TOLLERANZE

Il disegno tecnico rappresenta la forma e le dimensioni «ideali» (nominali) per il pezzo. Nella realtà, il pezzo effettivamente fabbricato sarà sempre affetto da un certo scostamento dimensionale e geometrico (più o meno grande).

Anche i processi di misura e controllo sono affetti da variabilità, tuttavia, ai fini pratici, considereremo il processo di misura «perfetto», cioè privo di errori. Gli strumenti di misura sono scelti infatti in base alla variabilità attesa per una certa grandezza, minori sono gli scostamenti, tanto più «precisi» saranno gli strumenti di misura impiegati. 

Variabilità dei processi di fabbricazione 

Errori dimensionali 

Se immaginiamo di “impilare” i pezzi prodotti in base al diametro effettivo otterremo una Gaussiana in un intorno del valore nominale. Ogni processo di fabbricazione è caratterizzato una certa variabilità, come anche ogni sistema di misura e controllo. 

Le caratteristiche dimensionali e geometriche di tutti gli elementi devono essere ben definite senza informazioni sottintese o lasciate al giudizio del personale. Quindi l'errore ammissibile (tolleranza) deve essere noto per ogni quota . Scelta tra economicità del pezzo e funzionaltà.

“L’ingegneria della precisione è l’insieme delle attività e delle conoscenze che riguardano lo studio e la ricerca dei requisiti e delle caratteristiche operative che i mezzi di fabbricazione ed i sistemi di controllo debbono possedere perché i prodotti rispettino i limiti dimensionali e di forma, cioè le tolleranze, imposte dalle specifiche di progetto.”

“L’Ingegneria dell’imprecisione è l’insieme delle attività e delle conoscenze che consentono ad un ingegnere di assegnare le tolleranze, con la massima imprecisione possibile, purché il risultato sia compatibile con i requisiti funzionali.”

FORO: “termine usato convenzionalmente per designare tutti gli elementi interni di un accoppiamento, anche non cilindrici”. 

ALBERO: “termine usato per designare tutti gli elementi esterni di un accoppiamento, anche non cilindrici”. 

N.B.: "Foro" e "albero" designano anche lo spazio, rispettivamente contenente e contenuto, compreso entro due facce (o piani tangenti) paralleli di un pezzo qualunque. Si fa riferimento sempre al Foro con lettere maiuscole all’albero sempre con lettere minuscole 

DIMENSIONE: È il numero che esprime, nell’unità scelta, il valore di una lunghezza. 

DIMENSIONE EFFETTIVA: È quella realizzata nell’esecuzione di un pezzo e viene determinata mediante misurazione

DIMENSIONE NOMINALE: Valore di riferimento per una data dimensione e rappresenta la quota ideale che il progettista vorrebbe

DIMENSIONI MASSIMA E MINIMA: valore estremo ammissibili di un pezzo entro le quali deve trovarsi la dimensione effettiva

SCOSTAMENTO SUPERIORE: Differenza algebrica tra la dimensione massima ammissibile e la dimensione nominale. È indicato con Es per i fori e con es per gli alberi.

SCOSTAMENTO INFERIORE: Differenza algebrica tra la dimensione minima ammissibile e la dimensione nominale. È indicato con Ei per i fori e con ei per gli alberi. 

Tolleranza: È la differenza tra la dimensione massima e quella minima. Ovvero la differenza algebrica tra lo scostamento superiore e lo scostamento inferiore. La tolleranza è quindi un valore assoluto, senza segno. 

Le dimensioni misurabili esternamente sono di tipo albero. Le dimensioni misurabili internamente sono di tipo foro. La temperatura di funzionamento può notevolmente influenzare le caratteristiche dell’accoppiamento. Pertanto tutte le dimensioni sono riferite alla temperatura di 20°C. 

Assegnazione delle dimensioni nominali e le relative tolleranze dimensionali ad un elemento di tipo albero e ad un elemento di tipo FORO per realizzare uno dei seguenti tipi di accoppiamento: 

• • CON INTERFERENZA: dimensione dell’albero sempre (sia in condizioni di massimo sia di minimo materiale) maggiore di quella del foro (ad es. per rendere solidali due pezzi senza ricorrere a sistemi di giunzione). 

  • CON GIOCO: dimensione del foro sempre (sia in condizioni di massimo sia di minimo materiale) maggiore di quella dell’albero (ad es. per consentire lo scorrimento di un pistone in un cilindro) 

  • INCERTO: Quando statisticamente fra i due elementi dell’accoppiamento può verificarsi sia gioco che interferenza. Ci sarà dunque gioco in condizioni di minimo materiale e interferenza in condizioni di massimo materiale.

Per un corretto funzionamento della carriola la ruota viene montata con interferenza sull’albero e l’albero viene montato con gioco nell’apposita sede 

Il controllo dimensionale dei pezzi non comporta necessariamente la misura della dimensione effettiva del pezzo. Generalmente, è sufficiente verificare che la dimensione effettiva del pezzo sia compresa nel campo di tolleranza stabilito mediante un collaudo a due livelli, utilizzando calibri fissi. 

Indicazione diretta delle tolleranze UNI EN ISO 14405

Il metodo più immediato di assegnare delle tolleranze alle dimensioni sul disegno è fornito dalla norma UNI EN ISO 14405 

Seguendo la convenzione descritta, possiamo realizzare le tre condizioni funzionali (gioco, interferenza, incertezza) 

Accoppiamento con interferenza fra un albero e un foro condizione di massimo materiale. Condizione di limite superiore per l’albero e limite inferiore per il foro: dmax = 20.2 mm Dmin = 19.7 mm 

• • L’accoppiamento avviene con interferenza massima: i = dmax-Dmin = 0.5 mm 

  • L’accoppiamento avviene con interferenza minima: i = dmax-Dmin = 0.1 mm 

L’indicazione esplicita delle tolleranze sulle quote fornisce al progettista il controllo sulle dimensioni effettive del prodotto 

Quindi l'indicazione diretta delle tolleranze UNI EN ISO 14405:

 Vantaggio: Immediata applicazione ed interpretazione

 Svantaggi: 

1. Non chiarisce immediatamente la precisione della lavorazione e dunque il suo costo. Questo dipende infatti dalla tolleranza relativa prescritta e non da quella assoluta. Rispettare una tolleranza di ±0.02mm su una dimensione di 1000mm costa di più che rispettare la stessa tolleranza su una dimensione di 10mm. 

2. Non chiarisce immediatamente la qualità dell’accoppiamento. Anche questa infatti dipende dalla dimensione nominale. Un’interferenza di 0.03mm con un diametro nominale di 10mm non è equivalente alla stessa interferenza con un diametro di 100mm 

3. In base all’osservazione n.2, il progettista è costretto a ricalcolare gli scostamenti se decide di cambiare la dimensione nominale di una quota funzionale 

4. Rispettare scostamenti non standardizzati è costoso poiché in fase di collaudo non ci si può servire di calibri di forma standardizzata, ma è necessaria di volta in volta la misura di precisione del pezzo. 

Nell’assegnare tolleranze a quote funzionali, il progettista ha tre esigenze: 

1. Indicare la qualità della lavorazione indipendentemente dalla dimensione nominale 

2. Indicare la qualità dell’accoppiamento (gioco, interferenza, incertezza) indipendentemente dalle dimensioni nominali 

3. Avere delle tabelle unificate cui fare riferimento per assegnare le tolleranze più opportune rispetto ai requisiti funzionali richiesti (gioco di scorrimento, bloccaggio a spinta, bloccaggio forte, ecc.) 

A tale esigenza di normalizzazione risponde la norma tecnica ISO 286. I limiti di variabilità dimensionali (tolleranza dimensionale) sono univocamente determinati tramite: 

1) La tolleranza (ampiezza del campo di tolleranza) 

2) Uno dei due scostamenti (posizione del campo di tolleranza).

--> Convenzionalmente si definisce la linea dello zero come la linea corrispondente alla dimensione nominale. 

Il sistema ISO di tolleranza (ISO 286) ha unificato, per ogni dimensione nominale (fino a 3150 mm): 

• 20 intervalli di tolleranza normalizzati (ampiezza di tolleranza) – indicati da un numero

• 27 scostamenti normalizzati (posizione di tolleranza rispetto alla linea dello zero) - indicati da una lettera (da A a ZC per fori, da a a zc per alberi) 

Gradi di tolleranza normalizzati - IT

Il sistema ISO prevede 20 gradi di tolleranza normalizzati che definiscono l’ampiezza della zona di tolleranza e, quindi, la qualità della lavorazione. 

• Tale ampiezza è funzione della dimensione nominale. A parità di grado di precisione, ad esempio a parità di tipo di lavorazione, si ottengono infatti variazioni crescenti all’aumentare della dimensione del pezzo. 

• La qualità di tolleranza (intervallo di tolleranza) è indicata dalle sigle IT0, IT01, IT1, IT2…IT18, con precisione decrescente. 

Scostamento

Lo scostamento fondamentale, contraddistinto dalla lettera h per gli alberi e H per i fori, è nullo (inferiore per i fori, superiore per gli alberi). Le lettere relative agli scostamenti sono ordinate nel verso dell’incremento del materiale. Ad esempio, a parità di dimensione nominale, un elemento albero in posizione p avrà dimensione maggiore rispetto ad un albero in posizione h. Reciprocamente, un elemento foro in posizione P sarà più piccolo di un foro con la medesima dimensione nominale in posizione H. 

Posizione delle tolleranze 

La posizione della tolleranza rispetto alla linea dello zero è designata da una lettera che indica il valore dello scostamento fondamentale. 

Esistono 27 posizioni normalizzate nel sistema ISO, designate con lettere da A a ZC per fori e da a a zc per alberi. La posizione di tolleranza base, contraddistinta dalla lettera h per gli alberi e H per i fori, è quella con scostamento fondamentale nullo. 

Gli scostamenti Js e js prescrivono una zona di tolleranza a cavallo della linea dello zero. 

Il sistema ISO prevede per gli accoppiamenti la seguente designazione.

Nota: La finitura dei fori è in genere più costosa e difficoltosa di quella degli alberi. Per questo di solito, a parità di costo di lavorazione, si accoppia un albero IT (n) con un foro IT (n+1) 

Combinando a due a due gli alberi ed i fori previsti dal sistema di tolleranza ISO si otterrebbe un numero molto elevato di possibili accoppiamenti. La ISO prescrive solo due sistemi di accoppiamento possibili: 

Con l’adozione dei sistemi foro base e albero base, nei quali uno degli elementi dello coppia è collocato in una posizione fissa, il numero di accoppiamenti teorici, pur riducendosi notevolmente (28+28), resta ancora troppo elevato. Le norme ISO pertanto raccomandano, nelle costruzioni ordinarie, di riferirsi preferibilmente agli accoppiamenti di uso comune riportati in tabella. 

Accoppiamenti raccomandati 

ASME Le norme ASME raccomandano un set ancora più limitato. 

• albero-base: l’albero avrà sempre diametro minore di quello nominale 

• foro-base: il foro avrà sempre diametro maggiore di quello nominale (lavorazione più facile per i fori) 

Albero base o Foro base? 

IN TEORIA i due sistemi sono perfettamente equivalenti. IN PRATICA, a parità di precisione di lavorazione, è più costoso realizzare una data prescrizione di tolleranza su una dimensione interna (foro) piuttosto che su una esterna (albero). Ad esempio, realizzare uno scostamento diverso da H sui fori richiede un’ulteriore operazione di barenatura. Rispettare una prescrizione di tolleranza albero-base su un foro è, in generale, più costoso che realizzare una prescrizione di tolleranza forobase su un albero. 

Dunque, in linea di principio, converrebbe assegnare le tolleranze di tutti gli accoppiamenti secondo il sistema foro-base. Tuttavia questo non è sempre possibile perché spesso dobbiamo accoppiare il nostro prodotto con elementi forniti da terzi … 

Al produttore di un elemento unificato spesso conviene assegnare le tolleranze delle dimensioni esterne secondo il sistema albero-base. Viceversa tutte le dimensioni interne sono assegnate secondo il sistema foro-base. Il contrario, infatti, comporterebbe la presenza di una serie grandissima di prodotti in catalogo. 

Al produttore di un elemento unificato spesso conviene assegnare le tolleranze delle dimensioni esterne secondo il sistema albero-base. Viceversa tutte le dimensioni interne sono assegnate secondo il sistema foro-base 

La tolleranze costano perchè per realizzare una prescrizione di tolleranza sono necessarie una o più lavorazioni di asportazione di truciolo

Ingegneria della imprecisione: si devono scegliere le tolleranze più larghe compatibili con le condizioni di impiego 

Un accoppiamento incerto (“transition fit”) diviene in pratica un accoppiamento con leggera interferenza. Nelle lavorazioni, infatti, gli alberi tendono ad essere prodotti con dimensione più vicine alla massima che alla minima. Il contrario avviene per i fori.

 Negli accoppiamenti liberi il gioco minimo deve essere tale da garantire la scorrevolezza anche al variare della temperatura. Il gioco massimo deve inoltre garantire la guida a seguito di eventuali usure. Il gioco pistone-cilindro deve essere tale da non risentire delle variazioni di temperatura.

Negli accoppiamenti forzati l’interferenza minima deve prevenire il distacco dei pezzi, quella massima non deve causare danneggiamento dei pezzi. Un carico rotante, se montato con un accoppiamento libero, oscillerà rispetto alla sede provocando usura delle superficie a contatto. Occorre pertanto prevedere un calettamento leggermente forzato. 

Negli accoppiamenti forzati l’interferenza minima deve prevenire il distacco dei pezzi a mano o sotto i carichi di progetto, quella massima non deve causare danneggiamento dei pezzi. Per realizzare accoppiamenti a bloccaggio fortissimo è necessario ricorrere a riscaldatori di precisione (calettamento a caldo) 

Tolleranze generali

L’indicazione delle tolleranze sul disegno deve essere completa al fine di assicurare che le caratteristiche dimensionali e geometriche di tutti gli elementi siano definite senza informazioni sottintese o lasciate al giudizio del personale di officina, di controllo e collaudo. L’applicazione delle tolleranze generali dimensionali e geometriche assicura l’osservanza di queste condizioni preliminari anche per le dimensioni indicate senza prescrizione esplicita di tolleranza. Principali normative: 

• UNI EN 22768-1/2 Tolleranze generali per pezzi prodotti mediante lavorazione con asportazione di materiale o di pezzi realizzati in lamiera metallica 

• ISO 8062 - Tolleranze generali per i getti di fonderia 

• UNI EN ISO 13920 Tolleranze generali per i assiemi saldati 

N.B. Le tolleranze generali NON VALGONO per le quote funzionali (tolleranze esplicite), né per le quote ausiliarie (che non possono essere oggetto di alcuna prescrizione tolleranza, nemmeno generale, in quanto quote derivate)

La norma UNI EN 22768-1 vale esclusivamente per dimensioni associate a superfici ottenute per asportazione di truciolo e per le lamiere! Allorquando non indicata alcuna tolleranza specifica per una dimensione compresa tra una superficie finita (lavorata) ed una superficie grezza (non lavorata), per esempio nel caso di un pezzo grezzo di fonderia (getto) o di forgiatura (fucinato o stampato), si applica la più ampia delle due tolleranze generali in questione, per esempio quella di cui alla ISO 8062 riguardante i getti.  

L’utilizzo delle tolleranze generali secondo EN 22768 deve essere specificato nei pressi o all’interno del riquadro delle iscrizioni citando la norma ISO 2768, precisando la classe di tolleranza scelta. Quattro classi e in genere usiamo la m.

Le tolleranze generali prescrivono un campo di scostamento SIMMETRICO rispetto al valore nominale --> NON assicurano il rispetto delle caratteristiche funzionali degli accoppiamenti!