Catena di tolleranze nelle strutture saldate per macchine

Un telaio macchina è una catena di tolleranze, e ciò che interessa davvero al cliente (se il mandrino è in squadra con la tavola, se le guide sono complanari, se la vite a ricircolo di sfere corre parallela alla guida) si trova alla fine di quella catena. Ogni anello contribuisce, e i contributi non sono tutti uguali.

La maggior parte dei telai sovraspecificati è il risultato di una catena di tolleranze mai analizzata. Il progettista si sentiva incerto, ha stretto tutto e ha pagato precisione su anelli che non contribuivano quasi per nulla.

Dove si trovano gli anelli in una struttura saldata

Un basamento macchina di carpenteria ha una catena che si presenta più o meno così:

1. Planarità e variazione di spessore della lamiera così come arriva dall’acciaieria
2. Precisione di taglio: posizione del profilo e squadratura da plasma, laser o sega
3. Assemblaggio: luci, disallineamenti e squadratura in fase di montaggio prima della saldatura
4. Ritiro e distorsione da saldatura: il contributo maggiore e meno prevedibile
5. Rilassamento dovuto alla distensione: movimenti durante e dopo il ciclo termico
6. Piazzamento in lavorazione: come il pezzo è stato sostenuto e allineato
7. Precisione di lavorazione: l’errore di posizionamento e geometrico della macchina stessa
8. Incertezza di misura: il processo di collaudo in sé
9. Montaggio: serraggio dei bulloni, spessoramento e la fondazione su cui poggia la macchina

Il fatto strutturale importante è che gli anelli da 1 a 5 vengono di solito eliminati dall’anello 7 per ogni elemento che viene lavorato. Lavorare una faccia ne azzera la posizione rispetto ai riferimenti, e le tolleranze di carpenteria a monte diventano irrilevanti per quell’elemento, a condizione che il sovrametallo sia bastato.

È questa l’intuizione centrale per una struttura saldata: le tolleranze sugli elementi non lavorati e quelle sugli elementi lavorati appartengono a catene diverse. Mescolarle in un’unica analisi produce risultati privi di senso, e di solito un disegno che prescrive precisione sul bordo di una lamiera a cui nulla fa riferimento.

Caso peggiore, statistico, e quale usare

La catena al caso peggiore (aritmetica) somma gli estremi di ogni contributo. Se sei elementi hanno ciascuno ±0,1 mm, il caso peggiore dà ±0,6 mm. È conservativa per definizione e sovradimensiona pesantemente sulle catene più lunghe di circa tre anelli, perché la probabilità che ogni contributo si trovi al proprio estremo nella stessa direzione è remota.

La catena statistica (RSS) prende la radice della somma dei quadrati. Gli stessi sei elementi danno circa ±0,245 mm, meno della metà. Presuppone che i contributi siano indipendenti e distribuiti in modo approssimativamente normale, il che è ragionevole per la variabilità di lavorazione e irragionevole per la distorsione da saldatura, che ha una forte componente direzionale.

L’approccio pratico su un telaio macchina:

• Usi il caso peggiore per le catene brevi, per i giochi critici per la sicurezza e per tutto ciò in cui un singolo pezzo fuori tolleranza rende impossibile il montaggio.
• Usi il metodo statistico per catene più lunghe di variabilità di lavorazione indipendente, quando dispone di dati di processo reali.
• Non usi nessuno dei due alla cieca per la distorsione da saldatura. La distorsione non è una variabile casuale centrata sullo zero: una data sequenza di saldatura tira una data struttura in una direzione costante. La tratti come uno scostamento sistematico da eliminare in progettazione, non come una tolleranza da sommare. Le leve sono in controllare la distorsione nelle grandi strutture saldate.

La questione del sovrametallo, che è la vera catena in una struttura saldata

Per un telaio di carpenteria lavorato, la catena che più spesso crea problemi non è affatto geometrica. È la questione se resti abbastanza materiale da lavorare.

La catena: tolleranza di spessore della lamiera, più variazione di taglio, più disallineamento di assemblaggio, più distorsione da saldatura, più movimento dovuto alla distensione, rispetto al sovrametallo di lavorazione specificato. Se questa somma supera il sovrametallo in qualunque punto della superficie, l’utensile resta senza materiale e il pezzo è da scartare.

Tre millimetri di sovrametallo sono un valore predefinito comune per telai di medie dimensioni ed è adeguato per una struttura saldata con una sequenza competente. Non è adeguato per un elemento lungo e poco vincolato saldato su un solo lato, dove quattro o cinque millimetri di inflessione sono del tutto possibili.

Vale la pena farlo esplicitamente: stimi la distorsione prevista per la geometria specifica, aggiunga le tolleranze di carpenteria e verifichi che il sovrametallo le copra con margine. Dove la stima non La convince, aumenti il sovrametallo, che costa poco, oppure corregga la sequenza, che costa ancora meno.

Spendere bene il budget di tolleranza

Dato un requisito funzionale alla fine della catena, per esempio una complanarità delle guide di 0,05 mm su 3 metri, la questione è come distribuirlo.

Tre principi:

Spenda dove la sensibilità è più alta. Non ogni contributo incide allo stesso modo sul risultato. Un piccolo errore angolare alla base di un montante alto produce un grande spostamento in cima; lo stesso errore in cima non produce quasi nulla. Individui gli anelli ad alta leva e stringa quelli; allenti il resto.

Lavori nello stesso piazzamento gli elementi che devono essere in relazione. Due pattini lavorati in un solo piazzamento su una sola macchina sono complanari entro la precisione di quella macchina su quella distanza. Gli stessi due pattini lavorati in piazzamenti separati ereditano per intero l’errore tra un piazzamento e l’altro. È la decisione più efficace sul budget di tolleranza disponibile su un telaio macchina, ed è una decisione di progetto sull’orientamento degli elementi, non una decisione di specifica.

Usi la complanarità invece di planarità e posizione dei singoli elementi. Controllare un insieme di pattini come gruppo complanare esprime ciò di cui la macchina ha bisogno e lascia all’officina la libertà di ottenerlo nel modo più adatto alle sue attrezzature. Controllare individualmente l’altezza di ciascun pattino vincola troppo il problema e costa di più per un risultato funzionale peggiore. L’insieme dei controlli è trattato in GD&T e strategia dei riferimenti sulle strutture saldate.

La regolazione come strategia di tolleranza

L’altro modo per chiudere una catena è prevedere la regolazione già in progetto.

Spessori sotto le sedi delle guide, viti di spinta, supporti eccentrici, piedini regolabili e una fondazione con malta di inghisaggio assorbono l’errore accumulato al montaggio. Un telaio spessorato in piano all’installazione non ha bisogno di essere lavorato in piano con la stessa precisione, e su una struttura grande lo spessore costa enormemente meno della lavorazione.

Per questo molte macchine utensili di grandissime dimensioni hanno tolleranze modeste sulla struttura di carpenteria e tolleranze strette solo sugli elementi che non possono essere regolati. Vale il principio generale dell’analisi funzionale nello stile ASME Y14.5: controlli ciò che non si può regolare, regoli ciò che non serve controllare.

Lo scambio è tra manodopera di assistenza e costo di produzione. Per una sola macchina di solito vince la regolazione. Per cinquanta, di solito vince una precisione di lavorazione che elimina un’ora di allineamento per unità.

Una sequenza di lavoro

1. Scriva il requisito funzionale alla fine della catena, come numero.
2. Elenchi i contributi, separando la catena di lavorazione da quella di carpenteria.
3. Stimi la sensibilità del risultato a ciascun contributo.
4. Verifichi separatamente il sovrametallo di lavorazione rispetto alla catena di carpenteria.
5. Stringa i due o tre contributi principali; lasci tutto il resto a una tolleranza generale come la ISO 13920 classe B.
6. Si chieda cosa potrebbe essere regolato al montaggio invece di essere controllato in produzione.
7. Verifichi che il metodo di collaudo sia effettivamente in grado di misurare il requisito finale.

Il passo sette intercetta un numero sorprendente di disegni. Un requisito di complanarità di 0,03 mm su quattro metri non ha senso se nessuno nella catena ha un modo per misurarlo: l’incertezza di misura si mangia la tolleranza. La questione del collaudo è trattata in collaudo del primo articolo su grandi strutture saldate.

Se desidera far verificare un disegno di telaio per realismo di sovrametallo e tolleranze prima di inviarlo in quotazione, ce lo invii: la revisione torna entro 24 ore lavorative.