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Toleranzen in der CNC-Bearbeitung

Shift
Juni 25, 4:30 pm

In diesem Artikel besprechen wir Bearbeitungsgenauigkeit in Hinblick auf Zerspanung. Sie erfahren, worauf Sie bei den Toleranzangaben ihres CNC-Projekts achten müssen.

Als Toleranz definiert man den akzeptablen Bereich, in dem ein Parameter von seinem festgelegten Wert abweichen darf. Parameter können physikalisch messbare Größen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Geräuschpegel, Belastung, Sonneneinstrahlung und Geschwindigkeit, oder physikalische Dimensionen wie beispielsweise die Definition des Raumes sein.

Die Toleranz legt die zulässigen Grenzwerte eines Parameters fest. Bei Überschreitung dieser Grenzwerte wird ein Wert als fehlplatziert aufgefasst. Im Ingenieurwesen kann man Toleranzen als erlaubten Fehlergrad betrachten. Toleranzen besitzen normalerweise einen oberen Grenzwert, der die maximal erlaubte positive Abweichung angibt, und einen unteren Grenzwert, der die maximal erlaubte negative Abweichung kennzeichnet.

In der CNC-Bearbeitung verwendete Toleranzen

Der Begriff Toleranz taucht in der CNC-Fertigungstechnik in zwei verschiedenen Zusammenhängen auf: Bezüglich der CNC-Maschinen oder bezüglich der Designs für die CNC-Bearbeitung.

Im Kontext der CNC-Maschinen versteht man unter Toleranz den Grad der Maßgenauigkeit, die eine Maschine bei der Fertigung eines Bauteils erreichen kann. CNC-Maschinen sind äußerst präzise – manche CNC-Maschinen können Bauteile mit einer Genauigkeit von ± 0.0025mm herstellen. Das entspricht einem Viertel der Dicke eines menschlichen Haars. Die Toleranzen variieren jedoch von Maschine zu Maschine und werden normalerweise vom Hersteller angegeben. Eine typische durchschnittliche Toleranz ist zum Beispiel 0.02mm. CNC-Maschinenhersteller geben ihren Kunden die genauen Toleranzen ihrer Maschinen an.

Im Design und der Fertigung gibt die Toleranz den akzeptablen Abweichungsbereich der Maße des gefertigten Bauteils an, in dem das Bauteil noch voll funktionsfähig ist. Die Toleranzen werden vom Konstrukteur des Bauteils festgelegt. Sie basieren auf der Funktion, Einpassung und der Form des Bauteils. Besonders bei Bauteilen, die mit anderen Komponenten wechselwirken und zusammenpassen müssen, sind diese Toleranzen von enorm großer Bedeutung. So müssen beispielsweise Bauteile für einen Elektromotor höhere Toleranzen erreichen als Türklinken. Dies liegt daran, dass im ersten Fall viele Komponenten genau zusammenarbeiten müssen, um die Funktion des Elektromotors zu erreichen. Toleranzen werden durch einen numerischen Wert neben dem entsprechenden Maß angegeben.

Es gibt unterschiedliche Arten von Toleranzen inklusive Grenzwerten, einseitigen Toleranzen, zweiseitige Toleranzen und Toleranzsysteme, auch bekannt als Form- und Lagetoleranz (engl. (Geometric dimensioning and tolerancing GD&T).

Toleranzgrenzen

Toleranzgrenzen sind zweidimensionale Werte, die einen akzeptablen Bereich eines Parameters angeben. Der obere Grenzwert legt den maximalen akzeptablen Wert und der untere Grenzwert den minimalen akzeptablen Wert des Parameters fest. Jeder Wert zwischen diesen beiden Grenzwerten ist akzeptable. Ein Beispiel für solche Toleranzgrenzen ist 0,55 – 0,65 mm; mit 0,55 als oberem Grenzwert und 0,65 als unterem Grenzwert.

Limit tolerances for a shaft and a hole

Abbildung 1: Toleranzgrenzen für ein Schaft und ein Loch.

Einseitige Toleranzen

Bei einseitigen Toleranzen sind nur Abweichung in eine Richtung ab dem festgelegten Wert erlaubt. Die Richtung kann positiv oder negativ sein (Addition oder Subtraktion von dem festgelegten Wert). Ein Beispiel für eine einseitigen Toleranzangabe ist 1.5 mm +,000/-,005. Dies bedeutet, dass das Maß nach oben Werte von bis zu 1,505 mm annehmen darf, aber nicht unter den ursprünglich festgelegten Wert von 1,5 mm fallen darf.

Unilateral tolerances

Abbildung 2: Einseitige Toleranzen

Zweiseitige Toleranzen

Zweiseitige Toleranzen sind symmetrisch um den festgelegten Wert. Das bedeutet, dass der obere und der untere Grenzwert um den gleichen Wert von dem festgelegten Maß abweichen. Im Gegensatz zu einseitigen Toleranzen gelten zweiseitige Toleranzen sowohl in positive als auch in negative Richtung.

Form- und Lagetoleranz

Bei der sogenannten Form- und Lagetoleranz (GD&T) handelt es sich um ein ausgereiftes und komplizierteres System als die Standardangabe von Maßen und Toleranzen. Es legt nicht nur die Maße und ihre Toleranzen, sondern auch noch die genaue geometrischen Eigenschaften eines Bauteils und die daraus folgenden Toleranzen fest. Während die Standardtoleranzangabe sich mit der Form auseinandersetzt, geht die Form- und Lagetoleranz noch weiter und deckt auch geometrische Eigenschaften wie die Ebenheit, die tatsächliche Position und die Koaxialität ab.

Geometric dimensioning and tolerancing

Abbildung 3. Form- und Lagetoleranz

Tipps für die Toleranzangabe

Unter Toleranzangabe versteht man das Hinzufügen von Toleranzen zu den jeweiligen Maßangaben während dem Design des Bauteils. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Tipps für die Angabe von Toleranzen bei ihrem nächsten CNC-Projekt:

  • Toleranzen sind ein sehr wichtiger Bestandteil des Designs. Dennoch benötigen nicht alle Eigenschaften eines Bauteils Toleranzangaben. Um Maschinenzeit und Kosten zu sparen sollten Sie Toleranzen nur bei entscheidenden Eigenschaften, z.B. bei zusammenpassenden und wechselwirkenden Komponenten, angeben.
  • Vermeiden Sie unnötig enge Toleranzen. Enge Toleranzangaben führen häufig zu einer Erhöhung der Ausschussproduktion, dem Einsatz von besonderen Messwerkzeugen, zusätzlich notwendigen Fixierungen und längeren Bearbeitungszyklen. All dies führt zu höheren Bearbeitungskosten.
  • Behalten Sie beim Bestimmen ihrer Toleranzangaben auch die Toleranzfähigkeiten der CNC-Maschinen im Hinterkopf, die ihre Bauteile anfertigen werden. Wenn Sie ihre Bauteile jedoch bei Shift bestellen, müssen Sie hier nicht viel beachten. Wir haben in unserem Netzwerk über 1500 CNC-Maschinen. Das macht es uns leicht, die richtige CNC-Maschine für ihr Projekt zu finden, die ihre Toleranzen einhalten kann.

Die Schwierigkeit der Einhaltung der Toleranzen hängt stark vom Material des Werkstücks ab. Weiche Materialien machen die Einhaltung strikter Toleranzen schwieriger, da sie sich während der Maschinenbearbeitung biegen können.

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