Toleranzkette bei geschweißten Maschinenstrukturen

Ein Maschinengestell ist eine Kette von Toleranzen. Das, worauf es dem Kunden tatsächlich ankommt, ob die Spindel rechtwinklig zum Tisch steht, ob die Führungsschienen in einer Ebene liegen, ob der Kugelgewindetrieb parallel zur Führung läuft, steht am Ende dieser Kette. Jedes Glied trägt dazu bei, aber nicht jedes gleich viel.

Die meisten überspezifizierten Gestelle sind das Ergebnis einer Toleranzkette, die nie analysiert wurde. Der Konstrukteur war unsicher, hat alles enger toleriert und für Präzision an Gliedern bezahlt, die fast nichts beigetragen haben.

Wo die Glieder bei einer Schweißkonstruktion liegen

Ein geschweißtes Maschinenbett hat eine Toleranzkette, die ungefähr so aussieht:

1. Ebenheit und Dickenabweichung des Blechs im Anlieferzustand ab Walzwerk
2. Schnittgenauigkeit: Konturlage und Rechtwinkligkeit aus Plasma, Laser oder Säge
3. Heften und Ausrichten: Spalte, Versätze und Rechtwinkligkeit beim Zusammenbau vor dem Schweißen
4. Schweißschrumpfung und Verzug: der größte und am wenigsten vorhersagbare Beitrag
5. Relaxation durch Spannungsarmglühen: Bewegung während und nach dem Wärmezyklus
6. Aufspannung zur Bearbeitung: wie das Teil abgestützt und ausgerichtet wurde
7. Bearbeitungsgenauigkeit: die Positionier- und Geometriefehler der Maschine selbst
8. Messunsicherheit: der Prüfprozess selbst
9. Montage: Verschrauben, Unterlegen und das Fundament, auf dem die Maschine steht

Der entscheidende strukturelle Punkt: Die Glieder 1 bis 5 werden bei jedem bearbeiteten Merkmal in der Regel durch Glied 7 eliminiert. Das Bearbeiten einer Fläche setzt ihre Lage zu den Bezügen neu, und die vorgelagerten Fertigungstoleranzen werden für dieses Merkmal bedeutungslos, vorausgesetzt, das Aufmaß hat gereicht.

Das ist die zentrale Erkenntnis bei einer Schweißkonstruktion: Toleranzen an unbearbeiteten Merkmalen und Toleranzen an bearbeiteten Merkmalen gehören zu verschiedenen Ketten. Wer sie in einer Analyse vermischt, erhält Unsinn und meist eine Zeichnung, die Präzision an einer Blechkante fordert, auf die sich nichts bezieht.

Worst Case, statistisch und was wann gilt

Die Worst-Case-Kette (arithmetisch) addiert die Extremwerte aller Beiträge. Tragen sechs Merkmale je ±0,1 mm, ergibt Worst Case ±0,6 mm. Das ist garantiert konservativ und führt bei Ketten mit mehr als etwa drei Gliedern zu starker Überdimensionierung, weil die Wahrscheinlichkeit, dass alle Beiträge gleichzeitig in dieselbe Richtung am Extrem liegen, verschwindend gering ist.

Die statistische Kette (RSS) bildet die Wurzel aus der Summe der Quadrate. Dieselben sechs Merkmale ergeben etwa ±0,245 mm, also weniger als die Hälfte. Sie setzt voraus, dass die Beiträge unabhängig und annähernd normalverteilt sind. Für Bearbeitungsstreuung ist das vertretbar, für Schweißverzug mit seiner starken Vorzugsrichtung nicht.

Der praktische Ansatz beim Maschinengestell:

• Nutzen Sie Worst Case für kurze Ketten, sicherheitskritische Spiele und alles, bei dem ein einzelnes Teil außerhalb der Toleranz eine nicht montierbare Baugruppe ergibt.
• Nutzen Sie die statistische Methode für längere Ketten aus unabhängiger Bearbeitungsstreuung, wenn Sie echte Prozessdaten haben.
• Nutzen Sie keine der beiden blind für Schweißverzug. Verzug ist keine um null zentrierte Zufallsgröße: Eine bestimmte Schweißfolge zieht eine bestimmte Struktur in eine gleichbleibende Richtung. Behandeln Sie ihn als systematische Abweichung, die konstruktiv beseitigt wird, nicht als Toleranz, die aufsummiert wird. Die Stellhebel stehen in Verzugskontrolle bei großen Schweißkonstruktionen.

Die Aufmaßfrage, die eigentliche Kette einer Schweißkonstruktion

Bei einem geschweißten und bearbeiteten Gestell ist die Toleranzkette, die am häufigsten zuschlägt, überhaupt nicht geometrisch. Es geht darum, ob genug Material zum Bearbeiten übrig bleibt.

Die Kette: Blechdickentoleranz plus Schnittstreuung plus Versatz beim Heften plus Schweißverzug plus Bewegung beim Spannungsarmglühen, gemessen am vorgegebenen Bearbeitungsaufmaß. Übersteigt diese Summe das Aufmaß an irgendeiner Stelle der Fläche, läuft das Werkzeug ins Leere, und das Teil ist Ausschuss.

Drei Millimeter Aufmaß sind ein gängiger Standardwert für mittelgroße Gestelle und reichen bei einer kompetent geschweißten Konstruktion aus. Sie reichen nicht bei einem langen, wenig eingespannten Bauteil, das einseitig geschweißt wird und bei dem vier oder fünf Millimeter Durchbiegung ohne Weiteres erreichbar sind.

Es lohnt sich, das ausdrücklich durchzurechnen: den erwarteten Verzug für die konkrete Geometrie abschätzen, die Fertigungstoleranzen addieren und prüfen, ob das Aufmaß das mit Reserve abdeckt. Ist die Schätzung unbequem, erhöhen Sie entweder das Aufmaß, was günstig ist, oder korrigieren die Schweißfolge, was noch günstiger ist.

Das Toleranzbudget sinnvoll verteilen

Gegeben ist eine Funktionsanforderung am Ende der Kette, etwa eine Koplanarität der Führungsschienen von 0,05 mm über 3 Meter. Die Frage ist, wie man sie verteilt.

Drei Grundsätze:

Setzen Sie das Budget dort ein, wo die Empfindlichkeit am höchsten ist. Nicht jeder Beitrag wirkt sich gleich stark auf das Ergebnis aus. Ein kleiner Winkelfehler am Fuß eines hohen Ständers erzeugt oben eine große Verschiebung, derselbe Fehler oben erzeugt fast nichts. Ermitteln Sie die Glieder mit großer Hebelwirkung und tolerieren Sie diese enger, den Rest lockern Sie.

Bearbeiten Sie zusammengehörige Merkmale in derselben Aufspannung. Zwei Auflageflächen, die in einer Aufspannung auf einer Maschine bearbeitet werden, sind über diese Distanz so koplanar, wie die Maschine genau ist. Werden dieselben zwei Flächen in getrennten Aufspannungen bearbeitet, erben sie den vollen Fehler zwischen den Aufspannungen. Das ist die wirksamste Entscheidung über das Toleranzbudget, die es beim Maschinengestell gibt, und sie ist eine konstruktive Entscheidung über die Ausrichtung der Merkmale, keine Frage der Spezifikation.

Nutzen Sie Koplanarität statt einzelner Ebenheit plus Position. Eine Gruppe von Auflageflächen als koplanaren Verbund zu tolerieren drückt aus, was die Maschine braucht, und lässt dem Betrieb die Freiheit, es so zu erreichen, wie es zu seinem Maschinenpark passt. Die Höhe jeder Fläche einzeln zu tolerieren überbestimmt das Problem und kostet mehr für ein schlechteres funktionales Ergebnis. Die passenden Tolerierungselemente beschreibt GD&T und Bezugsstrategie bei Schweißkonstruktionen.

Einstellbarkeit als Toleranzstrategie

Der andere Weg, eine Toleranzkette zu schließen, ist, die Einstellbarkeit mit zu konstruieren.

Unterlegbleche unter Schienenauflagen, Abdrückschrauben, Exzenterbefestigungen, verstellbare Maschinenfüße und ein vergossenes Fundament nehmen den aufsummierten Fehler bei der Montage auf. Ein Gestell, das bei der Aufstellung eben unterlegt wird, muss nicht mit derselben Präzision eben bearbeitet werden, und bei einer großen Struktur ist das Unterlegblech drastisch günstiger als die Bearbeitung.

Deshalb haben viele sehr große Werkzeugmaschinen moderate Toleranzen an der geschweißten Struktur und enge Toleranzen nur an Merkmalen, die sich nicht einstellen lassen. Es gilt das allgemeine Prinzip einer funktionalen Analyse im Stil von ASME Y14.5: Tolerieren Sie, was sich nicht einstellen lässt, und stellen Sie ein, was nicht toleriert werden muss.

Der Abtausch lautet Montageaufwand gegen Fertigungskosten. Bei einer Maschine gewinnt meist die Einstellbarkeit. Bei fünfzig gewinnt meist die Bearbeitungspräzision, die pro Einheit eine Stunde Ausrichtarbeit einspart.

Eine praxistaugliche Abfolge

1. Schreiben Sie die Funktionsanforderung am Ende der Kette als Zahl auf.
2. Listen Sie die Beiträge auf und trennen Sie dabei die Bearbeitungskette von der Fertigungskette.
3. Schätzen Sie die Empfindlichkeit des Ergebnisses gegenüber jedem Beitrag ab.
4. Prüfen Sie das Bearbeitungsaufmaß separat gegen die Fertigungskette.
5. Tolerieren Sie die zwei oder drei wichtigsten Beiträge enger und geben Sie alles andere für eine Allgemeintoleranz wie ISO 13920 Klasse B frei.
6. Fragen Sie, was bei der Montage eingestellt werden könnte, statt es in der Fertigung zu tolerieren.
7. Stellen Sie sicher, dass das Prüfverfahren die Endanforderung tatsächlich messen kann.

Schritt sieben fängt erstaunlich viele Zeichnungen ab. Eine Koplanaritätsanforderung von 0,03 mm über vier Meter ist bedeutungslos, wenn niemand in der Kette sie messen kann: Die Messunsicherheit verschluckt die Toleranz. Die Prüffrage behandelt Erstmusterprüfung bei großen Schweißkonstruktionen.

Wenn Sie eine Gestellzeichnung auf Aufmaß und realistische Toleranzen prüfen lassen möchten, bevor sie in die Anfrage geht, senden Sie sie ein. Die Prüfung kommt innerhalb von 24 Geschäftsstunden zurück.