Łańcuch tolerancji w wykonanych konstrukcjach maszyn

Rama maszyny to łańcuch tolerancji, a to, na czym klientowi naprawdę zależy, czyli czy wrzeciono jest prostopadłe do stołu, czy prowadnice są współpłaszczyznowe, czy śruba kulowa biegnie równolegle do prowadnicy, znajduje się na końcu tego łańcucha. Każde ogniwo wnosi wkład, a wkłady nie są równe.

Większość przewymiarowanych ram to skutek łańcucha tolerancji, którego nigdy nie przeanalizowano. Projektant czuł niepewność, zacieśnił wszystko i zapłacił za precyzję na ogniwach, które prawie nic nie wnosiły.

Gdzie leżą ogniwa w konstrukcji spawanej

Wykonana podstawa maszyny ma łańcuch wyglądający mniej więcej tak:

1. Płaskość i zmienność grubości blachy w stanie dostawy z huty
2. Dokładność cięcia: położenie konturu i prostopadłość z plazmy, lasera lub piły
3. Pasowanie: szczeliny, przesunięcia i prostopadłość przy montażu przed spawaniem
4. Skurcz i odkształcenia spawalnicze: największy i najmniej przewidywalny wkład
5. Relaksacja podczas odprężania: przemieszczenia w trakcie i po cyklu cieplnym
6. Ustawienie do obróbki: jak część była podparta i wyrównana
7. Dokładność obróbki: własny błąd pozycjonowania i geometryczny maszyny
8. Niepewność pomiaru: sam proces kontroli
9. Montaż: skręcanie, podkładki i fundament, na którym stoi maszyna

Istotny fakt strukturalny jest taki, że ogniwa od 1 do 5 są zwykle usuwane przez ogniwo 7 dla każdej obrabianej cechy. Obróbka powierzchni przywraca jej położenie względem baz, a tolerancje wykonania w górze łańcucha przestają mieć dla tej cechy znaczenie, pod warunkiem że naddatek przetrwał.

To kluczowa obserwacja dla konstrukcji spawanej: tolerancje cech nieobrabianych i tolerancje cech obrabianych leżą w różnych łańcuchach. Mieszanie ich w jednej analizie daje bzdury i zwykle prowadzi do rysunku z precyzją na krawędzi blachy, do której nic się nie odnosi.

Najgorszy przypadek, statystyka i którą wybrać

Łańcuch najgorszego przypadku (arytmetyczny) sumuje wartości skrajne każdego wkładu. Jeśli sześć cech ma po ±0.1 mm, najgorszy przypadek daje ±0.6 mm. Jest gwarantowanie zachowawczy i silnie przewymiarowuje przy łańcuchach dłuższych niż około trzech ogniw, bo prawdopodobieństwo, że każdy wkład leży na skrajnej wartości w tym samym kierunku, jest znikome.

Łańcuch statystyczny (RSS) bierze pierwiastek z sumy kwadratów. Te same sześć cech daje około ±0.245 mm, czyli mniej niż połowę. Zakłada, że wkłady są niezależne i w przybliżeniu o rozkładzie normalnym, co jest rozsądne dla zmienności obróbki i nierozsądne dla odkształceń spawalniczych, które mają silną tendencję kierunkową.

Praktyczne podejście na ramie maszyny:

• Stosować najgorszy przypadek dla krótkich łańcuchów, dla luzów krytycznych dla bezpieczeństwa i wszędzie tam, gdzie jedna część poza tolerancją daje zespół, którego nie da się zmontować.
• Stosować statystykę dla dłuższych łańcuchów niezależnej zmienności obróbki, gdy mają Państwo rzeczywiste dane procesowe.
• Żadnej z nich nie stosować bezmyślnie do odkształceń spawalniczych. Odkształcenie nie jest zmienną losową wyśrodkowaną w zerze: dana sekwencja spawania ciągnie daną konstrukcję w stałym kierunku. Należy traktować je jako błąd systematyczny do wyeliminowania w projekcie, a nie tolerancję do sumowania. Dźwignie opisano w artykule kontrola odkształceń w dużych konstrukcjach spawanych.

Kwestia naddatku, czyli prawdziwy łańcuch w konstrukcji spawanej

W ramie wykonanej i obrabianej łańcuch, który najczęściej dokucza, nie jest wcale geometryczny. To pytanie, czy zostało dość materiału do obróbki.

Łańcuch: tolerancja grubości blachy, plus zmienność cięcia, plus przesunięcie przy pasowaniu, plus odkształcenia spawalnicze, plus przemieszczenia przy odprężaniu, w zestawieniu z określonym naddatkiem obróbkowym. Jeśli ta suma przekracza naddatek w jakimkolwiek miejscu powierzchni, narzędzie kończy materiał, a część jest złomem.

Trzy milimetry naddatku to powszechna wartość domyślna dla ram średniej wielkości i wystarcza dla kompetentnie zaplanowanej konstrukcji spawanej. Nie wystarcza dla długiego, lekko skrępowanego elementu spawanego z jednej strony, gdzie cztery lub pięć milimetrów wygięcia jest całkowicie osiągalne.

Warto zrobić to wprost: oszacować spodziewane odkształcenie dla konkretnej geometrii, dodać tolerancje wykonania i sprawdzić, czy naddatek je pokrywa z zapasem. Jeśli oszacowanie jest niepokojące, albo zwiększyć naddatek, co jest tanie, albo poprawić kolejność, co jest jeszcze tańsze.

Mądre wydawanie budżetu tolerancji

Mając wymaganie funkcjonalne na końcu łańcucha, na przykład współpłaszczyznowość prowadnic 0.05 mm na 3 metrach, pytanie brzmi, jak je rozdzielić.

Trzy zasady:

Wydawać tam, gdzie czułość jest największa. Nie każdy wkład wpływa na wynik jednakowo. Mały błąd kątowy u podstawy wysokiej kolumny daje duże przemieszczenie na górze; ten sam błąd na górze prawie nic. Proszę zidentyfikować ogniwa o dużej dźwigni i je zacieśnić; resztę zwolnić.

Obrabiać w tym samym ustawieniu cechy, które muszą być ze sobą powiązane. Dwie podkładki obrobione w jednym ustawieniu na jednej maszynie są współpłaszczyznowe z dokładnością tej maszyny na tej odległości. Te same dwie podkładki obrobione w osobnych ustawieniach dziedziczą pełny błąd między ustawieniami. To najskuteczniejsza decyzja w budżecie tolerancji dostępna na ramie maszyny, i jest to decyzja konstrukcyjna o orientacji cech, a nie decyzja specyfikacyjna.

Stosować współpłaszczyznowość zamiast pojedynczej płaskości plus położenia. Kontrola zestawu podkładek jako grupy współpłaszczyznowej wyraża to, czego potrzebuje maszyna, i daje zakładowi swobodę osiągnięcia tego tak, jak odpowiada jego sprzętowi. Kontrola wysokości każdej podkładki z osobna nadmiernie ogranicza zadanie i kosztuje więcej za gorszy wynik funkcjonalny. Zestaw kontroli opisano w artykule GD&T i strategia baz w konstrukcjach spawanych.

Regulacja jako strategia tolerancji

Drugi sposób zamknięcia łańcucha to zaprojektowanie regulacji.

Podkładki pod oparciami prowadnic, śruby podnoszące, mocowania mimośrodowe, regulowane stopy i fundament zalewany zaprawą pochłaniają skumulowany błąd przy montażu. Rama wyrównana podkładkami przy instalacji nie musi być obrobiona na płasko z taką samą precyzją, a w dużej konstrukcji podkładka jest dramatycznie tańsza od obróbki.

Dlatego wiele bardzo dużych obrabiarek ma skromne tolerancje na konstrukcji wykonanej i ciasne tylko na cechach, których nie da się wyregulować. Obowiązuje ogólna zasada z analizy funkcjonalnej w stylu ASME Y14.5: kontrolować to, czego nie da się wyregulować, regulować to, czego nie trzeba kontrolować.

Kompromis to praca serwisowa kontra koszt produkcji. Przy jednej maszynie zwykle wygrywa regulacja. Przy pięćdziesięciu zwykle wygrywa precyzja obróbki, która eliminuje godzinę ustawiania na sztukę.

Sekwencja robocza

1. Zapisać wymaganie funkcjonalne na końcu łańcucha jako liczbę.
2. Wypisać wkłady, oddzielając łańcuch obróbki od łańcucha wykonania.
3. Oszacować czułość wyniku na każdy wkład.
4. Sprawdzić naddatek obróbkowy względem łańcucha wykonania osobno.
5. Zacieśnić dwa lub trzy najważniejsze wkłady; resztę zwolnić do tolerancji ogólnej, takiej jak ISO 13920 klasa B.
6. Zapytać, co można wyregulować przy montażu zamiast kontrolować w produkcji.
7. Potwierdzić, że metoda kontroli faktycznie potrafi zmierzyć końcowe wymaganie.

Krok siódmy wyłapuje zaskakująco wiele rysunków. Wymóg współpłaszczyznowości 0.03 mm na czterech metrach jest bez znaczenia, jeśli nikt w łańcuchu nie ma sposobu, by go zmierzyć: niepewność pomiaru pochłania tolerancję. Kwestię kontroli opisano w artykule kontrola pierwszej sztuki dużych konstrukcji spawanych.

Jeśli chcą Państwo, aby rysunek ramy został sprawdzony pod kątem naddatku i realności tolerancji przed wysłaniem do wyceny, prosimy przesłać go tutaj: przegląd wraca w ciągu 24 godzin roboczych.