Tolerancje geometryczne ASME GD&T oraz ISO GPS – 14 symboli

Tolerancje geometryczne, czyli jak czytać rysunek techniczny

Wyobraź sobie, że masz do wykonania pewne zadanie. Potrzebujesz zrobić nieduży stół warsztatowy do garażu. Cała konstrukcja jest już gotowa pozostał jeszcze tylko blat. Akurat posiadasz dość duży kawałek płyty mdf, który wystarczy uciąć na odpowiednią długość. Powiedzmy, że metr. Metrówka w dłoń i możemy ciąć. Mija krótka chwila i gotowe. Ucięliśmy dokładnie na 101 cm, ale w niczym nie będzie nam to przeszkadzać.

Spróbujmy teraz troszkę skomplikować, bo stół musi wejść do ciasnej wnęki. Jej szerokość to 100,2 cm. Czyli już wiemy, że ucięta przed chwilą płyta będzie za szeroka. Szybka poprawka i mamy 96 cm. Tym razem mieści się bez problemu. Ale gdyby tak… ten stół nie stał w garażu tylko w pokoju. Hmm… te 42 mm luzu nie będzie wyglądać za bardzo estetycznie. Najlepiej, aby z każdej strony wnęki zostać po maksymalnie 5 mm luzu, ale też nie mniej niż po 1 mm, aby zapewnić swobodny montaż. Musimy zatem dociąć naszą płytę tak, aby zmieścić się w wymiarze 99,2 – 100 cm. Analogicznie jak w pierwszym przypadku ciąć będziemy wyłączenie z jednej strony.

Udało się, jednak problem w tym, że cięliśmy ręcznie i wyszło trochę krzywo. Na jednym końcu mamy 99,2 cm, na drugim zaś dokładnie 100. Idealnie zmieściliśmy się w zakładanej tolerancji. Szybka przymiarka i jednak okazuje się, że nie wszystko poszło po naszej myśli. Z jednej strony mam 1mm luzu, z drugiej zaś aż 9… Czyli jednak okazuje się, że tolerancje wymiarowe to nie wszystko. Nie wzięliśmy bowiem pod uwagę, że istotna będzie dla nas także równoległość obu boków płyty.

Właśnie przeszliśmy przez szybki i najbardziej prosty kurs tolerancji wymiarowych jaki można sobie tylko wyobrazić. Definiowanie wymagań konstrukcyjnych dla wyrobu, jak przed chwilą się okazało, wcale nie musi być takie proste. Dany wymiar, bowiem to jedno, ale często potrzebne będzie coś jeszcze. Coś co zagwarantuje, że wykonany produkt będzie rzeczywiście taki jak założył to konstruktor. Jest to szczególnie istotne jeśli weźmiemy pod uwagę kwestie montażu poszczególnych zespołów. Jednak nie jesteśmy na przegranej pozycji. Problem ten bowiem już dawno został rozwiązany a z pomocą przyjdą nam tolerancje geometryczne. W tym materiale przyjrzymy im się nieco bliżej, tak aby w pełni zrozumieć jakie jest ich zastosowanie. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

• Co to są tolerancje geometryczne oraz czym różnią się systemy ASME GD&T oraz ISO GPS.
• Jakie normy definiują metody tolerowania geometrii części.
• Jakie wyróżniamy grupy tolerancji.
• Co znajduje się w ramce tolerancji oraz czym są elementy odniesienia.
• Jakimi symbolami oznaczane są tolerancje geometryczne oraz kiedy je stosujemy.

Tolerancje geometryczne – ASME GD&T, ISO GPS

Pierwsze koncepcje stworzenia uniwersalnego systemu tolerancji geometrycznych pojawiły się jeszcze w latach 40. ubiegłego wieku. Obecnie mamy dwa różniące się w niewielkim stopniu rozwiązania. Są to:
– GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) – jest to stosowany głównie w Stanach Zjednoczonych system oparty o normę ASME Y14.5.
– GPS (Geometrical Product Specification) – jest to rozwiązanie wybierane przez producentów z pozostałych zakątków świata, szczegółowo opisane w normach ISO 8015, ISO 1101 oraz ISO 22081.

Tolerancje geometryczne wg systemu ASME GD&T dzielą się na:
– tolerancje kształtu
– tolerancje kierunku
– tolerancje położenia
– tolerancje profilu
– tolerancje bicia

Nieco odmiennie prezentuje się podział w przypadku systemu ISO, który definiuje wyłącznie cztery grupy, zaś tolerancje profilu są przypisane do grupy tolerancji kształtu, kierunku i położenia.

W sumie wyróżnia się 14 różnych symboli opisujących tolerancje geometryczne. Z tą różnicą, że od 2018 roku system ASME GD&T uboższy jest o dwa z nich. Z normy usunięto wówczas tolerancję współosiowości oraz symetrii.

Tolerancje geometryczne – ramka

Niezależnie od wybranego systemu podstawą do zdefiniowania danej tolerancji geometrycznej jest specjalna ramka sterująca elementu. W zależności od rodzaju tolerancji może składać się ona z trzech podstawowych stref:
– symbolu tolerancji geometrycznej
– wartości tolerancji geometrycznej
– co najmniej jednej bazy, o ile mają zastosowanie.

Zarówno w przypadku tolerancji geometrycznej jak i baz dodatkowo w danej strefie mogą znaleźć się wybrane modyfikatory.

Bazy a tolerancje geometryczne

Wszystkie tolerancje geometryczne za wyjątkiem tolerancji kształtu wymagają odniesienia do co najmniej jednej bazy. Może nią być oś lub płaszczyzna, a nieco rzadziej punkt. Z założenia baza jest elementem teoretycznie idealnym. Główną rolą bazy jest zdefiniowanie zależności jaka występuje między różnymi elementami danej części. Symbol elementu bazowego występuje w postaci kwadratowej ramki oraz oznaczenia literowego.
 
Dana tolerancja geometryczna może odnosić się do jednej lub kilku baz. Zwłaszcza w tym drugim przypadku niezwykle istotna jest kolejność. Pierwszy z elementów odniesienia, który określany jest jako baza główna lub pierwszorzędna, odejmuje trzy stopnie swobody. Następna jest baza drugorzędna, która odejmuje dwa stopnie swobody i zachowuje relację kierunku do bazy głównej. Natomiast ostatnia odejmuje jeden stopień swobody oraz zachowuje relację kierunku do bazy głównej a następnie do bazy drugorzędnej.

Jakościowiec teraz także na LinkedIn!

Tolerancje geometryczne – podział

Bazując na systemie ISO mamy 14 różnych symboli tolerancji geometrycznych. Jak już wspomnieliśmy w przypadku normy ASME Y14.5 jest nich o dwa mniej. Przyjrzyjmy się zatem bardziej szczegółowo każdemu z nich i sprawdźmy jakie mają zastosowanie.

Tolerancje kształtu

Tolerancja kształtu jest to pole tolerancji, w którym powinien zawierać się zarys elementu rzeczywistego – linia lub powierzchnia. Dotyczy ona tylko jednego elementu dlatego nie odnosi się do baz.

– Prostoliniowość
W prostych słowach definiuje jak prosty ma być dany element. Tolerancja prostoliniowości może być ograniczona przez dwie proste równoległe lub walec. Pierwszy przypadek przedstawiony jest na poniższym obrazku, gdzie zarys wałka musi się mieścić w polu tolerancji wyznaczonym przez dwie proste oddalone od siebie o 0,40 mm. Natomiast o drugim mówimy jeśli tolerancja prostoliniowości połączona jest z wymiarem określającym średnicę a sama wartość tolerancji poprzedzona jest symbolem Ø. W przypadku takiego zapisu pole tolerancji ma formę walca i definiuje prostoliniowość osi danej części. Czyli jeśli przykładowo w ramce zdefiniowano wielkość tolerancji równą 0,40 mm to w walcu o takiej średnicy ma mieścić się oś elementu.

– Płaskość
Nie trudno się domyślić, że symbol ten oznacza jak równy ma być dany element. Tolerancja płaskości definiowana jest bezpośrednio na powierzchni, której ona dotyczy. Pole tolerancji tworzone jest przez dwie równoległe do siebie płaszczyzny. Na podstawie poniższego rysunku możemy określić, że wskazana powierzchnia części powinna zawierać się w między dwoma płaszczyznami oddalonymi od siebie o 0,40 mm. Dotyczy to wysokości najwyższego oraz najniższego punktu na danej płaszczyźnie.

– Okrągłość
Tolerancja okrągłości definiuje pole tolerancji ograniczone przez dwa koncentryczne okręgi oddalone od siebie o określoną wartość. Okręgi te leżą na jednej płaszczyźnie, której środek pokrywa się z osią tolerowanego elementu i występują w jego dowolnym przekroju. Poniższy rysunek wymaga, aby zarys kształtu części mieścił się między dwoma okręgami oddalonymi od siebie o 0,40 mm.

– Walcowość
Pole tolerancji określane jest przez dwa koncentryczne walce, gdzie różnica w promieniu między tym zewnętrznym a wewnętrznym wynika z wartości zdefiniowanej w ramce tolerancji. Oś tolerowanego elementu pokrywa się z osią pola tolerancji. Przykładowo na poniższym rysunku wartość tolerancji została zapisana jako 0,40. Zatem zarys całej cylindrycznej powierzchni części musi się zawierać między dwoma walcami o różnicy promieni wynoszącej 0,40 mm.

Tolerancje kierunku

Tolerancja kierunku definiuje orientację elementu tolerowanego w stosunku do elementu odniesienia. W przypadku tolerancji orientacji, bowiem tak również bywa nazywana, niezbędne będzie zatem określenie co najmniej jednej bazy, do której to właśnie będzie się odnosić.

– Prostopadłość
Możemy spotkać się z tolerancją prostopadłości dla dwóch płaszczyzn a także płaszczyzny względem osi, osi względem płaszczyzny oraz osi względem osi.

Pole tolerancji definiowane jest przez dwie płaszczyzny oddalone od siebie o wartość tolerancji. Co ważne są one równoległe, bowiem wspomnianą wartość definiuje się w mm lub calach a nie stopniach. Pole tolerancji położone jest pod kątem prostym w stosunku do bazy.

Jeśli wartość tolerancji poprzedzona została znakiem Ø, zaś ramka tolerancji odnosi się do średnicy danego elementu, to pole tolerancji występuje w postaci walca o średnicy równej zdefiniowanej wartości i jest położone pod kątem prostym do bazy. W takim wypadku w polu tolerancji ma zmieścić się oś tolerowanego elementu.

Poniższy przykład obrazuje pierwszy wariant, czyli prostopadłość jednej płaszczyzny względem innej, na bazie której zdefiniowano bazę A. Zarys powierzchni ma znajdować się między dwoma płaszczyznami oddalonymi od siebie o 0,40 mm.

– Równoległość
W tym przypadku pole tolerancji również definiowane jest przez dwie płaszczyzny, które są równoległe względem siebie oraz w stosunku do określonej bazy. Tradycyjnie już odległość między owymi płaszczyznami określona jest przez wartość tolerancji. Analogicznie jak w przypadku prostopadłości, jeśli wartość tolerancji poprzedzona jest znakiem Ø to pole tolerancji ma kształt walca. Jego średnica wówczas jest równa wartości z ramki.

Tolerancja równoległości może być zdefiniowana pomiędzy dwoma płaszczyznami, a także dla osi względem płaszczyzny, płaszczyzny względem osi oraz dla dwóch osi.

Poniższy przykład obrazuje tolerancję równoległości dla pierwszego z wspomnianych wariantów. Dwie płaszczyzny tworzące pole tolerancji oddalone są od siebie o 0,40 mm.

– Nachylenie
Tolerancja nachylenia jest właściwie analogiczna do tolerancji prostopadłości. Podstawową różnicą jaka między nimi występuje jest kąt pomiędzy określoną bazą a wyznaczonym polem tolerancji. W przypadku prostopadłości mamy kąt prosty, natomiast dla nachylenia wszystkie pozostałe wartości.

Pole tolerancji również definiowane jest przez dwie równoległe płaszczyzny, które oddalone są od siebie o wartość tolerancji z ramki. Może mieć ono także kształt walca jeśli wartość tolerancji została poprzedzona znakiem Ø.

Na rysunku przedstawiono pole tolerancji utworzone przez dwie płaszczyzny oddalone od siebie o 0,40 mm. Kąt nachylenia względem bazy -A- wynosi 45°.

Tolerancje położenia

Tolerancja położenia definiuje lokalizację elementu tolerowanego względem elementu odniesienia. Niezbędne zatem będzie określenie co najmniej jednej bazy.

– Pozycja
Tolerancja pozycji określa dokładność położenia osi bądź środka danego elementu względem przynajmniej jednej bazy. Pole tolerancji może być zdefiniowane przez dwie równoległe płaszczyzny, które oddalone są o wartość tolerancji. Jeśli jednak wartość tolerancji w ramce została poprzedzona znakiem Ø, to analogicznie jak w przypadku wcześniej omawianych przypadków, rzeczywiste położenie musi znajdować się wewnątrz walca o określonej średnicy. Natomiast w przypadku symbolu S Ø mamy do czynienia z polem tolerancji o kształcie sfery.

Oś poniższego otworu musi mieścić się w polu tolerancji w kształcie walca o średnicy Ø0,40 mm.

– Współosiowość (tylko system ISO GPS)
Pole tolerancji w przypadku współosiowości definiowane jest przez walec o średnicy równej wartości tolerancji z ramki. Tolerancja współosiowości określa położenie osi danego elementu względem osi elementu bazowego. Wartość tolerancji poprzedzana jest symbolem Ø. Współosiowość w 2018 roku została usunięta z systemu ASME GD&T.

Na rysunku mamy wymaganie, aby stopień wałka o mniejszej średnicy mieścił się w polu tolerancji 0,40 mm względem bazy -A-, czyli osi stopnia wałka o większej średnicy.

– Symetria (tylko system ISO GPS)
W przypadku symetrii pole tolerancji tworzone jest przez dwie równoległe płaszczyzny oddalone od siebie o wartość tolerancji. Ale to nie wszystko. Między nimi zlokalizowana jest jeszcze trzecia płaszczyzna będąca jednocześnie bazą. Odległość pomiędzy każdą z płaszczyzn a bazą jest taka sama.

Powierzchnia środkowa zaobserwowana tolerowanych elementów powinna zawierać się między wspomnianymi dwoma płaszczyznami tworzącymi pole tolerancji. Symetria, analogicznie jak współosiowość, od 2018 roku nie występuje w normie ASME Y14.5.

Poniższy przykład obrazuje wymaganie tolerancji symetrii, gdzie odległość między płaszczyznami wynosi 0,40 mm, zaś odległość każdej z nich do bazy -A- jest równa 0,20 mm. Co ważne, w polu tolerancji nie mają być zlokalizowane ścianki elementu, ale znajdująca się między nimi płaszczyzna symetrii.

Tolerancje profilu

Tolerancja profilu definiuje odchylenie kształtu, kierunku i położenia danego elementu, który może, ale nie musi odnosić się do bazy. Zależy to pod jakim kątem tolerowany jest dany element. Norma ISO 1101 zalicza tolerancję profilu osobno jako element tolerancji kształtu, kierunku i położenia. W pierwszym przypadku nie odnosimy się do bazy natomiast w pozostałych już tak.

– Profil linii
Pole tolerancji tworzone jest przez dwie linie wyznaczone przez obwiednie okręgów o średnicy równej wartości tolerancji. Profil części ma mieścić się w wymaganej tolerancji niezależnie od przekroju.

Profil linii poniższej części musi mieścić się w polu tolerancji utworzonym przez okręgi o średnicy 0,40 mm.

– Profil powierzchni
W przypadku tolerancji profilu powierzchni pole tolerancji tworzone jest przez dwie płaszczyzny, których położenie określane jest przez obwiednie sfer. Wartość tolerancji z ramki definiuje średnicę sfer.

Poniższy przykład wymaga, aby profil powierzchni mieścił się w polu tolerancji utworzonym przez sfery o średnicy 0,40 mm.

Tolerancje bicia

Tolerancja bicia określa odchylenie elementu osiowowo-symentrycznego w stosunku do elementów odniesienia podczas ich obrotu wokół własnej osi. Samo bicie występuje, gdy geometria części nie jest idealnie symetryczna. Jak wspomnieliśmy tolerancja bicia wymaga elementu odniesienia, czyli bazy. Co ciekawe strzałki według normy ASME Y14.5 mogą, ale nie muszą być wypełnione.

– Bicie obwodowe
Zwane również biciem kołowym. Dzieli się na bicie promieniowe oraz osiowe. W pierwszym przypadku pole tolerancji ograniczone jest przez dwa koncentryczne okręgi leżące na tej samej płaszczyźnie oraz o różnicy promieni równej wartości tolerancji. Osie otworów tworzących pole tolerancji pokrywają się z osią elementu odniesienia. Występują one w każdym przekroju tolerowanego elementu analogicznie jak to miało miejsce w przypadku tolerancji okrągłości.

Drugim rodzajem jest bicie osiowe, gdzie pole tolerancji utworzone jest przez dwa równoległe okręgi oddalone o wartość tolerancji. Środki tych okręgów również pokrywają się z osią elementu odniesienia. W przypadku bicia promieniowego mieliśmy wałek podzielony płaszczyznami natomiast przy biciu osiowym mamy różne średnice elementu tolerowanego.

Poniższy rysunek przedstawia bicie obwodowe promieniowe. Bazą -A- jest oś większego stopnia wałka, natomiast pole tolerancji określone zostało przez dwa okręgi o różnicy promieni równej 0,40 mm.

– Bicie całkowite
Bicie całkowite również dzieli się na promieniowe i osiowe. W pierwszym przypadku mamy analogiczne podejście jak pomiędzy tolerancją okrągłości i walcowości. Pole tolerancji tworzone jest przez dwa koncentryczne walce, których osie pokrywają się z osią elementu odniesienia. Wartość tolerancji z ramki określa różnicę w promieniach walców. Natomiast przy biciu całkowitym osiowym pole tolerancji tworzone jest przez dwie płaszczyzny oddalone od siebie o wartość tolerancji.

Tym razem na rysunku poniżej przedstawione zostało pole tolerancji dla bicia całkowitego, ale osiowego. Odległość między dwoma płaszczyznami wynosi 0,40 mm.

Podsumowując…

Tolerancje geometryczne to 14 różnych symboli, które definiują geometrię danego wyrobu. Wyróżnia się tolerancję kształtu, kierunku, położenia, bicia a także profilu. Rysunek może odwoływać się do jednego z dwóch systemów tolerowania, którymi są ASME GD&T oraz ISO GPS. Z pierwszym będziemy mieli do czynienia jeśli konstrukcja danego wyrobu zaprojektowana została przez firmy amerykańskie. Natomiast system oparty o ISO stosowany jest w pozostałych regionach świata. Chociaż nie zawsze tak musi być.

Jedną z podstawowych różnic między obydwoma systemami jest brak symetrii oraz współosiowości w przypadku ASME GD&T a także osobna grupa definiująca tolerancję profilu. W przypadku norm ISO profil określany jest jako części tolerancji kształtu, kierunku lub położenia.

Wszystkie tolerancje geometryczne za wyjątkiem kształtu wymagają odniesienia do innego elementu danej części, czyli do bazy. Może nią być punkt a dużo częściej oś lub płaszczyzna.

Mam nadzieję, że materiał ten nieco przybliżył Wam podstawy tematyki tolerowania geometrycznego części. Stanowi on niejako wprowadzenie do danego zagadnienia, bowiem jest ono dużo bardziej złożono. Możemy przekonać się o tym przeglądając chociażby normy powiązane z tym tematem. Przykładowo ASME Y14.5 to ponad 300 stron opisujących różne przypadki. Dlatego nie było innej opcji jak celowo pominąć niektóre szczegóły. Do zobaczenia w następny poniedziałek!