Positionstoleranz - Grundlagen & Anwendung

Positionstoleranz – Grundlagen, Anwendung und Kontrollmöglichkeiten

In der Fertigungsindustrie ist die Positionstoleranz ein wichtiger Begriff, der garantiert, dass die Komponenten in einer Baugruppe oder einem System korrekt positioniert werden. Einfach ausgedrückt, bezieht sie sich darauf, wie genau die Teile in ihre vorgesehenen Plätze passen. Ohne diese präzise Positionierung können Baugruppen und Systeme nicht korrekt funktionieren – daher ist die Positionstoleranz unerlässlich.

Wir geben einen Überblick darüber, was genau eine Positionstoleranz ist, betrachten verschiedene Anwendungsstrategien und Beispiele im Zusammenhang mit diesem Konzept, erforschen verschiedene Kontrollansätze, die erforderlich sind, um diese Maße innerhalb der vorgegebenen Parameter zu halten, und untersuchen die Grundlagen für die Erstellung erfolgreicher Produktdesigns unter Verwendung von Positionstoleranz-Anforderungen.

Was ist die Positionstoleranz?

Mit der Positionstoleranz wird festgelegt, wie stark ein Teil von seiner idealen Position abweichen darf, ohne dass es unerwünschte Auswirkungen hat. Das Ausmaß und die Größe der Abweichung werden in der Regel durch die spezifischen Anforderungen für jedes Teil definiert. Viele Faktoren spielen bei dieser Gleichung eine Rolle, darunter Geometrie, Materialzusammensetzung, Bearbeitungsmethoden und Herstellungskosten.

Damit die Bauteile in der Konstruktion richtig funktionieren können, müssen bei der Herstellung genaue Spezifikationen und Präzision berücksichtigt werden. Beim Zusammenbau von Maschinenteilen beispielsweise muss die Positionstoleranz genau eingehalten werden, damit die Teile richtig zusammenpassen. Wird ein Bauteil in einer Baugruppe nicht richtig platziert, kann es zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall des gesamten Konstrukts führen.

Technische Dokumente und 3D-Modelle weisen häufig Positionstoleranzen auf, die durch eine Kombination aus Symbolen und Zahlenwerten dargestellt werden. Diese symbolischen Darstellungen geben an, welche Art von Toleranz (z. B. Zentrierung, Parallelität, Winkelabweichung) bei der betrachteten Abmessung oder den betrachteten Winkeln zu erwarten ist, während ein begleitender numerischer Wert angibt, wie viel Abweichung ohne Folgen akzeptiert werden kann.

Berechnung der Positionstoleranz

Die Berechnung der Positionstoleranz ist kompliziert und muss zusammen mit der Überwachung der Produktionsprozesse sorgfältig geplant werden. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Konstrukteuren und Herstellern ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass alle spezifizierten Anforderungen an die Positionierung genau erfüllt werden. Wird die Positionstoleranz nicht richtig bewertet, kann es zu Verzögerungen in der Fertigung und zu zusätzlichen Kosten aufgrund unbefriedigender Ergebnisse hinsichtlich der Qualitätsstandards kommen.

Mit dem Aufkommen modernster Fertigungstechnologie wird die Positionstoleranz durch automatisierte Prozesse und computergestützte Systeme weiter reguliert. Dies führt zu einer verbesserten Präzision und Produktivität bei der Herstellung von Teilen.

Unabhängig von der Art der Geometrie oder der Art der Anforderungen gibt es verschiedene Techniken, die zur Berechnung der Positionstoleranz verwendet werden können. Einige dieser Methoden sind:

Maximale-Materialbedingung-Methode (MMC)

Bei der Anwendung dieser Methode wird die maximale Materialgröße des Bauteils berücksichtigt. Um dann die Positionstoleranz zu ermitteln, müssen wir den Abstand zwischen einem idealen Bezugselement und einem realen Element zu dem Zeitpunkt messen, an dem das Bauteil seine maximale Materialität erreicht hat.

Root-Sum-Square-Methode (RSS)

Diese Methode ist eine statistische Methode, die die quadratische Summe der Toleranzen berücksichtigt, die auf jedes der Bezugselemente angewendet werden. Die Positionstoleranz wird als die Quadratwurzel der Summe der quadrierten Toleranzen bestimmt.

Virtual-Condition-Methode (VC)

Diese Methode berücksichtigt die Beziehung zwischen den Bezugselementen und definiert die virtuelle ideale Position der Bezugselemente. Die Positionstoleranz wird als der Abstand zwischen der virtuellen idealen Position und der tatsächlichen Position des Bezugselements bestimmt.

Bei der Auswahl einer Methode zur Berechnung der Positionstoleranz müssen viele Elemente berücksichtigt werden, wie die Geometrie des Teils, die gewünschten Toleranzen und die Bezugspunkte. In einigen Fällen kann es sogar notwendig sein, mehrere Methoden zu kombinieren, um ein genaues Ergebnis zu erzielen, das alle Anforderungen erfüllt.

Positionstoleranz in der Anwendung

Das Symbol für die Positionstoleranz, das durch einen Kreis mit einem senkrechten Kreuz dargestellt wird, wird durch das Toleranzmaß und seine Bezugspunkte ergänzt. Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt eines beliebigen Lochs innerhalb eines imaginären Kreisrings, der das Maß umgibt, schwanken kann. Mit Großbuchstaben (z.B. B und D) werden diese Bezugspunkte angegeben und so festgelegt, wo diese Abweichung auftreten kann.

Die tatsächliche Abweichung vom exakten Maß beträgt also nur die Hälfte. Je nachdem, ob ein Toleranzbereich für eine Richtung (X und Y in einer Ebene) oder für beide Richtungen zugelassen wird, wird dieser Wert um weitere 30% minimiert. Dies geschieht deshalb, weil eine Abweichung nie nur in eine Richtung auftritt, sondern auch eine Veränderung in die andere Richtung mit sich bringt. Um sicherzustellen, dass alles innerhalb der imaginären Toleranz bleibt, muss eine pauschale Kürzung erfolgen, wenn es eine Toleranz für beide Seiten gibt.

Hält man sich an die herkömmlichen Maßtoleranzen, entsteht eine rechteckige oder quadratische Form, innerhalb derer sich die Bohrung bewegen kann. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Ecken von der Toleranzzone des Kreises nicht abgedeckt werden. Wenn stattdessen das Verfahren zur Positionstoleranz und sein zylindrisches Toleranzfeld verwendet wird, erreicht man eine vollständige Abdeckung auf allen Seiten des vorgegebenen Bereichs.

Anwendungsnachteile der Positionstoleranz

Bei aufwändigen Konturen mit mehreren Radien ist eine angemessene Kontrolle der Lagetoleranzen nur über eine hochwertige 3D-Koordinatenmessmaschine oder vergleichbar exakte Methoden zu erreichen. Diese Verfahren müssen in der Lage sein, gegen CAD-Daten zu messen.

Kontrolle der Positionstoleranz

Hersteller können die Positionstoleranz durch den Einsatz von fein gearbeiteten Lehren, insbesondere für Lochmuster, zuverlässig kontrollieren. Diese Lehren liefern eine sofortige Rückmeldung, ob etwas passt oder nicht, und machen die Einzelteilprüfung leichter, ohne dass in teure Ausrüstung investiert werden muss. In Fällen, in denen die Erstellung einer Lehre nicht möglich ist, sind 3D-Koordinatenmesssysteme und Scan- oder photogrammetrische Methoden äußerst effektive Alternativen.

Indem man ein fertiges Werkstück aus allen Winkeln fotografiert, kann man ein genaues 3D-Modell des Werkstücks erstellen. Vergleicht man dieses „abgepauste“ 3D-Modell mit dem in einem CAD-Programm erstellten, werden Maßabweichungen sofort sichtbar. In der Serienfertigung sind aufwändige dreidimensionale Messverfahren aufgrund ihres hohen Zeitaufwands ineffizient – für Lehren zur Überprüfung von Lagetoleranzen an Teilen, die besonders enge Abstände zwischen den Elementen erfordern, sind sie jedoch ideal.

Mögliche Fehlerquellen bei der Kontrolle der Positionstoleranz

Die Positionstoleranz spielt eine entscheidende Rolle für das effektive Zusammenfügen zweier Komponenten, daher reicht ein einfacher Blick auf die Löcher und Gewinde nicht aus. Um zu garantieren, dass eine Baugruppe für den vorgesehenen Zweck geeignet ist, muss eine genaue Prüfung mit 3D-Lehren stattfinden; sie ist unvermeidlich, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Die Folgen von Lehren, auch „Grundschablonen“ genannt, die die dritte Dimension außer Acht lassen, können zu schwerwiegenden Diskrepanzen in der Produktion führen. Es ist unbestreitbar, dass es ein großes Problem darstellt, wenn eine CNC-Maschine ein außermittiges Loch herstellt. Heutzutage gibt es bei Fräsmaschinen mit 5-7 Achsen mehr Möglichkeiten für Ungenauigkeiten entlang der Bohrachsen als früher bei den traditionellen Modellen. Diese älteren Geräte hatten eine eingeschränkte Funktionsweise, boten aber eine viel höhere Stabilität; wenn also einmal Löcher in ihrer Tiefe falsch berechnet wurden, muss das daraus resultierende Ausschussmaterial in der Regel entsorgt werden.

Toleranzen auf Zeichnungen sammeln

Positionstoleranzen sind ein Muss in jeder Zeichnung, daher müssen Konstrukteure in der Lage sein, sie schnell und einfach einzubeziehen. Deshalb haben wir nach einer effektiven Möglichkeit gesucht, Informationen zu Form- und Positionstoleranzen in Zeichnungen zu sammeln.

Das Ergebnis sind unsere PBU-Tools für Solid Edge.

Unsere Tools vereinfachen den Arbeitsablauf des Konstrukteurs. Das Tool „Tolerance Table“ sammelt bspw. alle, auf der Zeichnung vorhandenen, Passungen und/oder Toleranzen und stellt diese in einer konfigurierbaren Tabelle auf der Zeichnung dar. Die PBU-Tools für Solid Edge können Sie kostenlos testen, wenn Sie Solid Edge im Einsatz haben. Wenn Sie weitere Beratung oder Hilfe benötigen, setzen Sie sich gerne mit uns in Verbindung.