DUIDELIJKHEID ALS SLEUTEL TOT SUCCES

De basis van geometrische dimensionering en toleranties

Om de kwaliteit van onderdelen en hun productieproces te garanderen, heeft de ontwerper, naast de dimensionering, ook vele andere eigenschappen vastgelegd in de technische tekening, samen met hun toleranties. Op die manier is het ook voor de productie en de meetkamer duidelijk aan welke eisen deze onder­delen moeten voldoen. Belangrijk in een steeds internationaler wordende context is dat deze aanwijzingen volgens gestandaardiseerde regels en afspraken gebeuren, anders staat de deur voor misverstanden wagenwijd open. In dit artikel zoomen we wat dieper in op die regels zoals die in ISO 1101 beschreven staan.

COMMUNICEREN VIA TECHNISCHE TEKENING

De verschillende industriële sectoren zijn bijna zonder uitzondering sterk geglobaliseerd, wat heeft geresulteerd in een decentralisatie van zowat alle stappen in het fabricageproces, beginnend van het design, over het eigenlijke productieproces tot en met de eindcontrole. Tegelijk eist men van dat fabricageproces meer efficiëntie en productiviteit omdat men zo de eigen competitiviteit op peil wil houden. Alle ketens in het proces kunnen dan maar beter goed op elkaar zijn afgestemd en dezelfde taal spreken. In het licht van de eerste tendens – de globalisering – bedoelen we dat hier uiteraard figuurlijk. Het communicatiemiddel bij uitstek om die stroomlijning te bewerkstelligen, is een ondubbelzinnige, complete technische tekening.

Functionaliteit, produceer- en meetbaarheid

Een technische tekening die naam waardig bevat alle specificaties die nodig zijn om een veilige toepassing te garanderen, naast een economische productie en een betrouwbare inspectie. Voor een ontwerper ligt de prioriteit onder andere bij de functionaliteit van het onderdeel. Met andere woorden, het onderdeel moet kunnen doen waarvoor het ontworpen is, en alle nominale waarden met betrekking tot de maat, de vorm, de positie en de ruwheid moeten worden opgegeven in functie daarvan. Echter, door de eigenschappen van het materiaal, slijtage van de gereedschappen, residuele spanningen, klemmingen en tal van andere productiefactoren zullen er altijd afwijkingen ontstaan ten opzichte van de ideale waarden die op de tekening staan. Vandaar dat de ontwerpen ook moeten aangeven binnen welke grenzen die afwijkingen moeten liggen opdat het onderdeel zijn taak adequaat en veilig zou kunnen uitvoeren. Die toegelaten afwijkingen noemt men de toleranties. Tot slot moeten alle essentiële features met het oog op de functionaliteit en de eventuele assemblage te meten zijn. De ontwerper legt met zijn bemating overigens niet alleen de functionele eis vast, maar beïnvloedt ook de prijs.

ISO 1101

De eisen waaraan een werkstuk moet voldoen, zijn vastgelegd middels de geome­trische productspecificaties (GPS). Een deel van deze specificaties zijn de vorm- en plaatstoleranties (V&PI). Deze worden samengevat in ISO 1101. Je kunt een werkstuk niet volledig specificeren zonder gebruik te maken van vorm- en plaatstoleranties, omdat volgens de ISO-standaard voor de geometrische productspecificaties het onafhankelijkheidsprincipe (zie verder) van toepassing is en er met enkel bematen geen vormen vastliggen.

Als het gaat over geometrische dimensionering en toleranties, bestaan er wereldwijd twee courante standaarden. ASME 14.5 is één Amerikaanse norm waarbij onder andere de vorm- en plaatstoleranties vastliggen. In Europa geldt ISO, dat een hele matrix van normen omvat en waar ISO 1101 er één van is. Naast de genoemde normen bestaan er nog, maar ASME en ISO zijn de belangrijkste, waarbij ISO geldt als internationale norm. Het zou ons te ver leiden om in te gaan op de verschillen tussen de twee, daarom beperken we ons voor het vervolg van dit artikel tot de internationale standaard (ISO), die bestaat uit een geheel van regels en symbolen om de geometrische product­vereisten van een onderdeel te beschrijven.

GEOMETRISCHE EN DIMENSIONALE TOLERANTIE

De nominale geometrie van een onderdeel bestaat uit features of elementen die op hun beurt worden gekarakteriseerd door geome­trische en dimensionale tolerantie, hoewel sommigen de laatste beschouwen als een speciaal geval van de eerste. Dimensionale toleranties zijn onder te verdelen in lineaire toleranties en hoektoleranties. De lineaire toleranties beschrijven de toleranties op de lokale maat van een element. Deze lokale maat is gedefinieerd als de afstand tussen twee punten. Een hoektolerantie beschrijft de tolerantie van de oriëntatie van de lijnen die de hoek beschrijven.

Met geometrische tolerantie verwijst men naar de vorm- en plaatstoleranties (verder onder te verdelen in vorm, richting, plaats en slag of uitloop) van elementen. Vormtoleranties begrenzen de toegelaten afwijking van een element van zijn mathematisch ideale vorm; plaatstoleranties begrenzen de toegelaten afwijking van twee of meer elementen van een ideale plaats tot andere plaatsen. Dit betekent dat plaatstoleranties altijd om een referentie vragen – iets loopt evenwijdig aan zijn referentie. Vormtoleranties hebben dat niet. Alle parameters die onder de vorm- en plaatstoleranties vallen, bijvoorbeeld rechtheid, coaxialiteit, profielzuiverheid ... worden in de ISO 1101-norm gedefinieerd, maar elk van hen heeft ook nog eens een aparte norm.

• Vormeisen hebben geen referentie en geen theoretische maat (TED);
• Richtingseisen hebben een referentie, maar geen TED-maat;
• Plaatseisen hebben een referentie en een TED-maat, waarbij er plaatszuiverheid kan voorkomen zonder referenties;
• Slag heeft altijd een as als referentie.

Nog volgens ISO krijgt iedere parameter die via een pijl aan een te toleranceren element is gekoppeld, zijn eigen symbool op de tech­nische tekening, met daarbij ook de desbetreffende tolerantiewaarde, en in het geval van een plaatstolerantie wordt ook de referentie aangeduid.

TWEE BEPALENDE PRINCIPES

Dimensionale en geometrische toleranties kunnen losstaan van elkaar, maar dat hoeft niet. Soms is er een duidelijke correlatie tussen bijvoorbeeld maat en vorm, of maat en oriëntatie.

Onafhankelijkheidsprincipe

Elke gespecificeerde dimensionale of geometrische eis van het ontwerp dient onafhankelijk te zijn, wat impliceert dat er geen sprake is van een relatie tussen de maat, vorm, oriëntatie of positie, tenzij er een bepaalde relatie is gespecificeerd op het ontwerp. Er is geen enkele relatie tussen de verschillende geome­trische eisen, dus niet tussen maat en vorm- en plaatstoleranties. Als er nergens een relatie is gespecificeerd, geldt de geometrische tolerantie, los van de maat van het element. Met andere woorden, de maat zegt niets over bijvoorbeeld de rechtheid en omgekeerd. Iets kan qua lengte volgens een tweepuntsmeting perfect binnen de maat vallen, maar helemaal krom zijn. Wel is het zo dat de richting ook indirect de vorm vastlegt en dat de plaats indirect de richting en vorm vastlegt.

Envelopprincipe

Het envelopsysteem wordt gebruikt indien er passende toleranties worden vereist. In deze gevallen is er een onderlinge afhankelijkheid tussen maat en geometrie. Het getolereerde maatelement moet passen in een tegendeel, zo groot als de maximale materiaalmaat van het getoleranceerde element. Door deze passende toleranties is geometrische volmaaktheid vereist bij de maximummateriaalmaat. Het envelopsysteem wordt aangeduid door het symbool E op de tekening. De envelopeis wordt vaak gebruikt in combinatie met passingen.

Maximummateriaalprincipe

Gaat het om een relatie tussen maat en vorm, oriëntatie en/of positie, dan spreekt men over het maximummateriaalprincipe. Op de tekening komt dit overeen met het symbool M. Het symbool maakt de vorm- of plaatstolerantie afhankelijk van de werkelijke werkstukmaat. Het gebruik van het maximummateriaalprincipe leidt tot de laagste werkstukkosten, met behoud van functionaliteit. Dit principe is een gereedschap of werkwijze voor de ontwerper om onderdelen die in elkaar moeten passen, te toleranceren.

BESLUIT

ISO 1101 legt voor de maakindustrie vast hoe een onderdeel moet worden beschreven, specifiek de vorm- en plaatstoleranties. Door de regels en symbolen correct toe te passen, beschikken alle afdelingen binnen een bedrijf (maar ook externe partners, klanten ...) over een gemeenschappelijke taal die fouten en latere discussies moet helpen vermijden. Belangrijk in een steeds internationaler wordende context is dat deze aanwijzingen volgens gestandaardiseerde regels en afspraken gebeuren, anders staat de deur voor misverstanden wagenwijd open.