e tolleranza (GD&T)

Gli oggetti fabbricati si differenziano per dimensioni dal modello CAD originale a causa di variazioni che subiscono nei processi di produzione.
Per controllare e comunicare in modo ottimale queste variazioni, ingegneri e produttori utilizzano un linguaggio simbolico chiamato GD&T, abbreviazione di dimensionamento geometrico e tolleranza.

GD&T dice ai partner di produzione e agli ispettori la variazione consentita all’interno dell’assemblaggio del prodotto e standardizza il modo in cui tale variazione viene misurata.

Questo articolo descrive il sistema GD&T per semplificare la comunicazione sul design sia nella produzione tradizionale che digitale.

Continua a leggere per conoscere:
I principi di base di GD&T
I vari simboli di tolleranza
Un case study che mostra GD&T in uso con SolidWorks e un’applicazione del prodotto reale.

Limitazioni di tolleranza prima di GD & T

Prima di GD&T, le caratteristiche di produzione erano specificate dalle aree X-Y. Ad esempio, durante la foratura di un foro di montaggio, il foro doveva trovarsi all’interno di un’area X-Y specificata.

Un’accurata specificazione della tolleranza, tuttavia, definirebbe la posizione del centro foro in relazione alla posizione desiderata. La tolleranza X-Y lascia una zona in cui l’ispezione avrebbe prodotto un falso negativo perché, mentre il foro può non trovarsi all’interno del quadrato X-Y, rientrerebbe invece nel cerchio circoscritto.

Stanley Parker, un ingegnere che stava sviluppando armi navali durante la seconda guerra mondiale, notò questo fallimento nel 1940. Spinto dalla necessità di una produzione economicamente conveniente e rispettando le scadenze, elaborò un nuovo sistema attraverso diverse pubblicazioni. Una volta dimostrato come un metodo operativo migliore, il nuovo sistema divenne uno standard militare negli anni ’50.

Attualmente, lo standard GD& T è definito dall’American Society of Mechanical Engineers (ASME Y14.5-2018) per gli USA e ISO 1101-2017 per il resto del mondo. Riguarda principalmente la geometria generale del prodotto, mentre altri standard descrivono caratteristiche specifiche come rugosità superficiale, trama e filettature.

Perché implementare i processi GD&T?

Con assiemi funzionali, prodotti multi-parti o parti con funzionalità complesse, è fondamentale che tutti i componenti funzionino bene insieme. Tutti gli accoppiamenti e le caratteristiche pertinenti devono essere specificati in un modo che influenzi nel minor modo possibile il processo di produzione e i relativi investimenti, pur garantendo la funzionalità. Utilizzare un fattore due per le tolleranze di servaggio può fare aumentare i costi di due volte o anche di più, a causa di tassi di scarto più elevati e modifiche degli utensili. GD&T è il sistema che consente agli sviluppatori e agli ispettori di ottimizzare la funzionalità senza aumentare i costi.

Il vantaggio più importante di GD&T è che il sistema descrive l’intento progettuale piuttosto che la geometria risultante. Come un vettore o una formula, non è l’oggetto reale ma una sua rappresentazione.

Ad esempio, una caratteristica che si trova a 90 gradi rispetto ad una superficie di base può essere tollerata in base alla sua perpendicolarità rispetto a quella superficie. Questo definirà due piani distanziati, all’interno del quale deve rientrare il piano centrale della feature. Oppure, quando si esegue un foro, è più sensato tollerarlo in termini di allineamento con altre caratteristiche.

Descrivere la geometria del prodotto in relazione alla sua funzionalità prevista e all’approccio alla produzione è in definitiva più semplice rispetto alla necessità di descrivere tutto in dimensioni lineari. Fornisce inoltre uno strumento di comunicazione con fornitori di produzione, clienti e ispettori di qualità.

Se ben eseguito, GD & T consente anche il controllo statistico dei processi (SPC), riducendo i tassi di scarto del prodotto, i guasti di assemblaggio e lo sforzo necessario per il controllo di qualità, risparmiando risorse sostanziali alle organizzazioni. Di conseguenza, più reparti sono in grado di lavorare in parallelo perché hanno una visione e una lingua condivisa per ciò che vogliono ottenere.

Come funziona il GD&T

I disegni tecnici devono mostrare le dimensioni per tutte le caratteristiche di una parte. Accanto alle dimensioni, è necessario specificare un valore di tolleranza con il limite minimo e massimo accettabile. La tolleranza è la differenza tra il limite minimo e massimo. Ad esempio, se abbiamo un tavolo che dovremmo accettare con un’altezza tra 750 mm e 780 mm, la tolleranza sarebbe di 30 mm.

Tuttavia, la tolleranza per la tabella implica che si accetterebbe un tavolo alto 750 mm su un lato e 780 mm sull’altro o una superficie ondulata con una variazione di 30 mm. Quindi, per tollerare appropriatamente il prodotto, abbiamo bisogno di un simbolo che comunichi l’intento progettuale di una superficie piana. Pertanto, dobbiamo aggiungere una tolleranza di planarità aggiuntiva oltre alla tolleranza di altezza complessiva.

Allo stesso modo, un cilindro con un diametro tollerato non si inserirà necessariamente nel suo foro se il cilindro si piega leggermente durante il processo di fabbricazione. Perciò ha anche bisogno di un controllo di rettilineità, che sarebbe difficile comunicare con tolleranze più-meno. O un tubo che deve corrispondere perfettamente a una superficie complessa su cui è saldato richiede un controllo del profilo di superficie.

GD & T stabilisce una libreria di simboli per trasmettere tali intenti di progettazione, che discuteremo nella sezione seguente.

L’arte della tolleranza significa specificare le giuste variazioni per tutte le caratteristiche specifiche del progetto al fine di massimizzare la percentuale di approvazione del prodotto entro i limiti dei processi di produzione e in base allo scopo visivo e funzionale della parte.

Nel sistema metrico, esistono gradi di tolleranza internazionale (IT) che possono essere utilizzati anche per specificare le tolleranze mediante simboli. Il simbolo 40H11, ad esempio, significa un foro di diametro 40 mm con un accoppiamento libero. Il produttore deve quindi solo cercare la tabella di base per le caratteristiche del foro per ricavare l’esatto valore di tolleranza.

Oltre alle tolleranze individuali, gli ingegneri devono tenere conto degli effetti a livello di sistema. Ad esempio, quando una parte esce con tutte le dimensioni al loro valore massimo consentito, soddisfa comunque i requisiti generali come peso del prodotto e spessori delle pareti? Questo è chiamato Maximum Material Condition (MMC), mentre la sua controparte è la Least Material Condition (LMC).

Anche le tolleranze si accumulano. Se creiamo un collegamento a catena in cui ogni foro ha una tolleranza di 0,1 mm in più e ogni albero presenta una tolleranza negativa di 0,1 mm, significa che accetteremo ancora una differenza di lunghezza di 20 mm a 100 maglie. Quando si installano elementi ripetuti come un pattern a fori, si procede innanzitutto a posizionare il modello e quindi specificare le distanze correlate anziché gli elementi di riferimento su un bordo o un piano fisso della parte.

Gli standard non riguardano solo i progettisti e gli ingegneri, ma anche gli ispettori di qualità, informandoli su come misurare le dimensioni e le tolleranze. L’uso di strumenti specifici come micrometri e calibri digitali, misuratori di altezza, piastre di superficie, indicatori di selezione e una macchina di misura a coordinate (CMM) sono importanti per la pratica della tolleranza.

Quando si misura e si definisce una parte, la geometria esiste in uno spazio concettuale chiamato frame di riferimento di riferimento (DRF). Questo è paragonabile al sistema di coordinate all’origine di uno spazio nei programmi di modellazione 3D. Un dato è un punto, una linea o un piano che esiste nel DRF e viene utilizzato come punto di partenza per la misurazione. Assicurati di definire le caratteristiche di riferimento rilevanti per la funzionalità della tua parte. A meno che non si stiano combinando le funzioni di una parte con quelle di altre in un assieme, è possibile utilizzare spesso un singolo dato. Assicurati anche sempre che il dato primario abbia una posizione affidabile per ricavare altre misurazioni, ad esempio, dove la parte finale avrà una variazione poco imprevedibile.

Linee guida per le tolleranze GD&T

Un disegno tecnico deve trasmettere con precisione il prodotto senza aggiungere complessità o restrizioni inutili. Le seguenti linee guida sono utili da considerare:

– La chiarezza di un disegno è la più importante, ancor più della sua accuratezza e completezza. Per migliorare la chiarezza, disegnare dimensioni e tolleranze al di fuori dei limiti della parte e applicate alle linee visibili nei profili reali, utilizzare una direzione di lettura unidirezionale, trasmettere la funzione della parte, del gruppo e/o delle dimensioni sfalsate e utilizzare lo spazio bianco.
– Progettare sempre per la massima tollerabilità possibile per contenere i costi.
– Utilizzare una tolleranza generale definita nella parte inferiore del disegno per tutte le dimensioni della parte. Tolleranze specifiche più strette o più ampie indicate nel disegno sostituiranno quindi la tolleranza generale.
– Tollerare prima le feature funzionali e le loro interrelazioni, quindi passare al resto della parte.
– Quando possibile, lasciare la parte di GD&T agli esperti di produzione e non descrivere i processi di produzione nel disegno tecnico.
– Non specificare un angolo di 90 gradi poiché è assunto.
– Dimensioni e tolleranze sono valide a 20 ° C / 101,3 kPa salvo diversa indicazione.

Simboli di tolleranza

GD & T è basato sulle funzionalità, con ciascuna funzionalità specificata da diversi controlli che rientrano in cinque gruppi:

I controlli di forma che specificano la forma delle feature, tra cui:
– La rettilineità, è divisa in rettilineità dell’elemento di linea e rettilineità dell’asse.
– Planarità, significa rettilineità in più dimensioni, misurata tra il punto più alto e quello più basso di una superficie.
– Circolarità o rotondità possono essere descritte come rettilinee piegate in un cerchio.
– La cilindricità è praticamente la planarità piegata in una botte. Include rettilineità, rotondità e conicità, il che la rende costosa da ispezionare.

I controlli del profilo descrivono la zona di tolleranza tridimensionale attorno a una superficie:
– Profilo linea, confronta una sezione trasversale bidimensionale con una forma ideale. La zona di tolleranza è definita da due curve di offset, se non diversamente specificato.
– Profilo superficie, creata attraverso due superfici sfalsate tra le quali deve cadere la superficie della feature. Questo è un controllo complesso misurato in genere con una CMM.

I controlli di orientamento riguardano le dimensioni che variano ad angoli, tra cui:
– L’angolarità, è la planarità con un angolo rispetto a un dato ed è determinata anche attraverso due piani di riferimento distanziati tra loro dal valore di tolleranza.
– Perpendicolarità, significa planarità a 90 gradi rispetto a un dato. Specifica due piani perfetti in mezzo ai quali si deve trovare il piano della feature.
– Parallelismo, significa rettilineità sulla distanza. Il parallelismo per gli assi può essere definito definendo una zona di tolleranza cilindrica posizionando un simbolo di diametro davanti al valore di tolleranza.

I controlli di posizione definiscono le posizioni delle feature utilizzando le dimensioni lineari:
– Posizione, è la posizione delle feature relative l’una all’altra o ai riferimenti ed è il controllo più utilizzato.
– La concentricità, confronta la posizione di un asse di feature con l’asse di riferimento.
– La simmetria, garantisce che le parti non cilindriche siano simili su un piano di riferimento. Questo è un controllo complesso misurato in genere con una CMM.

I controlli di scostamento definiscono l’ammontare per cui una particolare caratteristica può variare rispetto ai riferimenti:
– Los scostamento circolare, viene utilizzato quando è necessario tenere conto di molti errori diversi, ad esempio le parti montate su cuscinetti a sfera. Durante l’ispezione, la parte viene ruotata su un mandrino per misurare la variazione o “oscillazione” attorno all’asse di rotazione.
– Lo scostamento totale, viene misurato su più punti di una superficie, non solo descrivendo l’eccentricità di una feature circolare ma di un’intera superficie. Controlla la linearità, il profilo, l’angolarità e altre variazioni.

Riquadro di controllo delle feature

Il riquadro di controllo delle feature è la notazione per aggiungere controlli al disegno. Lo scomparto più a sinistra contiene la caratteristica geometrica. Nell’esempio sopra, è un controllo di posizione ma può contenere uno qualsiasi dei simboli di controllo. Il primo simbolo nel secondo compartimento indica la forma della zona di tolleranza. In questo esempio, è un diametro invece che una dimensione lineare. Il numero indica la tolleranza consentita.

Accanto alla casella di tolleranza, vi sono caselle separate per ciascuna funzione di riferimento a cui si riferisce il controllo. Qui, la posizione sarà misurata in relazione al dato B e C. Accanto alla tolleranza o alla funzione di riferimento si trova una lettera cerchiata facoltativa, il modificatore di funzione.

Possono verificarsi le seguenti possibilità:
– M significa che la tolleranza si applica nella Condizione Materiale Massima (MMC)
– L significa che la tolleranza si applica nella Condizione Minima Materiale (LMC)
– U indica una tolleranza bilaterale disuguale, cioè per una tolleranza di 1 mm può specificarlo come meno 0,20 e più 0,80.
– P significa che la tolleranza viene misurata in una zona di tolleranza proiettata ad una distanza specificata dal dato.
– Nessun simbolo installa la tolleranza indipendentemente dalla dimensione della funzione (RFS)

Per questo esempio, se la parte non è in MMC, è possibile aggiungere una tolleranza bonus proporzionalmente alla deviazione da MMC. Quindi se una parte è al 90% MMC, anche la tolleranza si allenta del 10%.

Tolleranza nella stampa 3D

Molti progettisti e ingegneri di prodotto utilizzano la stampa 3D durante la prototipazione e lo sviluppo del prodotto per produrre prototipi e parti personalizzate che altrimenti richiederebbero un investimento significativo in attrezzature.

La tolleranza nella stampa 3D differisce dagli strumenti di produzione tradizionali poiché la stampa 3D è un processo automatizzato unico. Tolleranze più strette potrebbero richiedere un maggiore sforzo in fase di progettazione, ma possono produrre un notevole risparmio di tempo e costi nella prototipazione e nella produzione.

GD&T Case Study

La maggior parte degli strumenti CAD destinati all’ingegneria meccanica quali SolidWorks, Autodesk Fusion 360, AutoCAD, SolidEdge, FreeCAD, CATIA, NX, Creo e Inventor offrono l’integrazione GD&T durante la creazione di disegni tecnici. Tuttavia i progettisti devono ancora inserire le tolleranze manualmente, tenendo conto delle possibili deviazioni che si verificano durante il processo di produzione. Nel seguente case study, mostriamo un esempio di GD&T in uso in SolidWorks.

Questo progetto specifico mira a produrre 50.000 tappi per bottiglie attraverso lo stampaggio ad iniezione. Vogliamo controllare la sensazione e la forza con cui i tappi si adatteranno alla bottiglia e quindi richiedono una buona tolleranza. Vogliamo evitare che alcuni tappi siano più grandi nel diametro esterno rispetto alla bottiglia, mentre altri sono più piccoli e invece mantengono una calzata costante.

La filettatura della bottiglia ha un diametro esterno di 36,95 +/- 0,010 mm. Ciò significa che i limiti del diametro interno del tappo sono 36.985 e 37.065 mm, con un valore medio di 37.0 mm.

Il tappo ha anche dei fori per un collegamento specifico con un asse montato sotto una superficie piana. Ciò consente di aprire la bottiglia con una mano mentre si blocca sotto la superficie di un armadietto. L’asse è un componente standard in acciaio inossidabile OEM con un diametro di 4 mm e tolleranza di 0,13 mm (0,005 “). Per una connessione perfetta, è necessario un accoppiamento forzato con una tolleranza compresa tra -0,0575 e 0,0125 mm. Qui troviamo una gamma da 3,99 a 4,01 mm per il diametro del foro che si traduce in una forza adatta per tutte le dimensioni degli assi. Poiché si tratta di un intervallo così ristretto, decidiamo di specificare il foro a 3,85 mm, quindi forarlo a un esatto 4,00 mm che controlla anche la concentricità dei due fori.

Per controllare correttamente le nostre dimensioni, dobbiamo utilizzare un dato. Un dato deve rappresentare le caratteristiche di accoppiamento e la funzione dell’assieme, inoltre deve essere stabile, ripetibile e accessibile. In questo caso, l’accoppiamento tra tappo e collo di bottiglia è molto importante, quindi scegliamo la superficie cilindrica interna del tappo come il dato primario. La funzione secondaria è l’accoppiamento con la superficie di montaggio, quindi selezioniamo la parte superiore piatta del cappuccio come riferimento secondario.

Dopo aver considerato il requisito, l’implementazione della tolleranza GD&T in SolidWorks funziona come segue. Indicare i riferimenti in DimXpert> Schema quotatura automatica e selezionare l’opzione Geometrica anziché la tolleranza Più / Meno. Quindi selezionare i Riferimenti e le funzionalità da controllare in base ai Riferimenti. Completato lo schema dimensionale, aggiungi singole tolleranze geometriche e simboli GD&T. Il software genera automaticamente dimensioni per feature-of-size (FOS), come fori e sporgenze. Assicurati di selezionare “bilaterale” o “limite” come tipo di tolleranza per le funzioni in cui i limiti più e meno sono disuguali.

Per importare queste tolleranze in un disegno di ingegneria, in primo luogo, controllare FeatureManager per quali piani vengono utilizzati nella cartella ‘Annotazioni’. Quando si importano le viste da questi piani in un disegno, selezionare “Importa annotazioni” e “Annotazioni DimXpert”. L’aggiunta di una vista di sezione appropriata chiarirà molto il disegno.

Prototipazione e produzione di parti rapidamente con la stampa 3D

In questa guida, abbiamo discusso il sistema di Dimensionamento geometrico e Tolleranza (GD&T), che offre enormi vantaggi ai progettisti e agli ingegneri che lavorano su prodotti complessi in cui le dimensioni devono essere strettamente controllate. Abbiamo visto come GD&T trasmette non solo le dimensioni lineari ma anche l’intento progettuale, che aiuta a comunicare più chiaramente il progetto di ingegneria agli stakeholder del progetto.

Con una dozzina di simboli, la funzione di riferimento e la struttura di controllo delle funzioni, è possibile arricchire notevolmente i disegni di produzione e garantire che gli adattamenti tecnici rimangano coerenti tra i gruppi di prodotto. GD&T invita inoltre gli sviluppatori a pensare a come tollerare in modo ottimale le loro parti per il processo di produzione prescelto, poiché le diverse tecniche di produzione comportano diverse deviazioni caratteristiche.

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