Jak określić tolerancje i chropowatość we frezowaniu CNC?

Frezowanie CNC to obróbka prowadzona według programu sterującego ruchem maszyny. Aby detal można było wykonać i skontrolować bez domysłów, rysunek musi łączyć jego funkcję z konkretnymi wymaganiami wymiarowymi, geometrycznymi i powierzchniowymi. Ciasna tolerancja nie poprawia elementu sama w sobie. Ma sens tylko wtedy, gdy wynika z pasowania, położenia części współpracujących oraz sposobu kontroli.

Wymiar funkcjonalny należy zapisać zgodnie z systemem ISO 286-1:2010, obejmującym wymiary nominalne do 3150 mm, a następnie dobrać pasowanie odpowiednie do funkcji połączenia. Wymagania konstrukcyjne trzeba oddzielić od możliwości procesu – w sprzyjających warunkach frezowanie precyzyjne pozwala uzyskać tolerancje rzędu ±0,005–±0,015 mm, ale rzeczywiście osiągalny zakres zależy od wielkości detalu, materiału, sztywności mocowania oraz klasy maszyny. Sposób odbioru należy ustalić przed rozpoczęciem produkcji: zakres kontroli i metoda pomiaru powinny być określone jeszcze na etapie projektowania, przed wyborem operacji obróbczych.

Najpierw określa się wymaganie na rysunku, później dobiera sposób obróbki i mocowania, a na końcu planuje kontrolę. Norma porządkuje zapis wymagań, obróbka ma je spełnić, a pomiar potwierdza zgodność gotowego detalu. Wymagania należy określić już na etapie przygotowania rysunku technicznego – jest to szczególnie ważne, gdy detal współpracuje z inną częścią, ma złożone powierzchnie albo powstaje jako element zamienny dla utrzymania ruchu.

Tolerancja wymiarowa i chropowatość Ra – dwa odrębne wymagania

Tolerancja wymiarowa i chropowatość Ra nie tworzą jednego uniwersalnego zestawu parametrów. Wymiar ma zapewnić prawidłową współpracę detalu z inną częścią, natomiast chropowatość dobiera się do warunków kontaktu, poślizgu, uszczelnienia lub montażu. System ISO 286-1:2010 służy do zapisu wymagań wymiarowych.

Tolerancja wymiarowa określa dopuszczalny zakres odchylenia od wymiaru nominalnego. Może dotyczyć średnic, rozstawów otworów, głębokości kieszeni, płaszczyzn bazowych oraz cech ustalających pozycję części w zespole. Powierzchnia niewspółpracująca nie wymaga zwykle takiego samego ograniczenia odchyłki jak powierzchnia prowadząca, ustalająca lub montażowa.

Ra opisuje średnią chropowatość powierzchni po obróbce. Niższa wartość oznacza gładszą strukturę, ale nie zastępuje wymagania wymiarowego ani geometrycznego. Powierzchnia może mieć właściwy wymiar, a mimo to nie zapewniać odpowiedniego kontaktu z uszczelnieniem lub elementem ślizgowym, jeżeli ślady frezowania układają się niekorzystnie. Ra należy traktować jako odrębne wymaganie funkcjonalne.

Na rysunku należy wyraźnie rozdzielić wymagania dla powierzchni roboczych i pozostałych obszarów detalu. Technolog może wtedy dobrać operację frezowania, ewentualne wykończenie oraz metodę kontroli bez narzucania jednakowo wysokich wymagań całemu elementowi.

Tolerancja wymiarowa oraz chropowatość decydują o tym, czy detal po frezowaniu spełni swoją funkcję w gotowym zespole. Odchyłka powierzchni bazowej może przesunąć kolejną część, a niewłaściwa struktura powierzchni roboczej może utrudnić przesuw, docisk albo uzyskanie szczelnego połączenia. Wymiar zgodny z dokumentacją nie gwarantuje jeszcze powierzchni odpowiedniej dla elementu ślizgowego, uszczelnianego lub mocowanego, a gładka powierzchnia nie rozwiąże problemu, gdy otwór, kieszeń albo płaszczyzna bazowa znajduje się w niewłaściwym położeniu względem reszty geometrii.

Chropowatość powinna być wskazana tam, gdzie powierzchnia przenosi ruch, docisk lub współpracuje z uszczelnieniem. Objęcie tym wymaganiem całego detalu może wymusić dodatkowe operacje wykańczające, mimo że nie poprawi działania zespołu.

Chropowatość opisuje strukturę powierzchni, a tolerancja – dopuszczalne odchylenie wymiaru lub położenia. Gdy dwie części mają do siebie pasować, samego wymiaru nominalnego i klasy dokładności zwykle nie zapisuje się osobno, lecz łączy w oznaczenie pasowania. Temu zapisowi poświęcona jest kolejna sekcja.

Pasowania, system otworu i wałka oraz klasy IT

Wymiar współpracujący rzadko zapisuje się jako pojedynczą liczbę z odchyłką. Dla otworu i wałka, które mają do siebie pasować, stosuje się zapis pasowania – na przykład H7/g6 – który łączy położenie pola tolerancji z jego szerokością i od razu określa charakter połączenia: luz, przejście albo wcisk.

Jak czytać zapis pasowania

Oznaczenie pasowania składa się z litery i liczby dla każdej z części. Litera opisuje położenie pola tolerancji względem wymiaru nominalnego, czyli odchyłkę zasadniczą – wielka litera dotyczy otworu (H, G, K, P…), mała wałka (h, g, k, p…). Liczba to klasa dokładności IT: im niższa, tym węższe pole tolerancji i mniejsza dopuszczalna odchyłka. W zapisie H7/g6 pierwszy człon opisuje otwór (pole H, klasa 7), a drugi wałek (pole g, klasa 6). Połączenie podstawowego otworu H7 z wałkiem g6 daje gwarantowany niewielki luz, typowy dla połączeń ruchowych.

System otworu i system wałka

Ten sam charakter pasowania można uzyskać na dwa sposoby. W systemie otworu (podstawowy otwór, oznaczany literą H) otwór ma stałe pole tolerancji z odchyłką dolną równą zeru, a rodzaj połączenia dobiera się przez zmianę wałka. To rozwiązanie domyślne w większości prac, ponieważ otwory trudniej i drożej obrabia się na dokładny wymiar, a wałek łatwiej dopasować. W systemie wałka (podstawowy wałek, oznaczany literą h) to wałek ma stałe pole tolerancji, a pasowanie zmienia się przez dobór otworu; stosuje się go, gdy na jednym wałku – na przykład ciągnionym na gotowo – osadza się kilka elementów o różnych pasowaniach.

Klasy dokładności IT

Klasa IT określa szerokość pola tolerancji i pośrednio wskazuje operację obróbczą potrzebną do jej uzyskania. Poniższe zestawienie pokazuje typowe zastosowania kolejnych klas:

Wartości klas IT zależą od wymiaru nominalnego. Dla przykładu, w zakresie wymiaru od 18 do 30 mm szerokość pola tolerancji wynosi około 13 µm dla IT6, 21 µm dla IT7 i 33 µm dla IT8 – dlatego klasę IT odczytuje się zawsze łącznie z zakresem wymiaru, korzystając z tablic ISO 286-2:2010.

Przykłady pasowań w systemie otworu

Najczęściej spotykaną bazą jest otwór H7. Zmieniając wałek, uzyskuje się pasowania o różnym charakterze:

Węższa klasa IT i pasowania z małym polem tolerancji podnoszą koszt wykonania – wymuszają dokładniejsze operacje (na przykład szlifowanie zamiast samego frezowania wykańczającego), staranniejsze mocowanie oraz szerszy zakres kontroli. Dlatego pasowanie dobiera się do funkcji połączenia, a nie „na zapas”. W zakładzie zgodność pasowania sprawdza się pomiarem rzeczywistych średnic otworu i wałka – między innymi na maszynie współrzędnościowej lub przyrządami warsztatowymi – i odniesieniem wyników do granic pola tolerancji, a nie tylko do wymiaru nominalnego.

Od czego zależy dokładność frezowania CNC i jakość powierzchni?

Na dokładność frezowania CNC oraz jakość powierzchni wpływają przygotowanie detalu, sztywność układu obróbkowego, stan narzędzia i sposób prowadzenia operacji. Poprawnie zapisana tolerancja nie będzie osiągana powtarzalnie, jeżeli detal przemieszcza się podczas obróbki albo narzędzie pracuje w warunkach wywołujących drgania. Przy złożonych powierzchniach swobodnych, zwłaszcza w materiałach trudnoobrabialnych, o wyborze między obróbką 3- i 5-osiową decyduje nie tylko osiągalna dokładność, lecz także jakość powierzchni i koszt wykonania.

Ustalenie i zamocowanie detalu

Zamocowanie powinno wykorzystywać powierzchnie, które jednoznacznie ustalają pozycję detalu względem narzędzia. Niewłaściwe podparcie może dopuścić do ugięcia elementu pod obciążeniem. Po zwolnieniu mocowania może ujawnić się odchyłka wymiaru lub płaskości.

Szczególnej uwagi wymagają detale z cienkimi ściankami, rozbudowanymi kieszeniami oraz powierzchniami obrabianymi z kilku stron. Technolog powinien również sprawdzić dostęp narzędzia do obszarów wskazanych na rysunku. Zmiana bazy podczas kolejnych operacji bez kontroli wzajemnego położenia powierzchni może prowadzić do niespójności całej geometrii.

Narzędzie, program i warunki skrawania

Narzędzie skrawające wpływa jednocześnie na wymiar i strukturę powierzchni. Zużyta krawędź pogarsza jakość przejścia oraz utrudnia zachowanie wymaganej geometrii, dlatego jej stan należy uwzględnić przy planowaniu operacji wykańczającej.

Istotny jest także tor ruchu zapisany w programie CNC. Powinien prowadzić narzędzie równomiernie po powierzchni i ograniczać gwałtowne zmiany kierunku tam, gdzie wymagana jest stabilna jakość. Parametry skrawania dobiera się do geometrii, sztywności układu oraz oczekiwanego wyglądu powierzchni. Pozwala to oddzielić obróbkę zgrubną od wykańczającej i ograniczyć przypadkowe ślady przejść narzędzia na powierzchniach funkcjonalnych.

Dobór wymagań do materiału i geometrii detalu

Materiał oraz geometrię detalu należy ocenić przed przypisaniem tolerancji i chropowatości. Wymagania powinny odpowiadać funkcji części i możliwościom stabilnej obróbki. Konstruktor wskazuje powierzchnie współpracujące, a technolog przekłada ich zadanie na kolejność operacji oraz sposób mocowania.

Zachowanie materiału podczas obróbki

Materiał wpływa na sposób tworzenia powierzchni, podatność na skrawanie, odprowadzanie ciepła i skłonność do powstawania zadziorów. Przy detalu podatnym na odkształcenie wymagania należy ograniczyć do powierzchni rzeczywiście funkcjonalnych, a ich obróbkę zaplanować po ustabilizowaniu elementu w mocowaniu.

W przypadku materiału o wysokiej odporności na skrawanie trzeba uwzględnić obciążenie narzędzia oraz ryzyko pogorszenia struktury powierzchni przy źle dobranym przejściu wykańczającym. Nie należy automatycznie przenosić tych samych wymagań z jednego materiału na drugi, nawet jeśli detale mają podobny kształt.

Geometria i funkcja powierzchni

Geometria detalu decyduje o tym, czy powierzchnia wymaga jedynie zachowania wymiaru, czy także kontroli położenia względem baz. Kieszenie, cienkie ścianki, głębokie powierzchnie i obszary dostępne z kilku kierunków wymagają oceny sztywności oraz możliwości dojścia narzędzia.

Dla powierzchni prowadzącej, uszczelniającej lub współpracującej z innym elementem należy określić zarówno wymiar, jak i strukturę powierzchni. Pozostałe obszary mogą otrzymać mniej rygorystyczne wymagania, jeżeli nie wpływają na montaż ani działanie części. Pozwala to uniknąć wykańczania miejsc, które nie przynosi korzyści użytkowej. Konsultacja z technologiem jest wskazana, gdy rysunek obejmuje powierzchnie cienkościenne, złożone, trudno dostępne lub współpracujące z uszczelnieniem, prowadzeniem albo elementem ustalającym.

Zapis wymagań na rysunku technicznym

Rysunek techniczny powinien jasno wskazywać, które cechy detalu pełnią funkcję roboczą i jakie wymagania trzeba spełnić podczas frezowania CNC. Zapis należy rozdzielić na wymiar nominalny, tolerancję, pasowanie, wymaganie geometryczne oraz chropowatość przypisaną do konkretnej powierzchni. System ISO 286-1:2010 porządkuje wymagania wymiarowe.

Przede wszystkim należy wskazać wymiary wpływające na montaż, pozycjonowanie lub współpracę części. Dla otworu i wałka należy zastosować system tolerancji oraz pasowanie odpowiednie do wymaganego luzu, przejścia albo wcisku. Wymagań pasowania nie należy pozostawiać wyłącznie w opisie słownym, ponieważ utrudnia to jednoznaczne przygotowanie procesu. Oto porównanie:

Chropowatość należy przypisać wyłącznie do powierzchni, dla których ma znaczenie użytkowe. Oznaczenie Ra powinno znaleźć się przy odpowiedniej płaszczyźnie, średnicy lub profilu. Jeżeli powierzchnia musi zachować położenie względem bazy, należy dodać wymaganie geometryczne i wyraźnie oznaczyć bazę odniesienia. Klasa IT jest potrzebna, gdy wymiar musi mieścić się w określonym zakresie tolerancji – dotyczy to szczególnie otworów, wałków i cech wpływających na wzajemne dopasowanie części.

Kontrola tolerancji i chropowatości gotowego elementu

Gotowy element należy sprawdzić względem wymagań z rysunku. Kontrola powinna potwierdzić zgodność wymiarów, geometrii i struktury powierzchni z funkcją części. Pomiar musi odnosić się do tych samych baz, powierzchni i cech, które przyjęto podczas projektowania oraz przygotowania obróbki.

Wyniki pomiaru CMM zależą od bazowania, geometrii i konfiguracji maszyny pomiarowej. Taki wynik nie jest automatycznym potwierdzeniem dokładności konkretnego detalu frezowanego. O zakresie kontroli decydują geometria części, sposób mocowania oraz wymagania zapisane w dokumentacji.

Kontrola wymiarów i wzajemnego położenia cech

Kontrolę wymiarową należy rozpocząć od wskazania powierzchni bazowych. Od nich zależy ocena położenia otworów, kieszeni, płaszczyzn i średnic. Metodę pomiaru dobiera się do charakteru cechy: inaczej sprawdza się prosty wymiar zewnętrzny, a inaczej położenie elementu względem kilku baz.

Należy również skontrolować cechy współpracujące, zwłaszcza gdy detal będzie osadzony, ustalony lub połączony z inną częścią. W przypadku elementu podatnego na odkształcenie niewłaściwe podparcie podczas kontroli może zmienić wynik pomiaru. Dokumentacja kontroli powinna jednoznacznie wskazywać mierzoną cechę.

Ocena struktury powierzchni

Chropowatość należy porównywać z wymaganiem przypisanym do konkretnej powierzchni, a nie oceniać wyłącznie na podstawie wyglądu całego detalu. Obszar pomiaru powinien być oczyszczony z pozostałości po obróbce i zabezpieczony przed przypadkowym uszkodzeniem powierzchni roboczej.

Pomiar wykonuje się w miejscu reprezentatywnym dla danej powierzchni, z uwzględnieniem kierunku śladów narzędzia oraz obszaru rzeczywistej współpracy części. Jeżeli wynik budzi wątpliwość, należy sprawdzić, czy przyrząd nie objął krawędzi, przejścia między operacjami albo lokalnego śladu mocowania. Pomiar chropowatości nie zastępuje kontroli wymiaru ani geometrii. Zakres kontroli należy rozszerzyć, gdy detal zawiera powierzchnie prowadzące, uszczelniające, bazowe albo cechy współpracujące z innym elementem zespołu.

Tolerancja i chropowatość muszą wynikać z funkcji danej powierzchni – nie ze standardowych wartości warsztatowych ani z nawyku zaostrzania wszystkich wymagań naraz. Zapis na rysunku, dobór operacji obróbczych i zakres kontroli tworzą spójny łańcuch: błąd lub niejednoznaczność na którymkolwiek etapie przenosi się na pozostałe. Detal wykonany zgodnie z precyzyjnie opisanym rysunkiem jest łatwiejszy do wyceny, szybszy w realizacji i jednoznaczny przy odbiorze.

Źródła

• ISO 286-1:2010 - Geometrical product specifications (GPS) - ISO code system for tolerances on linear sizes - Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits
• ISO 286-2:2010 - Geometrical product specifications (GPS) - ISO code system for tolerances on linear sizes - Part 2: Tables of standard tolerance classes and limit deviations for holes and shafts
• ISO 2768-1:1989 - General tolerances - Part 1: Tolerances for linear and angular dimensions without individual tolerance indications
• ISO 1101:2017 - Geometrical product specifications (GPS) - Geometrical tolerancing - Tolerances of form, orientation, location and run-out
• Comparative study of 3- and 5-axis CNC centers for free-form machining of difficult-to-cut material (International Journal of Production Economics, ScienceDirect)