Toleranzen in der CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung Toleranzen beziehen sich auf den zulässigen Bereich von Maß- und physikalischen Parametern, die von ihrem vordefinierten Wert abweichen können. Sie umfassen in erster Linie physikalische Abmessungen wie Höhe, Breite, Dicke, Tiefe und Winkel, schließen jedoch physikalische Parameter wie Temperatur, Spannung und Feuchtigkeit nicht aus.

Toleranz ist der zulässige Fehler bei der Bearbeitung der Teile mit CNC. Wir drücken die Toleranzen in der Obergrenze aus, die sich darauf bezieht, wie viel positive Abweichung zulässig ist.

Dieser Artikel wird decken typische Bearbeitungstoleranzen, verschiedene Toleranzarten, Einflussfaktoren, Toleranztipps und den Zusammenhang zwischen Toleranzen und Oberflächenveredelung ab.

CNC Fertigung Toleranzen

Bei der CNC-Bearbeitung gibt es zwei Toleranzkontexte: einen beim Design und einen anderen bei den Maschinen.

Designtoleranzen: Das zulässige Maß an Genauigkeit, das im Computerentwurf angegeben ist.

Maschinentoleranzen: Je nach Art der CNC-Maschine gibt es auch eigene Einschränkungen und Bereiche der erreichbaren Genauigkeit bei der Bearbeitung. Im Allgemeinen sind CNC-Maschinen in der Lage, eine Toleranz von ± 0.0025 mm einzuhalten(Fan J, 2021)

Toleranzen sind von entscheidender Bedeutung, wenn Teile später zusammengebaut werden, um ein bestimmtes Produkt herzustellen. Die Verwendung der Teile bestimmt, wie genau die Toleranzen bei CNC-Bearbeitungsprojekten sein müssen. Die Konstrukteure legten die Toleranzen basierend auf den erforderlichen Funktionen und der Passung der Teile fest. Beispielsweise weisen Küchenutensilien möglicherweise nicht die engen Toleranzen auf, die für Verteidigungs- oder Flugzeugteile gelten.

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Arten von Toleranzen

Es gibt hauptsächlich vier Arten von Toleranzen, die bei CNC-Maschinenteilen verwendet werden. Schauen wir uns jeden einzelnen genauer an.

1. Toleranzen begrenzen

Beispiel für Grenztoleranz

Grenztoleranzen sind der Bereich zweidimensionaler Werte, innerhalb dessen die Messung von CNC-bearbeiteten Teilen liegen muss. Die höhere Zahl gibt die maximal zulässige Abmessung an, und der niedrigere Wert gibt die niedrigste zulässige Abmessung an.

Wenn ein Teil beispielsweise eine Grenztoleranz (Breite) von 0.82–0.90 mm hat, liegt die akzeptable Breite zwischen 0.82 und 0.90 mm. Dieser Teil ist nicht akzeptabel, wenn die Breite bei der Herstellung nicht unter den zulässigen Bereich fällt.

2. Einseitige Toleranzen

Beispiel für einseitige Toleranzen

Einseitige Toleranzen bestimmen den Bereich der zulässigen Abmessungen nur in einer Richtung, die entweder negativ oder positiv sein kann. Wenn ein Teil beispielsweise eine Durchmessertoleranz in einem Loch von 3 mm + 0.007/- 0.00 hat, bedeutet dies, dass der Durchmesser nur von 3 auf 3.007 mm gehen kann.

Es wird in Bauteilen verwendet, die später angepasst werden müssen. Beispielsweise kommt es bei der Herstellung von Wellen zu einseitigen Toleranzen. Wenn der Wellendurchmesser etwas größer als die Lochgröße ist, passt er nicht, sodass nur die Verwendung negativer Toleranzen Zeit und Materialverschwendung spart.

3. Bilaterale Toleranzen

Im Gegensatz zu einseitigen Toleranzen erlauben bilaterale Toleranzen Fehler auf der positiven und negativen Seite in Bezug auf die Basisabmessung um den gleichen Wert. Der Basiswert kann geringfügig über oder unter dem Wert der zulässigen Messung liegen.

Beispielsweise erfordert die beidseitige Toleranz von ± 0.005 mm, dass der Hersteller das Teil herstellen muss, das nur 0.005 mm kürzer oder länger als der angegebene Wert sein darf.

4. Standardtoleranzen

Standardtoleranzen sind die am häufigsten verwendeten Toleranzen bei der CNC-Bearbeitung und anderen Metallverarbeitungsmethoden.

Dadurch kann das Produkt umfassend eingesetzt werden. Die Standardtoleranzen können je nach Art der Anforderungen variieren. Der am häufigsten verwendete Standard ist ISO 286-1:2010. Die Toleranzen variieren jedoch je nach Qualität der CNC-Maschinen. Es eignet sich zum Erstellen von Löchern, Gewinden, Rohren, Stiften und anderen Merkmalen.

Standardtoleranzen

Die Standardtoleranzen sind für Winkel- und Linearmaße, abgerundete Abschnitte, Fasen und andere definiert. Es gibt vier Klassen von Standardtoleranzen: fein, mittel, grob und sehr grob.

Alle Toleranzbereiche für jede Abmessung basieren auf den Normen EN 20286, JIS B 0401, ISO 286, ISO 1829, ISO 2768, ANSI B4.1 und ANSI B4.2.

5. Geometrische Bemaßung und Toleranzen (GD&T)

Mehr als bei jeder anderen Fertigungsmethode kommt bei der CNC-Bearbeitung in großem Umfang GD&T zum Einsatz. GD&T gewährleistet weitere Eigenschaften der Abmessungen, wie Positionierung, Ebenheit, Rundheit und Konzentrizität. Es definiert alle physischen Abmessungen des Teils, das CNC-bearbeitet werden soll.

Beispiel für GD&T

Das GD&T-System enthält verschiedene Symbole, die die geometrischen Eigenschaften des Teils definieren, wie Bezugslinie, Modifikator und Toleranzen. Es definiert nicht die Abweichung von der Basisdimension, sondern diktiert die Toleranzen in Spezifikationen. Die Verwendung von GD&T ermöglicht Hersteller für CNC-Bearbeitung um eine Vielzahl von Merkmalen innerhalb eines bestimmten Genauigkeitsbereichs zu erzeugen.

• Wahre Position: Die wahre Position eines Merkmals wird durch die Position der Bezugslinie (Referenzlinie) bestimmt. Beispielsweise könnte eine Koordinate (X, Y) die wahre Position eines Lochs beschreiben. Zu Beginn des Toleranzprozesses wird eine Bezugslinie festgelegt.
• Ebenheit: Die Ebenheitstoleranz wird durch die zwei parallelen Ebenen innerhalb der Fräsfläche definiert. Dies ist beim Fräsen von entscheidender Bedeutung, da die Belastung durch die Spannkraft zu einem Verzug führen und die Ebenheit beeinträchtigen kann.
• Zylinderform: Charakteristisch für Zylinder sind die beiden konzentrischen Zylinder, in denen das bearbeitete Loch liegen muss.
• Konzentrizität: Der kreisförmige Vorsprung bzw. die koaxiale Senkung wird durch Konzentrizität gewährleistet. Beispielsweise sind die Räder eines Autos immer konzentrisch zur Achse.
• Rechtwinkligkeit: Die Rechtwinkligkeit wird anhand der Abweichung der horizontalen Fläche zur angrenzenden vertikalen Fläche innerhalb eines CNC-bearbeiteten Teils gemessen. Die Rechtwinkligkeit trägt auch zur Regulierung der Rechtwinkligkeit bei.

Zusätzlich zu den oben genannten gibt es weitere Kriterien wie Winkligkeit, Geradheit, Parallelität und andere.

Bei der Auswahl der Toleranzen zu berücksichtigende Faktoren 

Bei der Auswahl der Toleranzen für Ihr CNC-Bearbeitungsprojekt müssen viele Dinge berücksichtigt werden. Die Präzision und andere Anforderungen der Teile bestimmen die erforderlichen Toleranzen.

Lassen Sie uns näher auf einige Schlüsselelemente eingehen, die die Wahl der Toleranzen beeinflussen.

1. Art des Materials

Die Art des für die CNC-Bearbeitung ausgewählten Materials beeinflusst die erreichbaren Toleranzen. Verschiedene Eigenschaften wie Härte, Dichte, Abrasivität, thermische Stabilität und Bearbeitbarkeit beeinflussen die Reaktionsfähigkeit, wenn Werkzeuge während der Bearbeitung Spannungen auf das Werkstück ausüben. Diese Materialeigenschaften bestimmen, wie schwierig die Bearbeitung ist und welche Toleranzen erreicht werden können.

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2. Erforderliche Leistung

Einige Komponenten, wie z. B. Ausrüstung, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, müssen äußerst genau sein.

Daher hängen Toleranzen auch von den Anforderungen des jeweiligen Teils ab. Für einige Komponenten wie Kochgeschirr, Fensterrahmen und Türgriffe sind möglicherweise keine engen Toleranzen erforderlich.

3. Kosten

Wenn Sie enge Toleranzen benötigen, sind eine fortschrittliche CNC-Maschine, angepasste Einstellungen und verschiedene Werkzeugeinstellungen erforderlich. Daher wird mehr Zeit in Anspruch genommen, um genauere Teile herzustellen, was zu hohen Kosten für das Endprodukt führt.

Kostensteigerung bei enger Toleranz

Typischerweise steigen die Produktionskosten, wenn eine Toleranz von mehr als 0.1 mm vorliegt. Daher führen engere Toleranzen zu höheren Produktionskosten.

4. Verfügbare Ressourcen für die Inspektion

Die Auswahl der Toleranzen hängt auch von der verfügbaren Technologie oder den verfügbaren Ressourcen für die Inspektion ab. Um die engen Toleranzen (geringfügige Abweichungen) zu überprüfen, sind fortschrittlichere Prüfgeräte erforderlich. Bei der Definition der Toleranz sollte die Prüfmethode berücksichtigt werden, um die Teile zu erzeugen, die in den vordefinierten Bereich fallen.

Oberflächenveredelung und Toleranzen

Eine hohe Oberflächenrauheit wirkt sich auf die Toleranzen aus, was sich auf die beabsichtigte Präzision auswirkt. Sie müssen die Rauheit korrigieren, bevor Sie die Merkmale in Teilen tolerieren. Am besten stellen Sie eine Rauheit von mindestens 63 µ für ebene oder senkrechte Flächen und 125 µ Zoll für gekrümmte Flächen ein.

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Toleranztipps für CNC-Bearbeitungsteile

Unter Toleranz versteht man den Prozess der Bemaßung der Teile mit zulässigen Fehlern. Wenn Sie Ideen zu Designtipps haben, können Sie Fehler bei Toleranzen minimieren. Lassen Sie uns einige Designtipps besprechen.

• Möglicherweise müssen nicht alle in Ihrem Design vorhandenen Merkmale tolerieren. Definieren Sie also, welche Funktionen kritisch sind und toleriert werden müssen. Beispielsweise ist die Toleranz gegenüber einem Partner oder einer Kollision wichtiger als alle anderen Merkmale.
• Vermeiden Sie die Einhaltung enger Toleranzen in nicht benötigten Teilen, da dies nicht für alle Features erforderlich ist. Unnötige Toleranzen erhöhten den Zeit- und Bearbeitungsaufwand.
• Berücksichtigen Sie beim Entwerfen der Teile die Toleranzkapazität von CNC-Maschinen. Es kann vorkommen, dass Sie die Teile manchmal mit engen Toleranzen konstruieren, was mit der verfügbaren CNC-Maschine nicht erreicht werden kann.
• Berücksichtigen Sie die Art des Materials, das Sie der Maschine zuführen. Auch die Art des Materials beeinflusst den Bereich der akzeptablen Toleranzen. Beispielsweise ist es bei weichen Materialien schwierig, enge Toleranzen einzuhalten.

So erreichen Sie engere CNC-Bearbeitungstoleranzen  

1. Verwenden Sie hochwertige Werkzeuge: Die Auswahl der richtigen Werkzeuge für die jeweilige Aufgabe ist entscheidend für das Erreichen enger Toleranzen bei der CNC-Bearbeitung. Hochwertige Werkzeuge mit scharfen Kanten und präziser Geometrie sorgen für sauberere Schnitte und verringern das Risiko einer Werkzeugablenkung.
2. Richtige Werkstückhaltung: Die Art und Weise, wie das Werkstück während des Bearbeitungsprozesses gehalten wird, kann einen großen Einfluss auf die endgültige Toleranz haben. Stellen Sie sicher, dass das Werkstück richtig eingespannt oder gesichert ist, damit es sich während der Bearbeitung nicht bewegt.
3. Optimale Schnittbedingungen: Die richtigen Schnittbedingungen wie Geschwindigkeit und Vorschub können dazu beitragen, Fehler zu reduzieren und engere Toleranzen zu erreichen. Arbeiten Sie mit Ihrem CNC-Maschinenbediener zusammen, um die besten Schnittbedingungen für jeden Auftrag zu ermitteln.
4. Arbeiten jederzeit weiterbearbeiten können. Jede Präsentation und jeder KI-Avatar, den Sie von Grund auf neu erstellen oder hochladen, gepflegte Ausstattung: Um enge Toleranzen einzuhalten, ist es wichtig, dass Ihre CNC-Maschine in gutem Zustand bleibt. Regelmäßige Wartung und Kalibrierung der Maschine können dazu beitragen, dass sie ihre optimale Leistung erbringt.
5. Werkzeugablenkung minimieren: Werkzeugablenkung kann zu erheblichen Abweichungen im Endteil führen, daher ist es wichtig, diese so weit wie möglich zu minimieren. Dies kann durch Reduzierung der Schnittkräfte, Verwendung hochwertiger Werkzeuge oder durch Anpassung des Werkzeugwegs erreicht werden.
6. Temperaturkontrolle: Das Halten von Werkstück und Werkzeug auf einer konstanten Temperatur kann dazu beitragen, Fehler zu reduzieren und die Genauigkeit des Endteils zu verbessern. Dies kann durch die Verwendung von Kühlmittel, die Kontrolle der Umgebung oder durch die Reduzierung der Bearbeitungszeit erreicht werden.
7. Verwenden Sie Simulationssoftware: Simulationssoftware kann dabei helfen, das Verhalten des Schneidprozesses vorherzusagen, sodass Sie Anpassungen vornehmen können, bevor das Teil tatsächlich bearbeitet wird. Dies kann dabei helfen, potenzielle Probleme zu erkennen und die Genauigkeit des Endteils zu verbessern.

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Fazit

Toleranzen sind ein entscheidender Faktor bei allen Arten der CNC-Bearbeitung. Es definiert die maximal zulässige Abweichung von Maßen und anderen physikalischen Eigenschaften. Die Auswahl der Toleranzen bei jedem Bearbeitungsprojekt hängt von der Kapazität der Maschinen, der gewünschten Genauigkeit und der Art des Materials ab.

Eine einfache CNC-Maschine kann in vielen Fällen die erforderlichen Toleranzen erreichen, engere Toleranzen erfordern jedoch eine fortschrittlichere Maschinen- und Werkzeugkonfiguration. Bei Prolean haben wir das modernste Mehrachsen-CNC-Ausrüstung um die hohe Genauigkeit zu liefern, die für alle Toleranzen erforderlich ist. Darüber hinaus überwachen unsere Experten aus der Qualitätskontrolle jeden Prozessschritt genau und prüfen das hergestellte Produkt. Wenn Sie uns den Entwurf zusenden, empfehlen wir dringend, alle Toleranzen anzugeben. Wir liefern die passgenauen Teile innerhalb weniger Tage an Ihre Haustür.

Häufig gestellte Fragen

Was versteht man unter Toleranzen?

Die maximal zulässige Abweichung vom Grundwert einer Abmessung oder physikalischen Eigenschaft wird als Toleranz bezeichnet. Beispielsweise beträgt bei einer Breite von 6 ± 0.05 mm der Basiswert 6 mm, während die Toleranz durch 0.05 mm dargestellt wird. Darin heißt es, dass nur Werte zwischen 5.95 und 6.05 mm zulässig sind.

Was sind die häufigsten Arten von Toleranzen?

Bei der Fertigung kommen typischerweise fünf verschiedene Arten von Toleranzen zum Einsatz: Grenztoleranz, einseitige, zweiseitige Toleranz, Standardtoleranz und geometrische Bemaßung und Toleranz (GD&T). GD&T wird jedoch am häufigsten für CNC-Bearbeitungsprojekte verwendet.

Welche Variablen beeinflussen die Wahl der Toleranzen?

Die Wahl der Toleranzen wird von verschiedenen Variablen beeinflusst, darunter der Art des Rohmaterials, den Anforderungen des Endverbrauchs, den Kosten und der Verfügbarkeit von Prüfressourcen.

Benötigen alle Teile enge Toleranzen?

Alle CNC-bearbeiteten Teile müssen keine genauen Toleranzen aufweisen. Dies hängt von der Notwendigkeit und Funktionalität der jeweiligen Komponente und Funktionen ab. Beispielsweise erfordert eine Welle außergewöhnlich enge Toleranzen, ein Türgriff jedoch nicht.