Fertigungstoleranzen erklärt: Definition, Arten & praktische Anwendungen

Was sind Toleranzen in der Fertigung?

Im Maschinenbau legen Toleranzen die zulässige Abweichung von zugewiesenen Dimensionen fest. Die Verwendung von Toleranzen stellt sicher, dass das Endprodukt uneingeschränkt nutzbar ist, besonders wenn es Teil einer größeren Baugruppe ist.

Das Fehlen einer Toleranz in einem kritischen Bereich kann das Teil gemäß Designintent unbrauchbar machen, da jeder Fertigungsprozess ein gewisses Maß an Ungenauigkeit aufweist.

Die Festlegung einer geeigneten Toleranz stellt jedoch sicher, dass das Fertigungsunternehmen weiß, bestimmte Punkte im Produktionsprozess mit mehr Aufmerksamkeit anzugehen. Dies kann der Unterschied zwischen perfekt passenden Teilen und Schrott sein.

Was ist Toleranz im Ingenieurwesen?

Fertigungstoleranz ist die zulässige Variation in Messwerten, abgeleitet vom Basismesswert (Nennwert).

Toleranzen können auf viele verschiedene Einheiten angewendet werden. Beispielsweise können Arbeitsbedingungen Toleranzen für Temperatur (°C), Feuchtigkeit (g/m³) usw. haben. Im Maschinenbau geht es hauptsächlich um Toleranzen, die auf lineare, winklige und andere physische Dimensionen angewendet werden.

Unabhängig von der Einheit gibt eine Toleranz einen akzeptablen Messbereich vom Basispunkt (Nennwert) an. Beispiel: Sie entwerfen ein Sieb, um 3,5 mm Kieselsteine von 2,5 mm Kieselsteinen zu trennen. Die kleineren sollen durch die Löcher fallen, die größeren auf dem Sieb bleiben.

Die größeren Steine variieren zwischen 3,3 mm und 3,7 mm, die kleineren zwischen 2,3 mm und 2,7 mm. Um sicherzustellen, dass nur die kleineren, alle von ihnen, durch die Löcher fallen, während die größeren auf dem Sieb bleiben, können Sie den Nennwert für den Lochdurchmesser auf 2,8 mm festlegen. Gleichzeitig bedeutet Fertigungsgenauigkeit, dass Sie am Ende einige Löcher bei 2,6 mm haben könnten.

Die Festlegung einer Untergrenze von -0 mm und einer Obergrenze von +0,3 mm garantiert, dass alle Löcher zwischen 2,8 und 3,1 mm Durchmesser haben.

Kernaussage

Fertigungstoleranz ist der zulässige Grenzwert oder die Grenzwerte der Variation in:

• einer physischen Dimension;
• einem gemessenen Wert oder einer physikalischen Eigenschaft eines Materials, gefertigten Objekts, Systems oder Dienstes;
• anderen gemessenen Werten (wie Temperatur, Feuchtigkeit etc.);
• in Ingenieurwesen und Sicherheit, einer physischen Distanz oder einem Raum (Toleranz), wie bei einem LKW, Zug oder Boot unter einer Brücke sowie einem Zug in einem Tunnel (siehe Lichtraumprofil und Fahrzeugumgrenzungsprofil);
• im Maschinenbau dem Raum zwischen Bolzen und Mutter oder einer Bohrung etc.

Dimensionen, Eigenschaften oder Bedingungen können variieren, ohne die Funktion von Systemen, Maschinen, Strukturen etc. signifikant zu beeinträchtigen. Eine Variation über die Toleranz hinaus (z. B. eine zu hohe oder zu niedrige Temperatur) wird als nicht konform, abgelehnt oder die Toleranz überschreitend bezeichnet.

Überlegungen bei der Festlegung von Toleranzen

Ein Hauptanliegen ist die Bestimmung, wie breit Toleranzen sein dürfen, ohne andere Faktoren oder das Ergebnis eines Prozesses zu beeinflussen. Dies kann durch wissenschaftliche Prinzipien, Ingenieurwissen und Berufserfahrung erfolgen. Eine experimentelle Untersuchung ist sehr nützlich, um die Auswirkungen von Toleranzen zu untersuchen: Versuchsplanung, formale Ingenieurbewertungen etc.

Ein guter Satz von Fertigungstoleranzen in einer Spezifikation impliziert nicht automatisch, dass die Einhaltung dieser Toleranzen erreicht wird. Die tatsächliche Produktion jedes Produkts (oder der Betrieb jedes Systems) beinhaltet eine inhärente Variation von Eingangs- und Ausgangsgrößen.

Messfehler und statistische Unsicherheit sind in allen Messungen vorhanden. Bei einer Normalverteilung können die Enden der gemessenen Werte weit über plus/minus drei Standardabweichungen vom Prozessmittelwert hinausreichen. Erhebliche Anteile eines (oder beider) Enden könnten über die spezifizierte Toleranz hinausragen.

Die Prozessfähigkeit von Systemen, Materialien und Produkten muss mit den spezifizierten Fertigungstoleranzen kompatibel sein. Prozesskontrollen müssen vorhanden sein und ein effektives Qualitätsmanagementsystem, wie Total Quality Management, muss die tatsächliche Produktion innerhalb der gewünschten Toleranzen halten.

Ein Prozessfähigkeitsindex wird verwendet, um das Verhältnis zwischen Toleranzen und tatsächlicher gemessener Produktion anzuzeigen.

Die Wahl der Toleranzen wird auch durch den beabsichtigten statistischen Stichprobenplan und seine Eigenschaften wie das Akzeptanzqualitätsniveau (AQL) beeinflusst. Dies bezieht sich auf die Frage, ob Toleranzen extrem starr sein müssen (hohes Vertrauen in 100% Konformität) oder ob ein kleiner Prozentsatz an Außer-Toleranz-Teilen manchmal akzeptabel sein kann.

Arten von Toleranzen

Heute gibt es 14 Arten geometrischer Toleranzen nach Symbolanzahl und 15 Arten nach Klassifizierung.

Diese sind in Formtoleranz, Lagetoleranz, Lage Toleranz und Lauf Toleranz gruppiert, mit denen alle Formen angegeben werden können.

Folgende drei Toleranzarten werden in Messungen verwendet:

• Einseitige Toleranzen
• Beidseitige Toleranzen
• Zusammengesetzte Toleranzen.

1. Einseitige Toleranzen

Wenn die beiden Grenzmaße nur über dem Nennmaß liegen (wie in der Abbildung dargestellt) oder nur unter dem Nennmaß, dann spricht man von einseitiger Toleranz.

2. Beidseitige Toleranzen

Wenn die beiden Grenzmaße über und unter dem Nennmaß liegen, spricht man von beidseitigen Toleranzen.

3. Zusammengesetzte Toleranzen

Zusammengesetzte Toleranz wird durch die festgelegten Toleranzen bestimmt, d. h. die Kombination von mehr als einer Toleranzart wird als zusammengesetzte Toleranz bezeichnet. Die verschiedenen Toleranzarten können winklig, lateral etc. sein.

Beispiel: In der Abbildung sind Toleranzen auf Dimension l abhängig von Toleranzen von L, h und θ. Diese zusammengesetzte Toleranz auf 'l' ist der kombinierte Effekt dieser drei Toleranzen. Die minimale Toleranz auf 'l' entspricht L-b, θ+α und h+c.

FAQs

Was ist Fertigungstoleranz?

Fertigungstoleranz ist die zulässige Variation in Messwerten, abgeleitet vom Basismesswert. Toleranzen können auf viele verschiedene Einheiten angewendet werden.

Was sind die Arten von Toleranzen?

Arten von Toleranzen
1. Einseitige Toleranzen
2. Beidseitige Toleranzen
3. Zusammengesetzte Toleranzen.