Der richtige Umgang mit Toleranzen

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1 Der richtige Umgang mit Toleranzen INNEO Hausmesse Toleranzen 2 GPS-Strategie 3 Geometrietoleranzen 4 Toleranzanalyse 5 Zusammenfassung Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen

2 1 Toleranzen Seite 2

3 Toleranzen Toleranz / tolerieren kommt von tolerare [lat.] seit 16. Jahrhundert: ertragen, durchstehen, aushalten seit 18. Jahrhundert: duldsam, nachsichtig, großzügig If they can do it, so can we. seit 19. Jahrhundert: zulässige Abweichung vom Normwert Engineering tolerance ist die zulässige Abweichung in einem Produkt, welche die Funktion wie beabsichtigt gewährleistet. Toleranzen garantieren die Funktion! Seite 3

4 Toleranzen Abweichungen sind in der Fertigung nicht vermeidbar Viele Ursachen während des Fertigungsprozesses: elastische und plastische Deformationen durch Bearbeitungskräfte Schwingungen nicht konstante Schnittgeschwindigkeiten Verschleiß von Werkzeug und Maschine Ungenauigkeiten durch Führungen Freisetzen von Eigenspannungen zeitabhängiges Werkstoffverhalten Temperaturschwankungen Zufallsbedingt! D.h. die einzelnen Ursachen treten unabhängig voneinander auf. Voraussetzung für statistische Toleranzrechnung Seite 4

5 Toleranzen Warum sind Toleranzen heute wichtiger als früher? Früher: Große Fertigungstiefe lokale Fertigung Know-how bezüglich Funktion in Fertigung vorhanden Konzentration auf Maßtoleranzen alte Zeichnungen enthalten keine oder nur sehr wenige FuL-Toleranzen Heute: Geringe Fertigungstiefe globale Fertigung unbekannte bzw. wechselnde Fertigungsstätten häufig kein Know-how in Fertigung bezüglich Funktion vorhanden eindeutige und vollständige Produktspezifikation erforderlich Seite 5

6 Toleranzen Man unterscheidet zwischen Maß-Abweichungen Geometrische Abweichungen - Form - Richtung - Position - Lauf Oberflächen-Abweichungen Makroabweichungen Mikroabweichungen Oberflächenstruktur => Mikrogestalt ideale Gestalt ideales Maß 60 59,9 54,12 Istmaß tatsächliche Gestalt => Makrogestalt Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 6

7 Toleranzen So genau wie nötig, nicht so genau wie möglich! nötig orientiert sich an der Funktion möglich orientiert sich an der Fertigung Welche Toleranzwerte sind nötig? Der erforderliche Toleranzwert ist abhängig von: dem Maßmerkmal GPS-Strategie dem Tolerierungsprinzip den Geometrietoleranzen Form- und Lagetoleranzen der Maßkette (Anordnung der Maße) Toleranzanalyse Seite 7

8 2 GPS-Strategie Maßmerkmale GPS-Normen Tolerierungsprinzipien Seite 8

9 GPS-Strategie Die ISO definiert: Maßelemente z.b. Zylinder oder zwei parallele Flächen Maßmerkmale jedes Maßelement hat ein Maßmerkmal z.b. Zweipunktmaß oder Gauß in ISO sind 14 Maßmerkmale definiert Kleinste Quadrate Gauß Zweipunktmaß Ohne Zeichnungsangabe: Zweipunktmaß ist gültig Geometrie dadurch nicht definiert Geometrietoleranzen deshalb erforderlich Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 9

10 GPS-Strategie Geometrische Produktspezifikation (GPS) Vollständige Produktbeschreibung als Ziel Normung in durchgehenden und kompatiblen Normenketten GPS-Matrix: - Fundamentale GPS-Normen - Globale GPS-Normen - Allgemeine GPS-Normen - Ergänzende GPS-Normen Neue Normen sind Bestandteil des GPS-Konzepts Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 10

11 GPS-Strategie Fundamentale GPS-Normen Grundregeln und Verfahren für GPS Bemaßung und Tolerierung Globale GPS-Normen Normen, die GPS-Normen behandeln und beeinflussen Allgemeine GPS-Normenkette 1. Maß 2. Abstand 3. Radius 4. Winkel 5. Form einer Linie (bezugsunabhängig) 6. Form einer Linie (bezugsabhängig) 7. Form einer Oberfläche (bezugsunabhängig) 8. Form eine Oberfläche (bezugsabhängig) 9. Richtung 10. Lage 11. Rundlauf 12. Gesamtlauf 13. Bezüge 14. Oberflächenrauheit 15. Oberflächenwelligkeit 16. Grundprofil 17. Oberflächenfehler 18. Kanten Ergänzende GPS-Normen Toleranzen für bestimmte Fertigungsverfahren 1. Spanen 2. Gießen 3. Schweißen 4. Thermoschneiden 5. Kunststoffformen 6. Metallischer und anorganischer Überzug 7. Anstrich Geometrienormen für Maschinenelemente 1. Gewindeteile 2. Zahnräder 3. Keilwellen Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 11

12 GPS-Strategie Fundamentale GPS-Normen ISO 8015: GPS-Grundlagen - Konzepte, Prinzipien und Regeln Legt die grundlegenden Konzepte, Prinzipien und Regeln für GPS fest. Die in dieser Norm angegebenen Regeln gelten in allen Fällen. Globale GPS-Normen ISO 1: Referenztemperatur für geometrische Produktspezifikation und -prüfung Legt die Referenztemperatur die geometrische Produktspezifikation und Prüfung auf 20 C fest. Die in dieser Norm angegebene Festlegung gilt für alle Fälle. Allgemeine GPS-Normen ISO 1101: Tolerierung von Form, Richtung, Ort und Lauf Enthält die grundlegende Information für die geometrische Tolerierung von Werkstücken. Alle in den fundamentalen und globalen GPS-Normen angegebenen Regeln gelten zusätzlich zu den in ISO 1101 besonders angegebenen Regeln. Ergänzende GPS-Normen ISO : Allgemeintoleranzen für Längen- und Winkelmaße Legt zulässige Toleranzen für Maße ohne individuelle Toleranzeintragungen fest. Alle in den fundamentalen, globalen und allgemeinen GPS-Normen angegebenen Regeln gelten zusätzlich zu den in ISO besonders angegebenen Regeln. Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 12

13 GPS-Strategie Allgemeine GPS-Normenkette 1. Zeichnungsangaben 2. Theoretische Definitionen 3. Definition der Kenngrößen 4. Ermittlung der Abweichungen 5. Anforderungen an Messeinrichtungen 6. Kalibrieranforderungen Beispiel DIN EN ISO 1101 viele Normen für Bemaßung und Tolerierung Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 13

14 GPS-Strategie Das Tolerierungsprinzip definiert den Zusammenhang zwischen Maß- und Geometrietoleranzen. Unabhängigkeitsprinzip Geometrietoleranzen sind unabhängig von Maßtoleranzen Hüllprinzip Geometrietoleranzen sind abhängig von Maßtoleranzen Maße nach ISO Maße nach ISO E Ø10,2 Ø10,4 Ø10,2 0,2 Maximum Material Virtual Maß Die Hülle mit Maximum Material Maß darf nicht verletzt werden Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 14

15 3 Geometrietoleranzen Mit PTC creo Mit GD&T Advisor Seite 15

16 Geometrietoleranzen Geometrietoleranz mit PTC creo Symbol (nur als Bild in Zeichnung) Geometrische Toleranz (mit 3D-Modell verknüpft) Seite 16

17 Geometrietoleranzen Bezüge mit PTC creo Symbol (nur als Bild in Zeichnung) Bezugsebene oder Bezugsachse (mit 3D-Modell verknüpft) Seite 17

18 Geometrietoleranzen Geometrietolerierung mit PTC creo Fehlerhafte Eintragungen möglich Seite 18

19 Geometrietoleranzen Geometrietolerierung mit dem GD&T Advisor Integrierte Creo-Anwendung Erstellt arteigene GD&T-Anmerkungselemente in Creo Verwendet eine intuitive und leicht zu bedienende Oberfläche Seite 19

20 Geometrietoleranzen GD&T-Advisor: Oberfläche Mit dem GD&T Advisor sind nur gültige Optionen für gegebene Features möglich. Für jede Entscheidung ist eine In-Line-Hilfe verfügbar. Empfehlung Seite 20

21 Geometrietoleranzen GD&T-Advisor: Oberfläche Kontextabhängiger Zugang zu In-Line-Hilfe Hinweise auf unvollständige und falsche Angaben Seite 21

22 Geometrietoleranzen GD&T-Advisor: Beispiel vollständig bestimmte Bezüge (grün) nicht bestimmt (grau) nicht vollständig bestimmt (gelb) ein Freiheitsgrad (Drehung um B) Seite 22

23 4 Toleranzanalyse Maßkette Mit PTC Creo Mit CETOL Seite 23

24 Toleranzanalyse Maßketten entstehen durch a) Verknüpfung mehrerer geometrischer Eigenschaften am Einzelteil b) Zusammenfügen von Bauteilen zu einer Montagebaugruppe a) Einzelteil b) Baugruppe h M 0=? 5 25 M =? 0 Eine Maßkette ist die Aneinanderreihung von untereinander unabhängiger Einzelmaße und dem von ihnen abhängigen Schlussmaß bzw. Schließmaß, die bei schematischer Darstellung einen geschlossenen Linienzug bilden. Seite 24

25 Toleranzanalyse Maßkette M 3 M 2 M 1 M 0 M 2 M M 3 M 4 M 5 M 4 M 5 M 0 Positiv: Maße größer Schließmaß größer Negativ: Maße größer Schließmaß kleiner Maße in einer Richtung: 1D-Maßketten (linear) Flankenspiel Maße in zwei Richtungen: 2D-Maßketten Maße in drei Richtungen: 3D-Maßketten Beispiel: Flankenspiel an Zahnrädern - Achsabstand-, Zahndicken-, Flankenlinienabweichung Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 25

26 Toleranzanalyse 2D-Maßkette in lineare Maßketten zerlegen M ,85 M0 M5 15 Horizontale Maßkette + M2 M3 50 M0,H M0,V 20 M4 50 M0,H M6 M1 15 M2 15 M3 80 Vertikale Maßkette _ + M1 M4 Schließmaß: M = M + M , H 0, V M5 M0,V Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 26

27 Toleranzanalyse Toleranzanalysen mit Maßtoleranzen sind heute Stand der Technik Beispiel: M0 10 Schließmaß: Abstand zwischen Scheibe und Gehäuse disc bolt Maßkette: _ housing , ,1-0, ,1-0,1 Einfluss der Geometrietoleranzen? M0 = 10 Arithmetische Toleranzzone: T A = 0.6 mm Statistische Toleranzzone: T S = 0.34 mm Normalverteilung ±3σ Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 27

28 Toleranzanalyse Berücksichtigung der Geometrietoleranzen sind nicht Stand der Technik Beispiel: Einfluss der Rechtwinkligkeitsabweichung auf das Schließmaß Zeichnung Toleranzzone Einfluss auf Schließmaß A 0.4 A Passung? mit Geometrietoleranzen mehrdimensionalen Maßketten Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 28

29 Toleranzanalyse Toleranzanalyse mit PTC creo Nur Maße (keine Geometrietoleranzen) Nur lineare Maßkette möglich Maßparameter für Maßkette müssen vorhanden sein Seite 29

30 Toleranzanalyse Toleranzanalyse mit CETOL 6σ CETOL 6σ ist voll integriert in PTC creo Verwendet modellierte Bauteile für die Erstellung eines Rechenmodells 1d bis 3d Toleranzanalyse möglich (worst case und statistisch) Beratende Informationenwährend des Modellierungsprozesses Baugruppenbedingungen: und mehr Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 30

31 Toleranzanalyse Sensitivität CAD-Model Bedingungen Ergebnisse Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen Seite 31

32 5 Zusammenfassung Seite 32

33 Zusammenfassung It is estimated that 80% of manufacturing issues are directly related to improper use of GD&T. Quelle: Sigmetrix Warum ist der Umgang mit Toleranzen so schwierig? Umfangreiches Know-How bezüglich GPS erforderlich Eindeutige und vollständige Produktbeschreibung ist sehr aufwändig Falsche Toleranzen können nicht durch Toleranzwerte kompensiert werden Unterschiedliches Niveau in Konstruktion, Fertigung und Messtechnik Aus- und Weiterbildung bezüglich Tolerierung unzureichend Warum sind integrierte Toleranzanalysen nicht Stand der Technik? 3D-Toleranzanalysen sind sehr komplex (Software erforderlich) Toleranzexperten erforderlich Maßparameter für Toleranzanalyse mit CETOL erforderlich Seite 33

34 Zusammenfassung Warum gibt es heute immer noch Zeichnungen? Voraussetzung für die papierlose Fabrik : Alle Informationen der Zeichnung am 3D-Modell Hindernisse: Normen umfangreiche Normen für 2D-Zeichnungen, aber nicht für 3D-Tolerierung CAD-Systeme 3D-Tolerierung wesentlich aufwändiger Einschränkungen vorhanden Unterschied zwischen ASME und ISO Anwender Bemaßung und Tolerierung in 2D einfacher als in 3D Seite 34

35 Vielen Dank Prof. Dr.-Ing. Horst Haberhauer Umgang mit Toleranzen