Toleranties optellen bij gelaste machineconstructies

Een machineframe is een keten van toleranties, en waar de klant werkelijk om geeft (of de spindel haaks op de tafel staat, of de geleidingen in één vlak liggen, of de kogelomloopspindel evenwijdig aan de geleidebaan loopt) staat aan het einde van die keten. Elke schakel draagt bij, en niet elke schakel evenveel.

De meeste overgespecificeerde frames zijn het gevolg van een tolerantieketen die nooit is geanalyseerd. De ontwerper voelde zich onzeker, maakte alles nauwer en betaalde voor precisie op schakels die vrijwel niets bijdroegen.

Waar de schakels zitten bij een gelaste constructie

Een gelaste machinebasis heeft een keten die er grofweg zo uitziet:

1. Vlakheid en diktevariatie van de plaat zoals geleverd door de walserij
2. Snijnauwkeurigheid: contourpositie en haaksheid na plasma, laser of zaag
3. Passen en hechten: naden, verzet en haaksheid bij het samenstellen vóór het lassen
4. Laskrimp en vervorming: de grootste en minst voorspelbare bijdrage
5. Ontspanning door spanningsarm gloeien: beweging tijdens en na de thermische cyclus
6. Opspanning bij het verspanen: hoe het onderdeel werd ondersteund en uitgelijnd
7. Bewerkingsnauwkeurigheid: de eigen positioneer- en geometriefout van de machine
8. Meetonzekerheid: het inspectieproces zelf
9. Montage: vastbouten, opvullen met vulplaatjes, en de fundering waarop de machine staat

Het belangrijke structurele feit is dat schakels 1 tot en met 5 voor elk bewerkt kenmerk meestal door schakel 7 worden weggenomen. Het bewerken van een vlak zet de positie ervan ten opzichte van de referenties opnieuw vast, en de fabricagetoleranties daarvoor worden voor dat kenmerk irrelevant, mits de bewerkingstoeslag het heeft overleefd.

Dat is het kerninzicht bij een lasconstructie: toleranties op onbewerkte kenmerken en toleranties op bewerkte kenmerken zitten in verschillende ketens. Ze in één analyse mengen levert onzin op, en meestal een tekening die precisie voorschrijft op een plaatrand waarnaar niets verwijst.

Worst case, statistisch, en welke u gebruikt

Worst-case-optelling (rekenkundig) telt de uitersten van elke bijdrage op. Als zes kenmerken elk ±0,1 mm hebben, geeft worst case ±0,6 mm. Dat is gegarandeerd conservatief en het overdimensioneert sterk bij ketens van meer dan ongeveer drie schakels, omdat de kans dat elke bijdrage tegelijk in dezelfde richting op haar uiterste zit, zeer klein is.

Statistische optelling (RSS) neemt de wortel uit de som van de kwadraten. Dezelfde zes kenmerken geven ongeveer ±0,245 mm, minder dan de helft. Deze methode gaat ervan uit dat de bijdragen onafhankelijk en ongeveer normaal verdeeld zijn, wat redelijk is voor variatie bij het verspanen en onredelijk voor lasvervorming, die een sterke richtingsafhankelijkheid heeft.

De praktische aanpak bij een machineframe:

• Gebruik worst case voor korte ketens, voor veiligheidskritische spelingen en voor alles waarbij één onderdeel buiten tolerantie een samenstel oplevert dat niet te bouwen is.
• Gebruik statistisch voor langere ketens van onafhankelijke bewerkingsvariatie, als u echte procesgegevens heeft.
• Gebruik geen van beide blindelings voor lasvervorming. Vervorming is geen toevalsvariabele rond nul: een bepaalde lasvolgorde trekt een bepaalde constructie steeds in dezelfde richting. Behandel haar als een afwijking die u wegontwerpt, niet als een tolerantie die u optelt. De hefbomen staan in vervorming beheersen bij grote lasconstructies.

De vraag van de bewerkingstoeslag, de echte keten bij een lasconstructie

Bij een gelast en bewerkt frame is de tolerantieketen die het vaakst problemen geeft helemaal niet geometrisch. Het gaat erom of er genoeg materiaal over is om te verspanen.

De keten: diktetolerantie van de plaat, plus snijvariatie, plus verzet bij het passen, plus lasvervorming, plus beweging door spanningsarm gloeien, afgezet tegen de bewerkingstoeslag die u heeft gespecificeerd. Is die som ergens op het vlak groter dan de toeslag, dan loopt de frees uit materiaal en is het onderdeel afgekeurd.

Drie millimeter toeslag is een gangbare standaard voor middelgrote frames en volstaat voor een lasconstructie met een bekwaam geplande lasvolgorde. Het volstaat niet voor een lang, licht ingeklemd onderdeel dat aan één kant wordt gelast, waar vier of vijf millimeter kromming heel goed haalbaar is.

Het is de moeite waard dit expliciet te doen: schat de verwachte vervorming voor de specifieke geometrie, tel de fabricagetoleranties op, en controleer of de toeslag dat met marge dekt. Is de schatting ongemakkelijk, verhoog dan de toeslag (goedkoop) of verbeter de lasvolgorde, wat nog goedkoper is.

Het tolerantiebudget goed besteden

Bij een functionele eis aan het einde van de keten, zeg een coplanariteit van de geleidingen van 0,05 mm over 3 meter, is de vraag hoe u die verdeelt.

Drie principes:

Besteed waar de gevoeligheid het hoogst is. Niet elke bijdrage beïnvloedt de uitkomst evenveel. Een kleine hoekfout aan de voet van een hoge kolom geeft bovenaan een grote verplaatsing; dezelfde fout bovenaan geeft vrijwel niets. Bepaal de schakels met de grootste hefboom en maak die nauwer; laat de rest vrij.

Bewerk kenmerken die met elkaar samenhangen in dezelfde opspanning. Twee opsluitvlakken die in één opspanning op één machine worden bewerkt, liggen over die afstand in één vlak binnen de nauwkeurigheid van die machine. Dezelfde twee vlakken in aparte opspanningen bewerkt, erven de volledige fout van opspanning tot opspanning. Dit is de meest effectieve beslissing over het tolerantiebudget die bij een machineframe beschikbaar is, en het is een ontwerpbeslissing over de oriëntatie van kenmerken, geen specificatiebeslissing.

Gebruik coplanariteit in plaats van afzonderlijke vlakheid plus positie. Een set opsluitvlakken beheersen als coplanaire groep drukt uit wat de machine nodig heeft en geeft het bedrijf de vrijheid om dat te bereiken zoals het bij zijn uitrusting past. De hoogte van elk vlak afzonderlijk beheersen, legt het probleem te veel vast en kost meer voor een slechter functioneel resultaat. De beheersingsset wordt behandeld in GD&T en referentiestrategie bij gelaste constructies.

Afstelling als tolerantiestrategie

De andere manier om een keten te sluiten, is de afstelling in het ontwerp op te nemen.

Vulplaatjes onder de geleidingszittingen, stelschroeven, excentrische bevestigingen, verstelbare voeten en een ondergoten fundering vangen allemaal opgestapelde fouten op bij de montage. Een frame dat bij de installatie met vulplaatjes vlak wordt gesteld, hoeft niet met dezelfde precisie vlak te worden bewerkt, en bij een grote constructie is het vulplaatje veel goedkoper dan de bewerking.

Daarom hebben veel zeer grote werktuigmachines bescheiden toleranties op de gelaste constructie en nauwe toleranties alleen op kenmerken die niet kunnen worden afgesteld. Het algemene principe van een functionele analyse in de stijl van ASME Y14.5 geldt: beheers wat niet kan worden afgesteld, stel af wat niet beheerst hoeft te worden.

De afweging is montagearbeid tegenover productiekosten. Bij één machine wint afstelling meestal. Bij vijftig wint meestal de bewerkingsprecisie die per exemplaar een uur uitlijnen bespaart.

Een werkbare volgorde

1. Schrijf de functionele eis aan het einde van de keten op, als getal.
2. Zet de bijdragen op een rij en scheid de bewerkte keten van de gelaste keten.
3. Schat de gevoeligheid van de uitkomst voor elke bijdrage.
4. Controleer de bewerkingstoeslag apart tegen de fabricageketen.
5. Maak de twee of drie belangrijkste bijdragen nauwer; laat al het andere over aan een algemene tolerantie zoals ISO 13920 klasse B.
6. Vraag wat bij de montage kan worden afgesteld in plaats van in de productie te worden beheerst.
7. Controleer of de inspectiemethode de uiteindelijke eis werkelijk kan meten.

Stap zeven vangt verrassend veel tekeningen. Een coplanariteitseis van 0,03 mm over vier meter is zinloos als niemand in de keten een manier heeft om die te meten: de meetonzekerheid slokt de tolerantie op. De inspectievraag wordt behandeld in eerste-artikelinspectie bij grote lasconstructies.

Wilt u een frametekening laten controleren op een realistische toeslag en toleranties voordat hij voor offerte de deur uitgaat, stuur hem dan in: de controle komt binnen 24 werkuren terug.