Cadeia de tolerâncias em estruturas de máquinas soldadas

Uma estrutura de máquina é uma cadeia de tolerâncias, e aquilo que realmente interessa ao cliente (se o fuso está no esquadro com a mesa, se os trilhos são coplanares, se o fuso de esferas corre paralelo à guia) está no fim dessa cadeia. Cada elo contribui, e as contribuições não são iguais.

A maioria das estruturas superespecificadas é resultado de uma cadeia de tolerâncias que nunca foi analisada. O projetista ficou inseguro, apertou tudo e pagou por precisão em elos que quase não contribuíam.

Onde estão os elos em uma estrutura soldada

Uma base de máquina fabricada tem uma cadeia mais ou menos assim:

1. Planicidade e variação de espessura da chapa como entregue pela usina
2. Precisão de corte: posição do perfil e esquadro no corte a plasma, a laser ou com serra
3. Ponteamento: folgas, desalinhamentos e esquadro na montagem antes da soldagem
4. Contração e distorção de soldagem: o maior contribuinte e o menos previsível
5. Acomodação no alívio de tensões: movimento durante e após o ciclo térmico
6. Preparação da usinagem: como a peça foi apoiada e alinhada
7. Precisão de usinagem: o erro de posicionamento e geométrico da própria máquina
8. Incerteza de medição: o próprio processo de inspeção
9. Montagem: aperto dos parafusos, calços e a fundação sobre a qual a máquina se apoia

O fato estrutural importante é que os elos 1 a 5 normalmente são eliminados pelo elo 7 em qualquer característica que é usinada. Usinar uma face redefine a posição dela em relação às referências, e as tolerâncias de fabricação anteriores deixam de importar para essa característica, desde que o sobremetal tenha sobrevivido.

Essa é a ideia central para um conjunto soldado: as tolerâncias de características não usinadas e as de características usinadas vivem em cadeias diferentes. Misturá-las em uma única análise produz resultados sem sentido e, geralmente, um desenho que exige precisão em uma borda de chapa que nada referencia.

Pior caso, estatístico, e qual usar

A cadeia de pior caso (aritmética) soma os extremos de todos os contribuintes. Se seis características têm ±0,1 mm cada, o pior caso dá ±0,6 mm. É garantidamente conservadora e superdimensiona muito em cadeias com mais de cerca de três elos, porque a probabilidade de todos os contribuintes estarem no extremo, na mesma direção, é remota.

A cadeia estatística (RSS) usa a raiz da soma dos quadrados. As mesmas seis características dão cerca de ±0,245 mm, menos da metade. Ela supõe que os contribuintes são independentes e têm distribuição aproximadamente normal, o que é razoável para a variação de usinagem e não é razoável para a distorção de soldagem, que tem uma forte tendência direcional.

A abordagem prática em uma estrutura de máquina:

• Use o pior caso para cadeias curtas, para folgas críticas de segurança e para tudo em que uma única peça fora de tolerância resulta em uma montagem impossível.
• Use o estatístico para cadeias mais longas de variação de usinagem independente, quando você tem dados reais de processo.
• Não use nenhum dos dois às cegas para a distorção de soldagem. A distorção não é uma variável aleatória centrada em zero: uma dada sequência de soldagem puxa uma dada estrutura em uma direção consistente. Trate-a como um desvio a ser eliminado no projeto, não como uma tolerância a ser somada. As alavancas estão em controle de distorção em grandes conjuntos soldados.

A questão do sobremetal, que é a cadeia real de um conjunto soldado

Em uma estrutura fabricada e usinada, a cadeia que mais costuma causar problemas nem é geométrica. É se sobrou material suficiente para usinar.

A cadeia: tolerância de espessura da chapa, mais variação de corte, mais desalinhamento do ponteamento, mais distorção de soldagem, mais movimento no alívio de tensões, contra o sobremetal de usinagem que você especificou. Se essa soma superar o sobremetal em qualquer ponto da superfície, a ferramenta fica sem material e a peça vira sucata.

Três milímetros de sobremetal é um padrão comum para estruturas médias e é suficiente para um conjunto soldado com uma sequência bem planejada. Não é suficiente para um membro longo e pouco travado, soldado de um lado só, em que quatro ou cinco milímetros de empeno são perfeitamente possíveis.

Vale fazer de forma explícita: estime a distorção esperada para a geometria específica, some as tolerâncias de fabricação e verifique se o sobremetal cobre isso com margem. Onde a estimativa for desconfortável, aumente o sobremetal, o que é barato, ou corrija a sequência, o que é mais barato ainda.

Como gastar bem o orçamento de tolerância

Dado um requisito funcional no fim da cadeia, por exemplo uma coplanaridade dos trilhos de 0,05 mm em 3 metros, a questão é como distribuí-lo.

Três princípios:

Gaste onde a sensibilidade é maior. Nem todo contribuinte afeta o resultado da mesma forma. Um pequeno erro angular na base de uma coluna alta produz um grande deslocamento no topo; o mesmo erro no topo quase não produz nada. Identifique os elos de maior alavancagem e aperte esses; libere o resto.

Usine na mesma fixação as características que precisam estar relacionadas. Duas sapatas usinadas na mesma fixação, na mesma máquina, ficam coplanares dentro da precisão dessa máquina naquela distância. As mesmas duas sapatas usinadas em fixações separadas herdam todo o erro entre fixações. Essa é a decisão mais eficaz de orçamento de tolerância disponível em uma estrutura de máquina, e é uma decisão de projeto sobre a orientação das características, não uma decisão de especificação.

Use coplanaridade em vez de planicidade individual mais posição. Controlar um conjunto de sapatas como um grupo coplanar expressa o que a máquina precisa e dá à oficina liberdade para atingir isso da forma que melhor se adapta aos seus equipamentos. Controlar a altura de cada sapata individualmente restringe demais o problema e custa mais por um resultado funcional pior. O conjunto de controles é tratado em GD&T e estratégia de referências em estruturas soldadas.

Ajuste como estratégia de tolerância

A outra forma de fechar uma cadeia é prever o ajuste no projeto.

Calços sob os assentos dos trilhos, parafusos niveladores, fixações excêntricas, pés reguláveis e uma fundação grauteada absorvem o erro acumulado na montagem. Uma estrutura calçada em plano na instalação não precisa ser usinada plana com a mesma precisão, e, em uma estrutura grande, o calço é muito mais barato do que a usinagem.

É por isso que muitas máquinas-ferramenta muito grandes têm tolerâncias modestas na estrutura fabricada e tolerâncias apertadas apenas nas características que não podem ser ajustadas. Vale o princípio geral da análise funcional no estilo da ASME Y14.5: controle o que não pode ser ajustado, ajuste o que não precisa ser controlado.

A troca é entre mão de obra de serviço e custo de fabricação. Para uma máquina, o ajuste geralmente ganha. Para cinquenta, a precisão de usinagem que elimina uma hora de alinhamento por unidade geralmente ganha.

Uma sequência de trabalho

1. Escreva o requisito funcional no fim da cadeia, como um número.
2. Liste os contribuintes, separando a cadeia usinada da cadeia fabricada.
3. Estime a sensibilidade do resultado a cada contribuinte.
4. Verifique o sobremetal de usinagem contra a cadeia de fabricação, separadamente.
5. Aperte os dois ou três principais contribuintes; libere todo o resto para uma tolerância geral, como a classe B da ISO 13920.
6. Pergunte o que poderia ser ajustado na montagem em vez de controlado na fabricação.
7. Confirme que o método de inspeção consegue de fato medir o requisito final.

O sétimo passo pega um número surpreendente de desenhos. Um requisito de coplanaridade de 0,03 mm em quatro metros não tem sentido se ninguém na cadeia tem como medi-lo: a incerteza de medição engole a tolerância. A questão da inspeção é tratada em inspeção de primeira peça em grandes conjuntos soldados.

Se você quiser que um desenho de estrutura seja verificado quanto ao sobremetal e ao realismo das tolerâncias antes de ir para cotação, envie para nós: a análise volta em até 24 horas úteis.