Digitalisierung Welche Vorteile die Toleranzmittenkonstruktion hat

Autor / Redakteur: Johann Hofmann / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Um Konstruktion und CAM-Programmierung in Einklang zu bringen, bietet sich die Toleranzmittenkonstruktion an. Bei der Maschinenfabrik Reinhausen hat man bereits vor 25 Jahren darauf umgestellt und verschiedene Vorteile daraus generiert. Unser Autor zeigt vier Wege auf, wie NC-Programme mit Sollmaßen programmiert werden können.

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Nennmaß- vs. Mittetoleranzkonstruktion – ein viel diskutiertes Thema. Beide Herangehensweisen haben Vor- und Nachteile.
Nennmaß- vs. Mittetoleranzkonstruktion – ein viel diskutiertes Thema. Beide Herangehensweisen haben Vor- und Nachteile.
(Bild: KPixMining)

Konstrukteure konstruieren üblicherweise auf Nennmaß (R20), siehe Bild 1. Als Maßangabe ist das Nennmaß eine Größe, die unter Berücksichtigung der Toleranzangaben dazu dient, die zulässigen Grenzmaße eines Bauteils oder einer Baugruppe festzulegen. Die Grenzmaße sind das Größtmaß (20,0) und das Kleinstmaß (19,8), zwischen denen das Istmaß eines Werkstückes liegen muss. Die Grenzmaße werden in der Regel durch den Konstrukteur mit Toleranzangaben auf der Zeichnung festgelegt. Der Wert in der Mitte des Toleranzfeldes wird als Sollmaß (19,9) bezeichnet.

Bild 1: Beispiel zu Nennmaß.
Bild 1: Beispiel zu Nennmaß.
(Bild: Maschinenfabrik Reinhausen)

CAD/CAM-Programmierer erzeugen aus CAD-Daten ein NC-Programm, mit dem anschließend das Werkstück gefertigt wird. Es ist für den CAD/CAM-Programmierer ein großer Zeitvorteil, wenn er die Konstruktionsdaten digital aus dem CAD-System übernehmen kann. Hierbei gibt es folgende Hürde zu meistern:

  • Der Konstrukteur konstruiert mit Nennmaßen.
  • Der CAD/CAM-Programmierer programmiert mit Sollmaßen, denn in der NC-Fertigung können durch Werkzeugverschleiß bzw. Spannvorrichtungstoleranzen Abweichungen in beide Richtungen entstehen.

Um die Zeichnungstoleranzen einzuhalten, ist deshalb die Sollmaßprogrammierung unabdingbar.

Dazu gibt es die folgenden vier Lösungsansätze:

  • Der CAD/CAM-Programmierer verwendet die CAD-Daten nicht und zeichnet stattdessen die benötigten Konturen im CAM-System auf Sollmaß. Im Sinne von Industrie 4.0 ist das der falsche Weg.
  • Der CAD/CAM-Programmierer verwendet zwar die CAD-Daten und schiebt dann allerdings selbst die betroffenen Linien auf Toleranzmitte (R19.9). Dabei entstehen Lücken an beiden Endpunkten der geschobenen Linie (siehe Bild 2). Zum Schließen dieser Lücken muss der Programmierer auch die angrenzenden Linien schieben. Dadurch kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden. Der Programmierer würde dadurch selbst zum Konstrukteur und könnte durch Unkenntnis der Bauteilgruppe ungewollte Effekte am Bauteil auslösen.

Bild 2: Beispiel zu Sollmaß.
Bild 2: Beispiel zu Sollmaß.
(Bild: Maschinenfabrik Reinhausen)

  • Der CAD/CAM-Programmierer verwendet eines der am Markt verfügbaren Toleranzmittenmodule. Diese Toleranzmittenmodule verschieben die Kontur inklusive der angrenzenden Geometrien automatisch auf Toleranzmitte. Nachteil: Toleranzmittenmodule stoßen bei aufwändigen Geometrien an ihre Grenzen und erzeugen unter Umständen unbemerkt fehlerhafte Geometrien mit langfristigen Nachwehen – bis hin zu später notwendigen Rückrufaktionen von fehlerhaften Produkten.
  • Der Konstrukteur konstruiert mit Sollmaßen auf Toleranzmitte. Laut Bild 2 würde das bedeuten, der Konstrukteur konstruiert einen Radius von 19,9. In der Regel erzeugt diese Anforderung in den Konstruktionsabteilungen einen Aufschrei und eine strikte Ablehnung.

Mit Sollmaß auf Toleranzmitte

Die Maschinenfabrik Reinhausen hat sich bereits 1995 für diesen Weg entschieden: Alle tolerierten Maße (Bild 3), mit Ausnahme der ISO-Maße, werden mit Sollmaß auf Toleranzmitte konstruiert.

Bild 3: unsymmetrische Toleranzangaben.
Bild 3: unsymmetrische Toleranzangaben.
(Bild: Maschinenfabrik Reinhausen)

ISO-Maße (z.B. Ø8 H7) werden aus folgenden zwei Gründen nicht auf Toleranzmitte gezeichnet:

  • 1. Bei manchen Elementen ist es fertigungstechnisch nicht notwendig, weil das Maß durch das Werkzeug (Bohrer oder Reibahle) erzeugt wird.
  • 2. Im CAD-System müsste dazu die Maßzahl manipuliert werden, was wegen der Datenkonsistenz strengstens verboten ist.

Vorteile der Toleranzmittenkonstruktion für die Konstruktionsabteilung

Zu Beginn war dieser Weg der Toleranzmittenkonstruktion nur mit einem großen Maß an Hartnäckigkeit durchzusetzen. Erfreulicherweise kam etwa zwei Jahre nach Einführung der Toleranzmittenkonstruktion die Rückmeldung aus der Konstruktion, dass auch die Konstrukteure mittlerweile folgende Vorteile darin sehen:

  • Bei der Summen-Toleranzrechnung an einer Maßkette mit Nennmaßen werden vereinzelt, u. a. durch Flüchtigkeitsfehler, unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Die Summen-Toleranzrechnung bei einer Maßkette mit Sollmaßen, selbst mit unterschiedlichsten Größt- und Kleinstmaßen, ist einfacher zu bewerkstelligen und erhöht damit die Konstruktionssicherheit für Baugruppen.
  • Darüber hinaus kann es für den Konstrukteur erhellend sein bei komplexen Baugruppen mit vielen Summentoleranzen die Auswirkungen der Sollmaße an der Bauteilgruppe bereits am Bildschirm zu erkennen.

Werksnorm erhöht Effizienz

Die Maschinenfabrik Reinhausen hat deshalb vor langer Zeit, getrieben durch die Hartnäckigkeit der CAM-Abteilung, eine eigene Werksnorm zur Toleranzmittenkonstruktion erstellt, die seit langem jedem Konstrukteur zur Gewohnheit geworden ist. Das hat die Effektivität und Qualität in der NC-Programmierung deutlich erhöht und auch der Konstruktion nicht unerhebliche Vorteile gebracht.

Die Werksnorm beinhaltet folgende Ausnahme von dieser Regel: Beim Drehen von Wellen mit ISO-Programmierung (z.B. Lagersitze) muss die CAM-Programmierung aufgrund des oben genannten Punktes 2 die Linien von Hand bzw. mit Software auf Toleranzmitte schieben.

Über den Autor

Dipl.-Ing.(FH) Johann Hofmann ist Founder & Venture Architect of Value-Facturing bei der Maschinenfabrik Reinhausen. In den letzten 30 Jahren entwickelte er mit seinem Team in der Maschinenfabrik Reinhausen die Grundlagen für eine Digitale Fertigung und holte mit dem daraus entstandenen Assistenzsystem Value-Facturing 2013 den erstmals vergebenen „Industrie 4.0-Award“. Darüber hinaus war er mit dem Geschäftsbereich ValueFacturing bereits zweimal Finalist beim Innovationspreis der deutschen Wirtschaft. Seit mehreren Jahren wird diese Lösung auch an andere Betriebe mit diskreter Fertigung im deutschsprachigen Raum vermarktet. Heute ist sie ein entscheidender Baustein auf dem Weg zur Smart Factory im Sinne von Industrie 4.0.
Der Digitalisierungsexperte und Buchautor ist Mitglied im Vorstand der Plattform für Innovation in Deutschland (PFI-D) und Keynote-Speaker für INDUSTRIE 4.0.

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* Dipl.-Ing.(FH) Johann Hofmann, Maschinenfabrik Reinhausen GmbH

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