Odchyłki kształtu i położenia

Wyroby z grupy części maszyn określane są poprzez wymagania zapewniające ich poprawną współpracę w gotowym mechanizmie. Jednym z podstawowych parametrów jest określenie wymiarów geometrycznych części zarówno w skali makro, jak i mikro. Podstawową informacją o wyrobie są wymiary, takie jak: długość, średnica czy kąt. Jednak dzisiejsze wymagania rynku powodują konieczność podania tolerancji wykonania tych wymiarów oraz wzbogacenie ich o dane dotyczące chropowatości powierzchni oraz dopuszczalnych wartości odchyłek kształtu i położenia. Artykuł poświęcony jest właśnie tym ostatnim.

Z metrologicznego punktu widzenia ze struktury geometrycznej powierzchni można wyróżnić: zarys kształtu i położenia (nieregularność i klasy), falistość powierzchni (nieregularność II klasy), chropowatości powierzchni (nieregularność III klasy) oraz nanochropowatość (nieregularność IV klasy) [1]. Odchyłka kształtu jest miarą odchylenia rzeczywistego zarysu przedmiotu od jego kształtu nominalnego [2]. Jest to zbiór okresowo powtarzających się nierówności charakteryzujących się tym, że stosunek średniej odległości między nieregularnościami do ich średniej głębokości jest większy od 1000 (1). Podobnie falistość jest błędem obróbczym, jednak stosunek odległości pomiędzy średnimi nieregularnościami a średnią głębokością jest mniejszy i zawiera się w przedziale od 40 do 1000 (2). Chropowatość charakteryzuje się jeszcze mniejszym stosunkiem – poniżej 40 (3). Podział na poszczególne składowe realizowany jest za pomocą filtrów. Kształt wyodrębniany jest w pierwszej operacji, dopiero później oddziela się chropowatość od falistości.

Tolerancje kształtu, kierunku, położenia i bicia opisane są w normie PN-EN ISO 1101, której najnowsza wersja została opublikowana przez Polski Komitet Normalizacyjny w 2013 roku. Jest to norma z serii Specyfikacje Geometrii Wyrobów GPS (ang. Geometrical Product Specifications) [3, 4] wprowadzająca opublikowaną przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną ISO (ang. International Organization for Standardization) normę w 2012 roku wraz z poprawkami z 2013 roku. Zgodnie z normą nieregularności i klasy można podzielić na cztery grupy: odchyłki kształtu, odchyłki kierunku, odchyłki położenia oraz odchyłki bicia. Normy definiują pola tolerancji, w których musi się znaleźć tolerowany element przedmiotu (linia, powierzchnia, punkt, oś, płaszczyzna średnia).

Odchyłki kształtu

Wyróżniamy sześć podstawowych oschyłek kształtu, które w swojej nazwie zawierają kształt elementu nominalnego, któremu odpowiadają (odpowiednio: prosta, płaszczyzna, okręg i walec). Natomiast pozostałe odchyłki kształtu zawarto w odchyłce profilu dla elementów 2D oraz odchyłce powierzchni dla elementów 3D.

Zawierają się tu zarówno proste elementy geometryczne, np. kula, jak również elementy o skomplikowanej geometrii przestrzennej, dla których najczęściej element nominalny zapisany jest w postaci trójwymiarowego pliku CAD. Przy określaniu odchyłek kształtu nie bierze się pod uwagę chropowatości powierzchni, a końcówki przyrządów bardzo często tworzone są tak, aby tę chropowatość odfiltrowywać. Błędy kształtu określa się przez porównanie powierzchni lub linii rzeczywistych z kształtami geometrycznie poprawnymi, zwanymi elementami odniesienia. Termin „tolerancja kształtu” oznacza strefę tolerancji, która zawiera odstępstwo od idealnej geometrii (prostoliniowość, płaskość, okrągłość, walcowość), gdzie tolerowany element używany jest jako orientacja. Teoretycznie tylko tolerancje kształtu linii i powierzchni wymagają dokładnych wymiarów i bazy odniesienia. Poniżej przedstawiamy najważniejsze z odchyłek kształtu.

Odchyłki położenia

Wśród odchyłek położenia wyróżniono pozycję, współśrodkowość i współosiowość oraz – podobnie jak dla odchyłek kształtu – kształt wyznaczonego profilu i powierzchni. Termin „tolerancja położenia” oznacza strefę tolerancji, która zawiera odstępstwo elementu tolerowanego (położenie, współosiowość, współśrodkowość, symetria) od idealnego położenia geometrycznego, które musi być jasno zdefiniowane jako baza lub bazy odniesienia.

Odchyłka pozycji

Odchyłka pozycji jest to największa odchyłka pomiędzy położeniem rzeczywistym a nominalnym ocenianego elementu. Może odnosić się do oceny punktu, prostej lub płaszczyzny. Jeżeli wartość tolerancji jest poprzedzona znakiem ࢥ, wówczas przedział tolerancji jest ograniczony powierzchnią walca o średnicy t, którego oś pokrywa się z teoretycznie dokładnym położeniem linii tolerowanej. W przypadku gdy nie dodano znaku ࢥ, pole tolerancji jest ograniczone powierzchnią sześcianu o długości boków podstawy odpowiadających wartościom tolerancji, a jego środek ciężkości pokrywa się z teoretycznie dokładnym położeniem linii tolerowanej.

Odchyłka współosiowości

Odchyłka współosiowości jest to największa różnica odległości pomiędzy osią ocenianego elementu a osią elementu bazowego w obszarze osi zaobserwowanej. Tolerancja współosiowości odnosi się do prostej i jest definiowana względem prostej. Przykład tolerancji współosiowości powierzchni tworzącej stożka w stosunku do osi powierzchni walcowej pokazano na rys. 8. Granice strefy tolerancji tworzy walec, którego oś pokrywa się z osią odniesienia, mający średnicę t, co wynika z podania dopuszczalnej wartości tolerancji. W tej strefie musi się znajdować rzeczywista oś tolerowanego obszaru.

Odchyłka symetrii

Odchyłka symetrii jest to największa odchyłka pomiędzy osią lub płaszczyzną ocenianego elementu a osią lub płaszczyzną odniesienia leżącą symetrycznie względem elementu bazowego. Przedział tolerancji jest ograniczony dwoma płaszczyznami odległymi o wartość t, leżącymi symetrycznie względem osi lub płaszczyzny odniesienia. Wśród odchyłek symetrii wyróżniono bicie i bicie całkowite.

Odchyłka bicia

Termin tolerancja bicia oznacza strefę tolerancji przedmiotu osiowo-symetrycznego, która zawiera odstępstwo kształtu, kierunku i położenia prostej lub płaszczyzny w odniesieniu do osi obrotu. Tolerancja bicia podawana jest najczęściej w kierunku osiowym lub promieniowym, chociaż może występować w dowolnym, innym, określonym kierunku. Odchyłka bicia dzieli się na dwie grupy.

Odchyłka bicia promieniowego jest to największa różnica odległości punk
tów zarysu rzeczywistego powierzchni obrotowej od osi odniesienia w każdej płaszczyźnie prostopadłej do tej osi. Odchyłka bici promieniowego jest łączną odchyłką odchyłki okrągłości i odchyłki położenia środka tego zarysu względem osi odniesienia.

Odchyłka bicia osiowego jest to największa różnica odległości punktów zarysu rzeczywistego powierzchni czołowej rozpatrywanego na wyznaczonej średnicy, od płaszczyzny prostopadłej do osi odniesienia. Wynika z odchyłek okrągłości zarysu powstałego w wyniku przecięcia powierzchni czołowej powierzchnią walca, współśrodkowego z osią odniesienia oraz nieprostopadłości powierzchni czołowej względem osi odniesienia [6, 7].

Tolerancja bicia odnosi się do jednego pełnego obrotu dokoła osi odniesienia. Przykład tolerancji bicia osiowego i promieniowego pokazano na rys. 9.

W przypadku bicia osiowego granice strefy tolerancji w dowolnym przekroju prostopadłym do osi odniesienia tworzą dwa współosiowe koła, których środki leżą na osi odniesienia, położone w stosunku do siebie w odległości t, wynikającej z podania dopuszczalnej wartości tolerancji.

Literatura

1. Adamczak S.: Pomiary geometryczne powierzchni – zarysy kształtu, falistości i chropowatości. WNT, 2009.
2. Humienny Z. i inni: Specyfikacja geometrii wyrobów (GPS). Podręcznik europejski. WNT, Warszawa 2004.
3. 3. PN-EN ISO 1101:2013-07 Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS) – Tolerancje geometrycz
   ne – Tolerancje kształtu, kierunku, położenia i bicia. PKN, 2013.
4. 4. Norma ISO 1101:2012: Geometrical product specifications (GPS) – Geometrical tolerancing – Tolerances of form, orientation, location and run-out. ISO, 2012.
5. 5. Kompendium metrologii w zakresie precyzyjnych przyrządów pomiarowych. Mitutoyo Polska, 2014.
6. Kordowicz-Sot A.: Wykonywanie pomiarów warsztatowych. Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007.
7. 7. Ratajczyk E.: Makrogeometria. Pomiary odchyłek kształtu i położenia. http://wseiz.pl/ files/materialy/PBKIP.pdf.