CNC-Maschinen können ein sehr hohes Maß an Genauigkeit erreichen. Einige Maschinen können Genauigkeiten von bis zu +/-0.0025 mm erreichen. Das Fräsen eines Teils mit höchster Präzision auf einer CNC-Maschine ist jedoch ein kostspieliges und zeitintensives Unterfangen. Hier kommen CNC-Bearbeitungstoleranzen ins Spiel. Da verschiedene Teile unterschiedliche Genauigkeitsgrade erfordern, ist es für einen Konstrukteur wirtschaftlich, die spezifischen Abmessungen und Toleranzen anzugeben, die für dieses Teil erforderlich sind.
Was sind Toleranzen?
Kurz gesagt handelt es sich bei Toleranzen um Messungen, die den Grad der Präzision angeben, der für ein Teil erforderlich ist, das Sie herstellen möchten. CNC-Toleranzen geben insbesondere den Grad der zulässigen Variation der Endabmessungen oder Messwerte eines kundenspezifisch bearbeiteten Teils an.
CNC-Maschinenwerkstätten messen Komponenten anhand numerischer Werte, denen normalerweise ein ±-Symbol vorangestellt ist. Beispielsweise können Sie einem Teil mit einer Länge von 0.001 Zoll eine Toleranz von ±2.550 Zoll zuweisen. Dies würde darauf hinweisen, dass das hergestellte Teil eine variable Länge zwischen 2.549 Zoll und 2.551 Zoll hätte. Wenn für ein Teil mit einer Höhe von 1.5 Zoll eine Toleranz von ±0.005 Zoll erforderlich ist, sollte das endgültige Teil im Bereich von 1.495 Zoll und 1.505 Zoll liegen, um die Qualitätsprüfung zu bestehen.
Standard- oder Nicht-Standard-Toleranzen in der Zeichnung zeigen CNC-Bearbeitung und Mechaniker, welchen Grad an Präzision sie bei der Herstellung eines Teils anwenden müssen. Je kleiner die Zahl – in der Fertigungswelt ist dies eine engere Toleranz – desto mehr Präzision ist erforderlich. Je größer die Zahl – auch „lockerer“ genannt – desto weniger Präzision ist erforderlich.
Häufige Arten von Toleranzen bei der CNC-Bearbeitung
1. Standardtoleranzen
Maschinisten halten sich häufig an die standardmäßigen CNC-Toleranzen für häufig gefertigte Teile. Dazu gehört die spezifische Genauigkeit für Elemente wie Gewinde, Stifte und Rohre. Viele Fräsarbeiten bieten internationale Standards von etwa +/-0.1 mm, insbesondere wenn Kunden keine eigenen Toleranzgrenzen angeben. Eine umfassende Übersicht finden Sie unter das detaillierte CNC-Bearbeitungsdiagramm. Der Geltungsbereich dieser Standards wird in der Regel von verschiedenen internationalen Organisationen definiert, darunter der International Organization for Standardization (ISO), der American Society of Mechanical Engineers (ASME) und dem American National Standards Institute (ANSI).
2. Bilaterale Toleranzen
Bei Verwendung einer bilateralen Toleranz kann die Abweichung vom vorgegebenen Maß entweder negativ oder positiv sein, sodass das Teil etwas größer oder kleiner als angegeben sein kann. Ein Beispiel ist +/- 0.06 mm, was bedeutet, dass das bearbeitete Teil 0.06 mm kürzer oder länger als das angegebene Maß sein kann. Typischerweise werden solche Spezifikationen auf Außenmaße angewendet.
3. Geometrische Bemaßung und Toleranzen
GD&T-Toleranzen sind viel gründlicher als die anderen Systeme der Bearbeitungstoleranzen. Es hebt die Maße und zulässigen Abweichungen hervor. Außerdem werden spezifische geometrische Eigenschaften des bearbeiteten Teils beschrieben, z. B. wie flach es sein sollte, seine Konzentrizität und seine wahre Position. GD&T-Toleranzen werden häufig für Teile mit äußerst präzisen Abmessungen verwendet.
4. Einseitige Toleranzen
Einseitige Toleranzen erlauben Abweichungen ausschließlich in einer Richtung, entweder nur positiv oder nur negativ. Beispielsweise bedeutet eine Toleranzangabe von +0.00/-0.06 mm, dass das fertige Teil bis zu 0.06 mm kleiner, aber nicht größer als das angegebene Maß sein kann. Solche Toleranzen werden typischerweise bei Konstruktionen verwendet, bei denen ein Teil in eine andere Komponente passen muss. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass das Teil die angegebenen Abmessungen nicht überschreitet, da eine größere Größe verhindern würde, dass es in die vorgesehene Position passt.
5. Grenztoleranzen
Eine Grenztoleranz wird als Wertebereich ausgedrückt, bei dem das Teil in Ordnung ist, solange die Messung innerhalb dieses Bereichs liegt. 13 – 13.5 mm ist beispielsweise eine Grenztoleranz für die CNC-Bearbeitung, die angibt, dass das Teil ein Maß haben muss, das zwischen der Ober- und der Untergrenze liegt (13 mm ist die Obergrenze und 13.5 mm die Untergrenze).
Was Sie bei der Auswahl der Toleranzen beachten sollten
Bei der CNC-Bearbeitung ist das Verständnis der Toleranzen von entscheidender Bedeutung, um die optimale Leistung eines Teils sicherzustellen. Der Schwellenwert, ab dem die Funktion eines Teils durch Maßabweichungen beeinträchtigt wird, ist ein entscheidender Gesichtspunkt. Dies gilt insbesondere für Teile wie kritische Motorkomponenten, bei denen Präzision von größter Bedeutung ist. Jede Abweichung in ihrer geometrischen Form kann schwerwiegende Folgen haben. Andererseits gibt es Teile, bei denen eine so hohe Präzision nicht erforderlich ist. Bei diesen Bauteilen kann eine geringfügig größere Abweichung der Fertigungstoleranzen zulässig sein, ohne dass die Funktionalität beeinträchtigt wird. Über diese Überlegungen hinaus ist es bei der Auswahl von Toleranzen bei der CNC-Bearbeitung wichtig, auch einige zusätzliche Faktoren zu berücksichtigen:
1. Wann sind enge Toleranzen erforderlich?
Der Bedarf an engeren Toleranzen variiert oft je nach den verschiedenen Merkmalen einer einzelnen Komponente. Während beispielsweise die Gesamtstruktur eines Teils möglicherweise nicht die strengsten Toleranzen erfordert, erfordern bestimmte Bereiche – etwa Punkte, an denen das Teil passen oder mit anderen Komponenten verbunden werden muss, wie z. B. Löcher – eine hohe Präzision.
Komplexe Toleranzen sind besonders wichtig in Branchen, in denen Präzision erforderlich ist, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik und im Automobilbau. In diesen Bereichen werden häufig Komponenten benötigt, die in komplexen Baugruppen einwandfrei passen und funktionieren müssen, wobei selbst kleinste Abweichungen zu erheblichen Betriebsausfällen führen können.
Im Bearbeitungsprozess stellt eine erhöhte Genauigkeit sicher, dass jedes Teil mit höchster Genauigkeit hergestellt wird, wodurch die Fehlerquote verringert wird. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Teile, die eng mit anderen Komponenten interagieren und bei denen eine geringfügige Abweichung zu Verschleiß oder Betriebsineffizienz führen kann. Darüber hinaus sind Grenztoleranzen bei der CNC-Bearbeitung bei Projekten, bei denen die Sicherheit ein entscheidendes Anliegen ist, wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie, nicht verhandelbar, da sie sich direkt auf die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Endprodukts auswirken.
2. Hohe Kosten für strenge Anforderungen
Die Entscheidung für Präzisionstoleranzen kann jedoch die Bearbeitungszeit und die Kosten erhöhen. Der Einsatz von CNC-Werkzeugen zur Einhaltung anspruchsvoller Standards, wie z. B. extrem enger Toleranzen von nur ±0.001 Zoll, kann zu einem erhöhten Verschleiß der Ausrüstung führen. Besonders kritisch wird dieser Aspekt bei der Massenproduktion. Beispielsweise kann ein neues Werkzeug zunächst problemlos einen ±0.001-Zoll-Standard erfüllen, bei wiederholter Verwendung wird es jedoch zu einer Herausforderung, dieses Maß an Präzision beizubehalten. Die Herstellung zahlreicher Teile nach diesen strengen Standards kann häufige Werkzeugwechsel oder Anpassungen im Bearbeitungsprozess erfordern, was zu längeren Produktionszeiten und höheren Kosten führt.
3. Toleranzen hängen vom Material ab
Unterschiedliche Materialien weisen individuelle Eigenschaften auf, die sich auf das mit ihnen erreichbare Maß an Toleranz bei der CNC-Bearbeitung auswirken können. Zu diesen Merkmalen gehören unter anderem:
- Härte: Weichere Materialien lassen sich schwieriger mit hoher Präzision bearbeiten. Dies ist vor allem auf die Wahrscheinlichkeit zurückzuführen, dass sich die Abmessungen ändern, wenn das Schneidwerkzeug sie berührt. Bei der Bearbeitung dieser weicheren Werkstoffe ist daher zusätzliche Geduld erforderlich.
- Abrasivität: Raue und grobe Materialien sind meist eine Belastung für die Schneidwerkzeuge und können sogar zu einem schnelleren Verschleiß führen. Bei diesen Materialien ist es schwierig, eine strenge Maßgenauigkeit zu erreichen, da Änderungen am Schneidwerkzeug zu einer geringeren Genauigkeit führen. Bei abrasiven Materialien muss der Techniker das Werkzeug während des Bearbeitungsprozesses in der Regel mehrmals austauschen.
- Hitzestabilität: Dies ist ein Problem, das vor allem Nichtmetalle betrifft. Da sich während des Bearbeitungsprozesses Wärme aufbaut, beginnen diese Materialien, ihre Form zu verlieren. Dadurch wird eingeschränkt, welche Prozesse Sie für dieses bestimmte Material verwenden können.
4. Wahl der Herstellungsmethoden
CNC-Maschinen unterscheiden sich erheblich in ihren Kapazitäten und Fähigkeiten. Die Toleranz einer CNC-Maschine ist entscheidend und bestimmt, welche Arten von Teilen sie verarbeiten kann. Während einige Maschinen bei komplexen Aufgaben hervorragende Leistungen erbringen, weisen andere möglicherweise Einschränkungen auf. Um das perfekt bearbeitete Teil zu erhalten, sind häufig zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich, insbesondere bei komplizierten Designs oder beim Arbeiten mit engen CNC-Toleranzen. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, die spezifischen Stärken und Grenzen einer Maschine in der Präzisionsfertigung zu verstehen.
5. Inspektion
Aufgrund der Art des Projekts ist eine gründliche Prüfung von Teilen mit begrenzten Toleranzen erforderlich. Dieser Vorgang wird aufgrund der erforderlichen Präzision viel Zeit in Anspruch nehmen. Darüber hinaus kann es wichtig sein, spezielle Messwerkzeuge und -geräte zu verwenden, um die Toleranzen dieser Teile genau zu beurteilen, wie z. B. Messschieber, Mikrometer, optische Komparatoren, KMGs und mehr. Eine solche detaillierte Überprüfung ist entscheidend, um die Qualität und Zuverlässigkeit des Endprodukts sicherzustellen.
So finden Sie die richtige Toleranz
Manchmal ist die Auswahl des geeigneten Präzisionsniveaus keine Herausforderung. Für Produkt- oder Teiledesigner ist es von entscheidender Bedeutung, den zulässigen Variationsbereich für die Abmessungen eines Teils zu ermitteln. Dieses Wissen hat erheblichen Einfluss auf die Entscheidung über die richtige Fertigungstoleranz, wirkt sich auf die Durchlaufzeit des Projekts aus und beeinflusst dessen Kosten. Die folgenden Tipps sollen Ihnen bei Ihrer Entscheidungsfindung helfen:
1. Berücksichtigen Sie die Verwendung Ihres Teils
Die beabsichtigte Anwendung Ihres Teils bestimmt in der Regel die bei der Bearbeitung erforderliche Genauigkeit. Beispielsweise erfordern Teile, die eigenständig sind und nicht in andere Komponenten integriert werden müssen, im Allgemeinen eine geringere Präzision beim Fräsen. Da das Erreichen engerer Toleranzen mit höheren Kosten verbunden ist, empfiehlt es sich, diese nur dann zu wählen, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Wenn für Ihr Teil keine so hohe Genauigkeit erforderlich ist, ist es kostengünstiger, standardisierte Toleranzen zu wählen.
2. Suchen Sie nach einem seriösen CNC-Bearbeitungsunternehmen
Um die richtige Toleranz für ein Projekt zu finden, ist häufig die Zusammenarbeit mit einem zuverlässigen CNC-Bearbeitungsdienst erforderlich. Kunden sollten ausführliche Gespräche über ihre Projektziele und -spezifikationen mit Fertigungsexperten führen, um die optimalen Toleranzen zu ermitteln. Typischerweise definieren Ingenieure oder Teilekonstrukteure diese Toleranzen, bevor sie sich einer Aufgabe nähern CNC-Bearbeitung or Rapid Prototyping-Service, was dazu beiträgt, den Produktionsprozess zu rationalisieren und die Kosten zu senken.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die meisten CNC-Dienste standardmäßig ihre Standardtoleranz verwenden, normalerweise etwa ±0.1 mm (±0.004 Zoll), wenn bei der Einreichung eines Teils zur Produktion keine Toleranzen angegeben werden. Obwohl diese Abweichung geringfügig und mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, kann sie die Montagepassung des endgültigen Teils erheblich beeinträchtigen. Beispielsweise kann ein Loch, das nur um 0.005 Zoll kleiner ist, die Integration des entsprechenden Teils schwieriger als nötig machen.
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