Tolleranze di forma: planarità, rettilineità, circolarità, cilindricità

Cosa viene effettivamente misurato o controllato

Le tolleranze di forma sono parametri geometrici che definiscono la deviazione massima consentita della forma di una superficie o di un elemento di un pezzo, senza riferimento a un sistema di assi o a una superficie di riferimento (datum, termine tecnico che indica un elemento geometrico di riferimento per la misurazione di altre caratteristiche). A differenza delle tolleranze di posizione o di orientamento, che dipendono da un riferimento esterno, le tolleranze di forma descrivono la “qualità intrinseca” della forma di un elemento. Ecco le definizioni in linguaggio semplice delle quattro tipologie più comuni:

• Planarità: Misura quanto una superficie piana si discosta da un piano ideale perfetto. Non importa dove sia posizionata la superficie nello spazio, ma solo se è “piatta” al suo interno.
• Rettilineità: Misura quanto una linea (può essere un bordo, un asse di un foro o una generatrice di un cilindro) si discosta da una linea retta ideale.
• Circolarità: Misura quanto una sezione trasversale di un elemento cilindrico, conico o sferico si discosta da un cerchio ideale.
• Cilindricità: Misura quanto un elemento cilindrico completo si discosta da un cilindro ideale. Combina la rettilineità delle generatrici, la circolarità delle sezioni trasversali e la coassialità delle sezioni tra loro, senza riferimenti esterni.

Perché è importante

Le tolleranze di forma influenzano direttamente la funzionalità, l’assemblaggio e i costi di produzione dei pezzi, anche quando non sono esplicitamente richieste da un disegno. Ecco alcuni esempi pratici:

• Planarità: Una superficie di appoggio non piatta può causare vibrazioni in un componente meccanico, perdite di tenuta in una guarnizione o un montaggio non uniforme che riduce la durata utile del pezzo. Per esempio, una base di un motore con una planarità non sufficiente può portare a un’usura prematura dei cuscinetti.
• Rettilineità: Un asse di un albero non rettilineo può causare vibrazioni durante la rotazione, mentre un bordo non rettilineo di una guarnizione può causare perdite.
• Circolarità: Un foro non circolare può impedire l’inserimento di un perno o causare un gioco eccessivo che riduce la precisione di un sistema. Per esempio, un foro per un cuscinetto con una circolarità insufficiente può portare a un funzionamento rumoroso e a un guasto precoce.
• Cilindricità: Un cilindro non perfetto può causare perdite in un sistema idraulico o pneumatico, o un’usura eccessiva tra un albero e un foro accoppiati.

Dal punto di vista dei costi, tolleranze di forma troppo strette aumentano i tempi di lavorazione e di controllo, mentre tolleranze troppo larghe possono causare guasti o costi di riparazione.

Come viene misurato o ottenuto

La misurazione delle tolleranze di forma può essere effettuata con metodi manuali o automatici, a seconda della precisione richiesta. Ecco i metodi più comuni per ogni tipologia:

Planarità

• Metodo manuale: Utilizzo di un comparatore (strumento di misura con una punta sensibile che indica la deviazione da un riferimento) montato su un supporto, o di un piano di riscontro (superficie piana di precisione). Il pezzo viene appoggiato sul piano di riscontro, e il comparatore viene spostato sulla superficie da controllare per rilevare le deviazioni. La differenza tra la misura massima e minima registrata è la planarità.
• Metodo automatico: Utilizzo di una macchina di misura a coordinate (MMC, termine tecnico che indica una macchina che misura le coordinate di punti di una superficie per ricostruirne la forma) o di un sensore laser che rileva la distanza della superficie in più punti.

Rettilineità

• Metodo manuale: Utilizzo di un comparatore su un supporto, o di un righello di precisione. Per esempio, per controllare la rettilineità di un bordo, il righello viene appoggiato sul bordo e la luce che passa tra il righello e il bordo indica la deviazione.
• Metodo automatico: Utilizzo di un sensore laser che rileva la deviazione della linea da una traiettoria retta ideale.

Circolarità

• Metodo manuale: Utilizzo di un comparatore montato su un mandrino rotante. Il pezzo viene posizionato in modo che l’asse del mandrino coincida con l’asse della sezione da controllare, e il comparatore rileva le deviazioni durante la rotazione.
• Metodo automatico: Utilizzo di una MMC o di un sensore laser che rileva la distanza della superficie in più punti della sezione.

Cilindricità

• Metodo manuale: Utilizzo di un comparatore su un mandrino rotante, spostato lungo l’asse del pezzo per controllare più sezioni.
• Metodo automatico: Utilizzo di una MMC o di un sensore laser che rileva la forma del cilindro completo.

Per ottenere tolleranze di forma precise, la scelta della macchina utensile è fondamentale. Per esempio:

• Per tolleranze di planarità di 0,005 mm su superfici di piccole dimensioni, la GA-DV750 (centro di lavorazione verticale con precisione di posizionamento di 0,003 mm e ripetibilità di 0,0024 mm) è adatta, grazie al suo mandrino elettrico ad alta velocità.
• Per tolleranze di cilindricità di 0,01 mm su pezzi di grandi dimensioni, la GA-MVD2560 (centro di lavorazione verticale a doppio mandrino con precisione di posizionamento di 0,015 mm) può essere utilizzata, anche se richiede una corretta impostazione dei parametri di lavorazione.

Fonti di errore

Le deviazioni di forma di un pezzo non dipendono solo dalla macchina utensile, ma da una combinazione di fattori:

1. Precisione della macchina utensile: La precisione di posizionamento e la ripetibilità della macchina influenzano la forma del pezzo. Per esempio, una macchina con una precisione di posizionamento di 0,01 mm non può produrre un pezzo con una planarità di 0,005 mm, perché la deviazione della macchina stessa è maggiore della tolleranza richiesta.
2. Deformazione del pezzo: Durante la lavorazione, il pezzo può deformarsi per l’azione delle forze di taglio o per il calore generato dal processo. Per esempio, un pezzo di alluminio sottile può deformarsi durante la fresatura, causando una planarità insufficiente.
3. Deformazione della macchina utensile: Anche la macchina può deformarsi per l’azione delle forze di taglio, soprattutto per lavorazioni pesanti. Per esempio, una macchina con un mandrino meccanico può subire una deformazione maggiore di una macchina con un mandrino elettrico durante la lavorazione di materiali duri.
4. Impostazione della lavorazione: Parametri di taglio sbagliati (velocità di taglio, avanzamento, profondità di passata) possono causare deviazioni di forma. Per esempio, un avanzamento troppo alto può causare vibrazioni che influenzano la rettilineità di un bordo.
5. Errore di misurazione: Anche la misurazione può avere errori, dovuti a una calibrazione sbagliata dello strumento o a un’errata impostazione del pezzo durante la misurazione.

Limiti onesti

Le tolleranze di forma hanno dei limiti che spesso non sono considerati, e che possono portare a errori di valutazione:

1. Non indicano la posizione o l’orientamento: Una superficie può essere perfettamente piatta, ma posizionata in modo sbagliato rispetto a un riferimento. Per esempio, una base di un motore può avere una planarità di 0,002 mm, ma essere inclinata di 1 grado rispetto all’asse del motore, causando problemi di montaggio.
2. Non indicano la rugosità: La planarità descrive la deviazione della forma su una scala ampia, mentre la rugosità descrive le deviazioni su una scala piccola. Una superficie può avere una planarità perfetta, ma essere molto ruvida, e viceversa.
3. Dipendono dalla scala di misurazione: La planarità di una superficie può essere diversa a seconda della lunghezza della misurazione. Per esempio, una superficie può avere una planarità di 0,005 mm su una lunghezza di 100 mm, ma di 0,02 mm su una lunghezza di 500 mm.
4. Sono influenzate dalle condizioni di misurazione: La misurazione delle tolleranze di forma può essere influenzata dalla temperatura, dalla pressione applicata al pezzo o dalla stabilità dello strumento. Per esempio, una misurazione effettuata in un ambiente con una temperatura di 30 °C può dare risultati diversi da una misurazione effettuata a 20 °C, a causa della dilatazione termica del pezzo.
5. Non garantiscono la funzionalità: Una tolleranza di forma conforme non garantisce che il pezzo funzioni correttamente. Per esempio, un foro con una circolarità perfetta può avere un diametro sbagliato, impedendo l’inserimento di un perno.

Tabella riassuntiva

Checklist pratica per l’applicazione corretta

1. Definisci la tolleranza in base alla funzionalità: Non richiedere tolleranze più strette del necessario, per evitare costi eccessivi. Per esempio, una superficie di appoggio per un componente non critico può avere una planarità di 0,02 mm, invece di 0,005 mm.
2. Scegli la macchina utensile adatta: Verifica che la precisione della macchina sia superiore alla tolleranza richiesta. Per esempio, per una tolleranza di cilindricità di 0,005 mm, utilizza una macchina come la GA-UHD500 (centro di lavorazione a cinque assi ad alta precisione con precisione di posizionamento di 0,006 mm e ripetibilità di 0,004 mm).
3. Controlla le deformazioni del pezzo: Per pezzi sottili o di materiali sensibili al calore, utilizza parametri di taglio adatti e sistemi di raffreddamento per ridurre le deformazioni.
4. Calibra regolarmente gli strumenti di misurazione: Verifica la precisione dei comparatori, dei piani di riscontro e delle MMC per evitare errori di misurazione.
5. Considera le condizioni di misurazione: Effettua le misurazioni in un ambiente con temperatura controllata, se la tolleranza è molto stretta, per evitare errori dovuti alla dilatazione termica.
6. Verifica la funzionalità oltre alla tolleranza: Dopo aver controllato la tolleranza di forma, verifica che il pezzo funzioni correttamente nel sistema in cui deve essere montato.

FAQ

1. Le tolleranze di forma possono essere controllate senza strumenti di precisione? Sì, per tolleranze larghe si possono utilizzare metodi semplici, come il controllo della planarità con un righello e la luce, o il controllo della circolarità con un comparatore su un mandrino rotante di base. Per tolleranze strette, invece, sono necessari strumenti di precisione come le MMC o i sensori laser.

2. Qual è la tolleranza di forma massima che una macchina utensile può garantire? Dipende dalla macchina. Per esempio, la GA-DV750 può garantire una planarità di 0,003 mm, mentre la GA-GF4028 (centro di lavorazione a portale pesante) può garantire una planarità di 0,02 mm su superfici di grandi dimensioni. La tolleranza massima dipende anche dalle dimensioni del pezzo e dalle condizioni di lavorazione.

3. Le tolleranze di forma sono più importanti delle tolleranze di diametro? Dipende dall’applicazione. Per un accoppiamento tra un albero e un foro, sia la tolleranza di diametro che la tolleranza di forma sono importanti. Per esempio, un foro con un diametro corretto ma una circolarità insufficiente può causare un gioco eccessivo o un montaggio difficile.

4. Come si può ridurre le deviazioni di forma di un pezzo durante la lavorazione? Si può ridurre le deviazioni utilizzando parametri di taglio adatti, sistemi di raffreddamento efficaci, fissaggi adatti per ridurre le deformazioni del pezzo e macchine utensili con alta precisione. Per esempio, per ridurre la planarità di un pezzo di alluminio sottile, si può utilizzare un avanzamento basso e un raffreddamento ad acqua.

5. Le tolleranze di forma sono richieste per tutti i pezzi? No, per pezzi non critici le tolleranze di forma possono essere omesse, e la forma viene controllata in base alla funzionalità. Per esempio, un supporto per un componente non critico può non avere una tolleranza di planarità specificata, e la sua forma viene controllata solo per verificare che il componente si monti correttamente.

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