07.05.2019 в 20:53   3dmodeller

Допуск размера. Основы геометрических размеров и допусков (GD & T) в 3d печати

Производимые изделия отличаются по размеру и размерам от оригинальной модели САПР из-за различий в производственных процессах. Чтобы оптимально контролировать и передавать эти изменения, инженеры и производители используют символический язык, называемый GD & T, сокращение от Geometric Dimensioning and Tolerancing.

GD & T сообщает партнерам по производству и инспекторам допустимое отклонение в пределах сборки продукта и стандартизирует способ измерения этого отклонения.

В этом руководстве рассказывается о системе GD & T, чтобы упростить обмен информацией о дизайне как в традиционном, так и в цифровом производстве.

Читайте дальше, чтобы узнать о:

  • Основные принципы GD & T
  • Различные допуски символов
  • Тематическое исследование, демонстрирующее использование GD & T с Solidworks и реальным применением продукта

Ограничения терпимости перед GD & T

До GD & T производственные характеристики были определены по областям XY. Например, при сверлении монтажного отверстия отверстие должно было находиться в пределах указанной области XY.

Точная спецификация допусков, однако, будет определять положение отверстия по отношению к предполагаемому положению, при этом принятой областью является круг. Допуск XY оставляет зону, в которой проверка могла бы дать ложный отрицательный результат, потому что, хотя отверстие не находится в квадрате XY, оно попадало бы в описанную окружность.

Стэнли Паркер, инженер, который разрабатывал военно-морское оружие во время Второй мировой войны, заметил этот провал в 1940 году. В связи с необходимостью рентабельного производства и соблюдением сроков он разработал новую систему с помощью нескольких публикаций. Однажды зарекомендовав себя как лучший метод эксплуатации, новая система стала военным стандартом в 1950-х.

В настоящее время стандарт GD & T определен Американским обществом инженеров-механиков ( ASME Y14.5-2018 ) для США и ISO 1101-2017 для остального мира. Это касается в основном общей геометрии изделия, в то время как другие стандарты описывают специфические особенности, такие как шероховатость поверхности, текстура и резьба.

Зачем внедрять процессы GD & T?

При наличии функциональных сборок, изделий из нескольких деталей или деталей со сложной функциональностью крайне важно, чтобы все компоненты хорошо работали вместе. Все соответствующие варианты и функции должны быть указаны таким образом, чтобы как можно меньше влиять на производственный процесс и связанные с ним инвестиции, при этом гарантируя функциональность. Ужесточение допусков в два раза может увеличить затраты в два или даже больше из-за более высоких показателей брака и смены инструментов. GD & T — это система, которая позволяет разработчикам и инспекторам оптимизировать функциональность без увеличения затрат.

Наиболее важным преимуществом GD & T является то, что система описывает замысел проекта, а не саму полученную геометрию. Как вектор или формула, это не фактический объект, а его представление.

Например, элемент, стоящий под углом 90 градусов к базовой поверхности, может быть допущен по его перпендикулярности к этой поверхности. Это определит две плоскости, разнесенные друг от друга, в которых должна находиться центральная плоскость объекта. Или, при сверлении отверстия, имеет смысл допустить его с точки зрения совмещения с другими элементами.

Описать геометрию продукта, связанную с его предполагаемой функциональностью и производственным подходом, в конечном итоге проще, чем описывать все в линейных измерениях. Он также предоставляет инструмент связи с производителями, клиентами, а также инспекторами качества.

При правильной работе GD & T даже позволяет осуществлять статистический контроль процессов (SPC), снижая количество брака продукции, сбои сборки и усилия, необходимые для контроля качества, экономя организации значительные ресурсы. В результате несколько отделов могут работать параллельно, поскольку у них есть общее видение и язык того, чего они хотят достичь.

Как работает GD & T

На технических чертежах должны быть указаны размеры всех элементов детали. Рядом с размерами необходимо указать значение допуска с минимальным и максимальным допустимым пределом. Допуск — это разница между минимальным и максимальным пределом. Например, если у нас есть стол, который мы принимаем с высотой от 750 мм до 780 мм, допуск будет 30 мм.

 

Тем не менее, допуск для таблицы подразумевает, что мы принимаем стол, высота которого 750 мм с одной стороны и 780 мм с другой, или имеет волнистую поверхность с отклонением 30 мм. Таким образом, чтобы правильно допустить продукт, нам нужен символ, обозначающий замысел дизайна плоской верхней поверхности. Поэтому мы должны включить дополнительный допуск на плоскостность в дополнение к общему допуску на высоту.


Детали с непредсказуемыми вариациями и сложными формами требуют практики GD & T за пределами простого допуска плюс-минус.

Аналогичным образом, цилиндр с допустимым диаметром не обязательно будет помещаться в его отверстие, если цилиндр слегка согнут в процессе производства. Следовательно, он также нуждается в контроле прямолинейности, который было бы трудно связать с допуском плюс-минус. Или труба, которая должна легко соответствовать сложной поверхности, к которой она приваривается, требует контроля профиля поверхности.

 

GD & T создает библиотеку символов для передачи таких замыслов дизайна, которые мы обсудим в следующем разделе.

Динамические сборки, такие как эта протезная рука, требуют точных допусков.

Искусство допусков означает определение только правильных вариантов для всех конкретных конструктивных особенностей, чтобы максимизировать скорость одобрения продукта в пределах производственных процессов и в зависимости от визуального и функционального назначения детали.

В метрической системе существуют классы международных допусков (IT), которые также могут использоваться для определения допусков с помощью символов. Например, символ 40H11 означает отверстие диаметром 40 мм со свободной посадкой. Затем производителю нужно только просмотреть базовую таблицу для элементов отверстий, чтобы получить точное значение допуска.

Помимо индивидуальных допусков, инженеры должны учитывать эффекты системного уровня. Например, когда деталь выходит со всеми размерами в максимально допустимом значении, она все еще отвечает общим требованиям, таким как вес продукта и толщина стенки? Это называется Максимальным условием материала (MMC), тогда как его аналогом является Условие наименьшего материала  (LMC).

Допуски также складываются. Если мы создадим звено цепи, где каждое отверстие имеет допуск 0,1 мм, а каждый вал — отрицательный допуск 0,1 мм, это означает, что мы все равно примем разницу в длине 20 мм на 100 звеньев. При установке повторяющихся элементов, таких как перфорированный рисунок отверстия, сначала расположите рисунок, а затем укажите взаимосвязанные расстояния, а не привязывайте элементы к фиксированному краю или плоскости детали.

Стандарты относятся не только к дизайнерам и инженерам, но также и к инспекторам качества, информируя их о том, как измерять размеры и допуски. Использование специальных инструментов, таких как цифровые микрометры и штангенциркули, измерители высоты, поверхностные пластины, циферблатные индикаторы и координатно-измерительная машина (CMM) важны для практики допусков.

При измерении и определение части, геометрия существует в концептуальном пространстве называется Датум опорной системы (DRF). Это сравнимо с системой координат в начале пространства в программах трехмерного моделирования. Опорная точка — это точка, линия или плоскость, которая существует в DRF и используется в качестве отправной точки для измерения. Убедитесь, что вы определили базовые элементы, относящиеся к функциональности вашей детали. Если вы не соединяете элементы одной детали с другими в сборке, вы часто можете использовать одну базовую точку. Всегда следите за тем, чтобы основной элемент данных имел надежное местоположение для получения других измерений, например, там, где конечная часть будет иметь небольшие непредсказуемые отклонения.

Руководство по толерантности GD & T

Технический чертеж должен точно передавать продукт без добавления ненужных сложностей или ограничений. Следующие рекомендации полезны для рассмотрения:

  • Четкость рисунка является наиболее важной, даже в большей степени, чем ее точность и полнота. Чтобы улучшить четкость, нарисуйте размеры и допуски за пределами границ детали и примените к видимым линиям в истинных профилях, используйте однонаправленное направление считывания, передайте функцию размеров детали, группы и / или ступенчатых измерений и используйте пустое пространство.

  • Всегда разрабатывайте максимально допустимый допуск, чтобы снизить затраты.

  • Используйте общий допуск, определенный в нижней части чертежа для всех размеров детали. Определенные более жесткие или более свободные допуски, указанные на чертеже, затем заменят общие допуски.

  • Сначала допустить функциональные особенности и их взаимосвязь, а затем перейти к остальной части.

  • По возможности, оставляйте работу GD & T специалистам по производству и не описывайте производственные процессы в техническом чертеже.

  • Не указывайте угол в 90 градусов, поскольку это предполагается.

  • Размеры и допуски действительны при 20 ° C / 101,3 кПа, если не указано иное.

Допустимые символы

GD & T основывается на функциях, каждая функция определяется различными элементами управления. Они делятся на пять групп:

 

  • Элементы управления формой определяют форму объектов, в том числе:

    • Прямолинейность делится на прямолинейность линейного элемента и прямолинейность оси.

    • Плоскостность означает прямолинейность в нескольких измерениях, измеренную между самой высокой и самой низкой точками на поверхности.

    • Круглость или округлость можно описать как прямолинейность, изогнутую в круг.

    • Цилиндричность — это в основном плоскостность, изогнутая в бочку. Он включает в себя прямолинейность, округлость и конусность, что делает проверку дорогостоящей.

  • Профили управления описывают трехмерную зону допуска вокруг поверхности:

    • Линия профиля сравнивает двухмерное поперечное сечение с идеальной формой. Зона допуска определяется двумя кривыми смещения, если не указано иное.

    • Профиль поверхности создается через две смещенные поверхности, между которыми должна падать поверхность элемента. Это сложный контроль, обычно измеряемый с помощью ШМ.

  • Элементы управления ориентацией относятся к размерам, которые варьируются под углами, в том числе:

    • Угловатость является плоскостность под углом к опорной точки и также определяется с помощью двух опорных плоскостей разнесены значение допуска друг от друга.

    • Перпендикулярность означает плоскостность под углом 90 градусов к опорной точке. Он определяет две совершенные плоскости, между которыми должна лежать характерная плоскость.

    • Параллелизм означает прямолинейность на расстоянии. Параллельность для осей может быть определена путем определения цилиндрической зоны допуска путем размещения символа диаметра перед значением допуска.

  • Элементы управления местоположением определяют местоположения объектов с использованием линейных размеров:

    • Положение — это расположение элементов относительно друг друга или опорных точек и наиболее часто используемый элемент управления.

    • Концентричность сравнивает местоположение оси объекта с базовой осью.

    • Симметрия гарантирует, что нецилиндрические детали одинаковы в базовой плоскости. Это сложный контроль, обычно измеряемый с помощью ШМ.

  • Элементы управления биением определяют величину, на которую конкретная функция может изменяться по отношению к базовым точкам :

    • Круговое биение используется, когда необходимо учитывать множество различных ошибок, таких как установленные на шарикоподшипниках детали. Во время осмотра деталь вращается на шпинделе, чтобы измерить отклонение или «колебание» вокруг оси вращения.

    • Общее биение измеряется по нескольким точкам поверхности, и не только описывает биение кругового элемента, но и всей поверхности. Это контролирует прямолинейность, профиль, угловатость и другие варианты.

Стандарты ANSI и ISO используют эти общие символы для управления допусками.

 

Рамка управления функциями

«Элемент управления фреймом» — это обозначение для добавления элементов управления на чертеж. Крайний левый отсек содержит геометрическую характеристику. В приведенном выше примере это элемент управления местоположением, но он может содержать любой из символов элемента управления. Первый символ во втором отсеке указывает форму зоны допуска. В этом примере это диаметр, а не линейный размер. Число указывает на допустимое отклонение.

Рядом с полем допусков имеются отдельные поля для каждого базового элемента, на который ссылается элемент управления. Здесь будет измеряться местоположение, связанное с базовыми данными B и C. Рядом с допуском или базовым элементом находится дополнительная буква в кружке, модификатор объекта.

Возможны следующие возможности:

  • M означает, что допуск применяется в максимальном условии материала (MMC)

  • L означает, что допуск применяется в условиях наименьшего материала (LMC)

  • U указывает на неравный двусторонний допуск, то есть для допуска 1 мм он может указывать его как минус 0,20 и плюс 0,80.

  • P означает, что допуск измеряется в зоне прогнозируемого допуска на заданном расстоянии от базовой точки.

  • Никакой символ не устанавливает допуск независимо от размера элемента (RFS)

В этом примере, если деталь не находится в MMC, допуск на бонус может быть добавлен пропорционально отклонению от MMC. Поэтому, если деталь находится на 90% MMC, допуск также снизится на 10%.

Допуски в 3D-печати

Многие дизайнеры и инженеры продукта используют 3D-печать при создании прототипов и разработке продуктов для производства экономичных прототипов и нестандартных деталей, которые в противном случае потребовали бы значительных инвестиций в инструментальные средства.

Допуски в 3D-печати отличаются от традиционных производственных инструментов, поскольку 3D-печать — это единый автоматизированный процесс. Более жесткие допуски могут потребовать больших усилий на этапе проектирования, но могут привести к значительной экономии времени и затрат при создании прототипов и производстве.

Стереолитографические (SLA) 3D-принтеры, такие как Formlabs Form 3, обладают высокой точностью и точностью и предлагают широкий спектр инженерных материалов , от высокотемпературной смолы для изготовления пресс-форм до смолы, предназначенной для того, чтобы выдерживать высокие нагрузки и деформации или выдерживать износ с течением времени. Загрузите нашу техническую документацию» Engineering Fit: Оптимизация дизайна для функциональных печатных сборок 3D », чтобы получить конкретные рекомендуемые проектные допуски для жестких и долговечных смол Formlabs.

Используя настольную 3D-печать, инженеры и дизайнеры могут самостоятельно создавать детали и прототипы сложных сборок, экономя время и затраты на каждом этапе разработки продукта.

GD & T Case Study

Большинство инструментов САПР, предназначенных для машиностроения, таких как SolidWorks, Autodesk Fusion 360, AutoCAD, SolidEdge, FreeCAD, CATIA, NX, Creo и Inventor, предлагают интеграцию GD & T при создании технических чертежей. Тем не менее, проектировщики по-прежнему должны устанавливать допуски вручную, принимая во внимание возможные отклонения, возникающие в процессе производства. В следующем примере мы покажем пример использования GD & T в SolidWorks.

Этот конкретный проект направлен на производство 50 000 бутылочных крышек путем литья под давлением. Мы хотим контролировать чувство и силу, с которой крышки будут помещаться на бутылку, и, следовательно, требовать хороших допусков. Мы хотим не допустить, чтобы некоторые крышки были больше по внешнему диаметру, чем бутылки, в то время как другие меньше, и вместо этого сохраняли постоянную посадку.

Резьба бутылки имеет наружный диаметр 36,95 ± 0,010 мм. Это означает, что пределы внутреннего диаметра колпачка составляют 36,985 и 37,065 мм при среднем значении 37,0 мм.

Крышка также имеет специальные отверстия для соединения с осью, которая установлена под плоской поверхностью. Это позволяет открывать бутылку одной рукой, пока она висит под поверхностью шкафа для хранения. Ось является стандартным компонентом OEM из нержавеющей стали с диаметром 4 мм и допуском 0,13 мм (0,005 дюйма). Для плотного соединения нам требуется принудительная посадка с допуском от -0,0375 до 0,0125 мм. Здесь мы находим диапазон от 3,99 до 4,01 мм для диаметра отверстия, что приводит к силовой посадке для всех размеров осей. Поскольку это такой узкий диапазон, мы решили указать отверстие 3,85 мм, а затем просверлить его до точного 4,00 мм, что также контролирует концентричность двух отверстий.

Этот колпачок с несколькими сопряженными функциями требует геометрических размеров и допусков.

Чтобы правильно контролировать наши размеры, нам нужно использовать данные. Элемент данных должен представлять сопряженные элементы и функции сборки, плюс он должен быть стабильным, воспроизводимым и доступным. В этом случае сопряжение колпачка и узкого места является наиболее важным, поэтому мы выбираем внутреннюю цилиндрическую поверхность колпачка в качестве основного элемента. Вторичная функция спаривание с монтажной поверхностью, поэтому мы выбираем плоские верхнюю часть колпачка в качестве вторичного элемента данных.

 

После рассмотрения требования реализация допусков GD & T в Solidworks работает следующим образом. Укажите базовые значения в DimXpert> Схема автоматического измерения и выберите опцию Геометрический, а не допуск Плюс / Минус. Затем выберите базовые элементы и элементы для управления на основе базовых данных. После завершения схемы измерений добавьте отдельные геометрические допуски и символы GD & T. Программное обеспечение автоматически генерирует размеры для элементов размера (FOS), таких как отверстия и выступы. Обязательно выберите «двусторонний» или «предел» в качестве типа допуска для объектов, где плюсы и минусы не одинаковы.

Выбор опорных точек и элементов для геометрических допусков в Solidworks.

 

Чтобы импортировать эти допуски в технический чертеж, сначала проверьте FeatureManager, для которого используются плоскости, в папке «Аннотации». При импорте видов из этих плоскостей в чертеж отметьте «Импорт аннотаций» и «Аннотации DimXpert». Добавление соответствующего вида в разрезе значительно прояснит чертеж.

Правильно допущенный производственный чертеж.

Прототип и изготовление деталей быстро с 3D печатью

В этом руководстве мы обсудили систему геометрических размеров и допусков (GD & T), которая дает огромные преимущества для дизайнеров и инженеров, работающих над сложными продуктами, где необходимо строго контролировать размеры. Мы видели, как GD & T передает не только линейные размеры, но и замысел проектирования, что помогает более четко донести проектный проект до заинтересованных сторон проекта.

Имея чуть более дюжины символов, базовые элементы и контрольную рамку функций, можно значительно обогатить производственные чертежи и обеспечить согласованность инженерных решений по всем сборкам изделий. GD & T также предлагает разработчикам подумать о том, как оптимально допускать их детали для выбранного производственного процесса, поскольку различные технологии производства приводят к различным характерным отклонениям.

 

Компании в аэрокосмической, автомобильной, оборонной, потребительских, медицинских и других областях внедряют инструменты цифрового производства, чтобы сделать шаг навстречу обещанию Industry 4.0. 3D-печать является катализатором эффективности, предоставляя персоналу от технолога-технолога инструменты для затягивания цепочек поставок, улучшения производства и ускорения выхода на рынок, что позволяет сэкономить сотни тысяч долларов и недель, а то и месяцев.

Комментарии: