Se vi è mai capitato di ricevere una partita di componenti che non riuscivate proprio ad assemblare, sapete bene quanto possa costare un prodotto difettoso tolleranze delle lamiere può essere.
Alla ShincoFab lavoriamo ogni mese tonnellate di acciaio grezzo e alluminio. Ho trascorso anni a lavorare in officina, in piedi tra le nostre taglierine laser e le presse piegatrici, correggendo disegni tecnici errati. Ho visto con i miei occhi cosa rende un progetto economico da realizzare e ho osservato le squadre di montaggio colpire letteralmente con i martelli i componenti che si rompevano sulla linea di assemblaggio.
In questa guida vi mostrerò esattamente come impostare le tolleranze in base a ciò che funziona davvero nella nostra officina. Imparerete l’unica norma ISO che dovete effettivamente utilizzare, come evitare la “trappola della verniciatura a polvere” e un semplice accorgimento progettuale per garantire che i vostri componenti si incastrino perfettamente ogni singola volta.
Smettila di tirare a indovinare sui tuoi progetti. Leggi questo articolo e scoprirai come rendere i tuoi componenti più facili da produrre e molto più economici da acquistare.
Cosa sono le tolleranze nella lavorazione della lamiera?
Nel settore manifatturiero nulla è perfetto al 100%.
Ogni volta che un laser da 10.000 watt taglia o una pressa piegatrice da 100 tonnellate piega un pezzo di metallo, si verificherà una minima differenza rispetto al disegno originale. A tolleranza è il margine di errore dimensionale ammissibile durante il processo di produzione.
Il margine di manovra nella produzione
Pensa alla tolleranza come al margine di manovra del tuo progetto.
Potreste chiederci di tagliare un pezzo di acciaio lungo esattamente 10 pollici. In realtà, la macchina potrebbe tagliarlo a 10,01 pollici o a 9,99 pollici.
- Se la misura rientra nei tuoi margini di tolleranza, il pezzo va bene.
- Se non rientra nei parametri, il pezzo finisce nel cestino degli scarti.
È fondamentale stabilire il giusto margine di tolleranza. Ciò garantisce che i componenti finali si incastrino perfettamente senza costringere il produttore a lavorare a un ritmo impossibilmente lento.
Lavorazione della lamiera vs. Lavorazione meccanica
Ho notato che i progettisti commettono sempre lo stesso grave errore. Progettano i componenti in lamiera esattamente come se fossero pezzi lavorati a CNC. Non si può fare.
Lavorazione meccanica è un processo sottrattivo che consiste nel ricavare una forma da un blocco solido di materiale in uno spazio altamente controllato. Ciò consente di ottenere una precisione estrema e microscopica.
Fabbricazione di lamiere è un processo completamente diverso che prevede il taglio di lamiere piane e la loro compressione con pesanti matrici a V per ottenere le piegature.
Quando si esegue questa operazione, il metallo si allunga e si deforma, ma tende naturalmente a tornare alla sua forma originale. A causa di questo allungamento e di questa resistenza, la lamiera piegata richiede uno spazio di manovra molto maggiore rispetto a un blocco solido lavorato a macchina.
Esigere una precisione perfetta, quasi meccanica, su un pezzo di metallo piegato rende la produzione disordinata, lenta ed estremamente costosa.
Perché è importante prestare attenzione alle tolleranze
Se ti limiti a tirare a indovinare quando disegni, ti ritroverai ad affrontare due enormi problemi. Tutto si riduce al tempo e ai soldi.
Incubi da montaggio
Immaginate di aprire una scatola di componenti appena fabbricati. Sembrano perfetti. Ma quando provate a fissare il coperchio alla base con i bulloni, i fori non combaciano per una frazione di pollice.
Non si possono avvitare le viti a forza. Si prende un trapano per allargare i fori, rovinando la verniciatura. La produzione si ferma completamente.
Questo è il classico incubo dell'assemblaggio. Di solito si verifica perché un progettista ha dimenticato che il metallo piegato subisce delle deformazioni durante la produzione. Tolleranze ben studiate evitano questo grattacapo. Garantiscono che i componenti si incastrino facilmente, fin dal primo utilizzo.
Il fattore costo
Tolleranze irrealistiche sono il modo più veloce per prosciugare il proprio budget.
Quando richiedi una precisione estrema e superflua, il tuo produttore è costretto a modificare il proprio modo di lavorare. Ecco cosa succede dietro le quinte nel nostro stabilimento:
- Le macchine devono funzionare a velocità inferiori.
- I lavoratori dedicano del tempo in più alla misurazione manuale dei pezzi utilizzando calibri digitali.
- Componenti perfettamente funzionanti vengono gettati nel cestino dei rottami solo perché presentano una minima imperfezione.
Alla fine sei tu a pagare per tutto quel tempo in più e per il materiale sprecato. Il preventivo aumenta, ma il pezzo non funziona affatto meglio.
In realtà, un errore comune commesso dai progettisti fa schizzare alle stelle il prezzo quasi all’istante. Si tratta semplicemente di un unico, minuscolo numero su un progetto.
Il costo della regola dello zero: come un eccesso di tolleranza manda all’aria i bilanci
L'errore più costoso che si possa commettere in un disegno è quello che io chiamo la “regola del costo zero”.
Se desideri una semplice staffa realizzata in alluminio 5052, potresti specificare una tolleranza di ±0,1 per la larghezza. Qualsiasi macchina standard è in grado di raggiungere facilmente tale valore.
Ma poi decidi di andare sul sicuro. Aggiungi un piccolo zero al tuo disegno. Modifichi la tolleranza da ±0,1 a ±0,01.
Quel singolo zero ha appena raddoppiato il prezzo. Perché? Perché hai spinto il nostro team al panico. Per raggiungere quella cifra esorbitante, devono superare tre ostacoli che comportano costi elevati:
- Non possono utilizzare punzoni standard e devono acquistare utensili su misura.
- Devono far funzionare i loro macchinari a passo d'uomo.
- Il nostro tecnico addetto al controllo qualità deve fermarsi e ispezionare manualmente ogni singolo componente utilizzando costosi strumenti di misura.
La verità è che la maggior parte dei componenti in lamiera non richiede mai quel livello di perfezione. Una scatola metallica che contiene un circuito stampato non richiede lo stesso livello di precisione di un motore a reazione. Lasciate ai vostri componenti il maggior margine di tolleranza possibile, pur nel rispetto della sicurezza.
Quali sono i 3 tipi principali di tolleranze nella lavorazione della lamiera?
Prima di poter inserire i valori corretti nel disegno, devi sapere cosa stai effettivamente misurando. Esistono tre tipi principali di tolleranze nella lavorazione della lamiera: tolleranze del materiale, tolleranze dimensionali e tolleranze angolari.
Tolleranze dei materiali
Ancor prima che il laser entri in contatto con il pezzo, il metallo grezzo presenta già una leggera imperfezione.
La maggior parte delle persone pensa che una lamiera d’acciaio di calibro 11 (3 mm) abbia uno spessore esatto di 3 mm. Ma non è così. Quando le fabbriche laminano grandi bobine di metallo, lo spessore varia naturalmente da lotto a lotto. Ci è capitato di ricevere singole lamiere che erano visibilmente più spesse su un bordo rispetto all’altro.
Prima di fare qualsiasi altra cosa, è necessario tenere conto di questa variazione naturale del materiale.
Tolleranze dimensionali
Questo è quello che userai di più. Tolleranze dimensionali controllare le dimensioni in piano delle tue feature. Nello specifico, definiscono le seguenti misure chiave:
- La lunghezza e la larghezza complessive del pezzo.
- Il diametro esatto dei fori praticati.
- La distanza tra un bordo e un foro.
Se queste misure sono troppo strette, il prezzo aumenta. Se sono troppo larghe, i bulloni di fissaggio non entreranno.
Tolleranze angolari
Piegare il metallo è una vera e propria battaglia. Un tolleranza angolare determina quanto la tua macchina si avvicini alla piegatura perfetta.
Se avete bisogno di un angolo di 90 gradi, la macchina potrebbe in realtà raggiungere 89,5 gradi o 90,5 gradi. È necessario concedere al produttore un margine di tolleranza di uno o due gradi. In caso contrario, i nostri operatori impiegheranno ore a regolare manualmente la pressa piegatrice solo per raggiungere il valore esatto da voi richiesto.
Che cos’è la norma ISO 2768 sulle tolleranze delle lamiere?
Non è necessario specificare una tolleranza personalizzata per ogni singola linea del disegno. Ciò richiede troppo tempo e rende il disegno troppo affollato.
Gli ingegneri utilizzano invece uno standard internazionale denominato ISO 2768. Considerala come una linea di riferimento universale. Basta inserire una nota nel disegno e il sistema imposta automaticamente le regole per l'intera parte.
La classe Medium (m)
La norma ISO è suddivisa in diversi livelli di precisione. Per la lamiera, basta tenere conto di uno solo: il Classe media (m).
Questa è la regola d'oro per il codice 95% di tutti i ricambi commerciali. Garantisce il perfetto equilibrio tra qualità e costo.
Basta inserire la dicitura “Tolleranze generali: ISO 2768-m” in un angolo del disegno. Questa semplice nota indica alla nostra officina di utilizzare le impostazioni standard delle macchine. In questo modo otterrete rapidamente pezzi funzionali ed eviterete di pagare prezzi maggiorati.
Se state preparando i vostri disegni e avete bisogno dei dati di riferimento precisi, ecco le tolleranze lineari e angolari standard per la classe ISO 2768-m:
ISO 2768-m Tolleranze lineari:
| Lunghezza nominale (mm) | Tolleranza (mm) |
|---|---|
| da 0,5 a 3 | ± 0,1 |
| Da 3 a 6 | ± 0,1 |
| Da 6 a 30 | ± 0,2 |
| Da oltre 30 a 120 | ± 0,3 |
| Da oltre 120 a 400 | ± 0,5 |
| Da oltre 400 a 1000 | ± 0,8 |
ISO 2768-m Tolleranze angolari:
| Lunghezza della gamba più corta (mm) | Tolleranza |
|---|---|
| Fino a 10 | ± 1° |
| Da oltre 10 a 50 | ± 0°30′ (± 0,5°) |
| Da oltre 50 a 120 | ± 0°20′ (± 0,33°) |
| Da oltre 120 a 400 | ± 0°10′ (± 0,16°) |
Quando ignorare lo standard
Lo standard non dovrebbe applicarsi a tutto in assoluto. Ignoratelo quando una caratteristica specifica è fondamentale per il vostro assemblaggio.
- Un foro deve essere perfettamente allineato con un circuito stampato personalizzato?
- Una linguetta deve inserirsi perfettamente in una fessura?
Quando una caratteristica è davvero importante, le si assegna una tolleranza specifica e più ristretta. È proprio qui che GD&T (Dimensionamento geometrico e tolleranze) entra in gioco. Anziché applicare regole rigide in ogni caso, si utilizzano le indicazioni GD&T, come ad esempio specificare il posizione reale di quei fori di montaggio fondamentali oppure il planarità di una superficie di accoppiamento — per controllare solo ciò che conta.
Queste indicazioni GD&T personalizzate avranno sempre la precedenza rispetto allo standard generale ISO 2768-m. Assegnate tolleranze strette e controlli geometrici solo alle caratteristiche che ne hanno realmente bisogno.
In che modo il tuo processo di produzione cambia le regole del gioco
Il tuo progetto sembra perfetto sullo schermo del computer, ma le diverse macchine di lavorazione modificano il metallo in modi molto diversi tra loro.
Taglio laser vs. punzonatura
Quando tagliamo il vostro metallo piatto, di solito utilizziamo un laser o una punzonatrice. Questi strumenti funzionano in modo diverso. Il laser utilizza un calore estremo per tagliare l’acciaio, mentre la punzonatrice si avvale della forza fisica pura.
Selezione dei materiali è l'allungamento e la deformazione fisici che si verificano attorno a un foro quando una punzonatrice fa abbattere con forza un pesante utensile in acciaio sul metallo. Bisogna mettere in conto questi minuscoli spostamenti. Il calore e la forza fisica lasciano sempre un segno.
Deformazione ed effetto di ritorno elastico
Ritorno a molla è la tendenza naturale del metallo piegato a raddrizzarsi parzialmente una volta eliminata la pressione esercitata dalla pressa piegatrice.
Quando una pressa piegatrice di grande potenza esercita una pressione verso il basso per piegare un pezzo di metallo, il metallo oppone resistenza. Non vuole rimanere piegato. Ogni tipo di metallo torna alla forma originale in modo diverso. Un pezzo di Acciaio inox 304 resiste molto meglio rispetto all’alluminio 5052 standard.
Un bravo operatore piegherà il metallo leggermente oltre l'angolo desiderato, contando sul fatto che torni esattamente all'angolo richiesto. Ma non è mai una scienza esatta. Bisogna lasciare un margine per questa variazione naturale.
Anche se il tuo pezzo è stato tagliato e piegato alla perfezione, c’è un passaggio finale che rovina più pezzi dalle dimensioni perfette di qualsiasi altra cosa: la finitura.
Non dimenticare la vernice: le finiture fanno la differenza
Hai progettato il pezzo perfetto. L'officina lo ha tagliato in modo impeccabile. Le piegature sono precise. A quel punto, lo mandi a verniciare.
La trappola della verniciatura a polvere
Rivestimento in polvere è un processo di finitura che prevede la cottura di uno spesso strato di plastica liquida direttamente sulle superfici metalliche.
Questo spessore aggiuntivo è la “trappola della verniciatura a polvere” in cui cadono tanti progettisti. In genere, la verniciatura a polvere aggiunge circa 2-3 mil (da 0,05 a 0,08 mm) per superficie. Stiamo parlando di aggiungere materiale a ogni singola superficie del vostro componente.
Se il foro ha una tolleranza molto stretta, la vernice ne ridurrà il diametro. Se c'è una linguetta metallica destinata a scorrere in una fessura, la vernice la renderà troppo spessa per poterla inserire.
Per risolvere il problema, avete due opzioni. Dovete chiederci di tappare quei fori critici prima di verniciare, oppure dovete progettare i fori un po’ più grandi fin dall’inizio.
Perché gli assemblaggi in lamiera si guastano?
Accumulo di tolleranza è l’accumulo progressivo di minuscoli errori di produzione, singoli e isolati, che si verificano lungo diverse piegature o elementi di un singolo pezzo. È la causa più insidiosa del fallimento dei vostri assemblaggi.
Come si sommano gli errori su curve multiple
Il vostro produttore potrebbe rispettare alla perfezione le vostre tolleranze in ogni singola fase, ma i vostri componenti non si incastreranno comunque a causa di questo effetto di sovrapposizione.
Quando si realizza una scatola metallica con coperchio piatto, il laser traccia i fori di montaggio sulla lamiera piana con estrema precisione.
Ma la scatola stessa è piegata in una determinata forma. I fori di montaggio sulla scatola si trovano su flange separate da tre o quattro pieghe diverse. Se ogni piega presenta uno scostamento anche solo di una minuscola frazione di grado, quegli errori si sommano. Si accumulano.
Quando la macchina esegue la piegatura finale, la posizione del foro si è spostata. Il coperchio, perfettamente piatto, non sarà più allineato con la scatola piegata. Ti ritroverai con un bullone in mano che non riuscirai a inserire nel foro.
Non è possibile eliminare completamente questo errore di curvatura. Tuttavia, è possibile ricorrere a un ingegnoso accorgimento progettuale per renderlo del tutto irrilevante.
La strategia "Slot" per un montaggio senza problemi
Il Strategia per le slot machine è la tecnica di progettazione che prevede l'uso di fessure ovali allungate al posto dei fori rotondi standard per il montaggio degli elementi di fissaggio.
Quando si utilizza una fessura allungata, si crea direttamente nel pezzo stesso uno spazio di manovra fisico. Ecco esattamente come la “Strategia della fessura” risolve il problema dell’impilamento e salva la situazione:
- Se una curva è leggermente fuori asse, la posizione del foro si sposta naturalmente.
- Poiché il foro è ovale, il bullone riesce comunque a passarci attraverso.
- Garantite che i vostri componenti si incastrino perfettamente sulla linea di assemblaggio senza alcuna difficoltà.
Si tratta di un semplice accorgimento progettuale. Elimina completamente il problema delle tolleranze cumulative.
Le fessure sono un modo geniale per aggirare il sistema e semplificare l’assemblaggio. Tuttavia, esistono alcune altre caratteristiche comuni della lamiera per le quali vigono regole rigide che non è assolutamente possibile aggirare.
Schede riassuntive di progettazione: orli, arricciature e svasature
Oltre ai fori di montaggio, esistono alcune altre caratteristiche comuni della lamiera soggette a regole rigide. Se le ignori, i tuoi pezzi si deformeranno o si romperanno.
Regole per la svasatura
Svasatori sono fori a forma di cono praticati nel metallo che consentono alle teste delle viti di aderire perfettamente alla superficie.
Sono bellissimi, ma devi tenerli lontani dalle pieghe. Se posizioni una svasatura troppo vicino a un bordo piegato, il metallo si allungherà durante la piegatura. Il foro perfettamente rotondo si deformerà assumendo una brutta forma ovale. La vite non entrerà mai. Mantieni sempre le svasature ad una distanza pari ad almeno tre volte lo spessore del materiale da qualsiasi piega.
Orli e riccioli
Orli e riccioli sono bordi metallici ripiegati su se stessi per nascondere gli spigoli vivi e rendere le parti sicure al tatto.
Ma non si può semplicemente piegare il metallo fino a renderlo completamente piatto. Se si schiaccia troppo l’orlo, il metallo si romperà proprio in corrispondenza della giuntura. Il risultato sarà orribile e perderà tutta la sua resistenza.
È necessario assegnare agli orli e alle arricciature un raggio interno minimo. Una buona regola è quella di far corrispondere lo spazio interno allo spessore del metallo stesso. Ciò garantisce la resistenza del materiale e ne previene la formazione di crepe.
Conclusione
Ogni officina di lavorazione utilizza macchinari diversi. Non puoi dare per scontato che ti leggano nel pensiero. Che tu scelga di collaborare con il nostro team di ShincoFab o con un altro produttore, poni al tuo fornitore queste tre semplici domande prima di effettuare un ordine:
- “Utilizzate tolleranze bilaterali standard?” Assicurati di parlare la stessa lingua matematica. Verifica che il loro valore predefinito sia una variazione con segni pari (più e meno).
- “Qual è la tua detrazione predefinita per la curvatura?” Ogni pressa piegatrice deforma il metallo in modo leggermente diverso. Chiedete loro di fornirvi i valori specifici, in modo che i vostri calcoli del disegno in piano corrispondano effettivamente alle loro attrezzature (ad esempio, in linea con il loro fattore K).
- “È necessario tenere conto della verniciatura a polvere, o devo farlo io?” Chiarire chi è responsabile del controllo dello spessore della vernice. Risolvere la questione prima che i pezzi entrino nel forno.
Quando poni queste domande, avvii un dialogo. Riesci a individuare errori che potrebbero costare caro prima ancora che qualcuno tagli un solo foglio di lamiera.
Appendice: Tabelle di riferimento sulle tolleranze della lamiera
Le tabelle di riferimento riportate di seguito riuniscono i dati relativi alle tolleranze delle norme ISO 2768, JIS B 0408/0410 e degli standard di settore in un'unica guida di consultazione rapida. Utilizzatele insieme al vostro disegno per verificare che ogni dimensione rientri in un intervallo che le attrezzature standard di officina siano in grado di raggiungere in modo affidabile.
Il PDF in appendice tratta cinque argomenti:
- ISO 2768 Tolleranze generali — Tolleranze lineari, angolari, di rettilineità/planarità, di perpendicolarità, di simmetria e di smussatura per tutte e quattro le classi di precisione (f, m, c, v).
- Tolleranze delle caratteristiche di fabbricazione — Impostazioni predefinite basate sulle caratteristiche (bordo smussato rispetto al foro, bordo sagomato rispetto al foro, lungo le pieghe, pezzo sagomato nel suo complesso) sia in mm che in pollici, in base agli standard industriali ASM EF-001.
- Tolleranze di lavorazione e taglio a pressione — Tolleranze relative alla punzonatura, alla piegatura, alla trafilatura e alla larghezza di taglio per grado (JIS B 0408 / JIS B 0410), comprese la rettilineità e la perpendicolarità delle lamiere tranciate.
- Tabella degli spessori dei materiali — Spessore nominale e tolleranze bilaterali per i calibri da 3 a 30 su cinque materiali: acciaio laminato a caldo, acciaio laminato a freddo, acciaio zincato, acciaio inossidabile e alluminio.
- Tolleranze delle lamiere in acciaio inossidabile — Dimensioni (lunghezza/larghezza), curvatura, planarità e tolleranze standard relative allo spessore per lamiere in acciaio inossidabile laminate a freddo (standard industriale ATI).
