Runout e concentricità: come definire, misurare e applicare queste tolleranze di precisione

Cosa si misura o controlla realmente

Per iniziare, è fondamentale distinguere due concetti spesso confusi, ma con significati e applicazioni completamente diversi:

• La concentricità è una tolleranza di posizione che definisce quanto un elemento geometrico (per esempio l’asse di un albero, il centro di un foro) è allineato con un riferimento di base, chiamato elemento di riferimento. In parole semplici: se hai un albero e lo consideri come un riferimento, la concentricità di un foro sulla sua estremità indica quanto il centro del foro si sposta rispetto all’asse dell’albero se lo ruoti di 360 gradi.
• Il runout è una tolleranza di movimento che misura la deviazione di un elemento geometrico rispetto a un riferimento durante la rotazione. Esistono due tipi principali di runout:
  1. Runout circolare: Misura la deviazione di un punto specifico della superficie di un pezzo rispetto al riferimento, in un piano perpendicolare all’asse di rotazione. Per esempio, se ruoti un albero e misuri la deviazione della sua superficie in un solo punto, quello è il runout circolare.
  2. Runout totale: Misura la deviazione di tutta la superficie del pezzo rispetto al riferimento, lungo tutta la sua lunghezza. Per esempio, se ruoti un albero e misuri la deviazione della sua superficie in tutti i punti lungo il suo asse, quello è il runout totale.

Un modo semplice per ricordare la differenza: la concentricità si concentra sul centro degli elementi, il runout sulla deviazione delle superfici durante la rotazione.

Perché è importante

La corretta gestione di runout e concentricità influisce direttamente sulla funzione, l’assemblaggio e i costi di produzione di un pezzo:

• Funzione del pezzo: Per alberi rotanti, un runout troppo elevato causa vibrazioni e usura precoce dei cuscinetti. Per ingranaggi, una concentricità non corretta porta a rumore e perdita di efficienza. Per componenti medici o aerospaziali, anche piccole deviazioni possono compromettere la sicurezza.
• Assemblaggio: Se un pezzo ha un runout troppo elevato, non si adatta correttamente agli altri componenti. Per esempio, un albero con un runout di 0,1 mm non si inserisce in un foro con una tolleranza di 0,05 mm, causando blocchi o giochi eccessivi.
• Costi: Definire una tolleranza troppo stretta aumenta i costi di produzione e controllo, mentre una tolleranza troppo larga causa difetti e scarti. Per esempio, un pezzo che richiede un runout di 0,002 mm necessita di macchine più precise e controlli più complessi, con un aumento dei costi del 30-50% rispetto a un pezzo con un runout di 0,01 mm.

Come si misura o si ottiene

La misurazione di runout e concentricità si divide in due categorie: metodi di ispezione statica e metodi di ispezione rotante. I metodi di ispezione rotante sono i più comuni in officina, perché replicano le condizioni di funzionamento del pezzo.

Metodi di ispezione rotante

1. Indicatore a quadrante su tornio o centro di lavoro: È il metodo più semplice e diffuso. Il pezzo viene montato su un mandrino rotante (per esempio il mandrino di un tornio CNC o di un centro di lavoro verticale), un indicatore a quadrante viene posizionato sulla superficie da controllare, e il pezzo viene ruotato di 360 gradi. La deviazione massima dell’indicatore è il runout.
   • Per il runout circolare: L’indicatore viene posizionato in un solo punto della superficie.
   • Per il runout totale: L’indicatore viene spostato lungo tutta la lunghezza della superficie mentre il pezzo ruota.
   • Limiti di precisione: La precisione dipende dalla macchina utilizzata. Per esempio, il centro di lavoro verticale GA-DV750 ha una precisione di posizionamento di 0,003 mm e una ripetibilità di 0,0024 mm, quindi può misurare runout con una precisione minima di circa 0,005 mm. Il centro di lavoro a cinque assi ad alta precisione GA-UHD500, con una precisione di posizionamento di 0,006 mm e una ripetibilità di 0,004 mm, può misurare runout con una precisione minima di circa 0,003 mm.
2. Misuratore di runout laser: Utilizza un raggio laser per misurare la deviazione della superficie del pezzo. È più veloce e preciso dell’indicatore a quadrante, soprattutto per pezzi di grandi dimensioni o con superfici complesse.
   • Limiti di precisione: Può raggiungere una precisione di 0,001 mm, ma è più costoso e richiede una calibrazione frequente.
3. Macchina di misura a coordinate (CMM) con rotazione: La CMM è una macchina che misura le dimensioni e le forme dei pezzi con alta precisione. Per misurare runout o concentricità, il pezzo viene montato su un mandrino rotante integrato nella CMM, e la macchina misura la deviazione della superficie durante la rotazione.
   • Limiti di precisione: Può raggiungere una precisione di 0,0005 mm, ma è molto costosa e richiede un ambiente controllato (temperatura, umidità, vibrazioni).

Metodi per ottenere le tolleranze

Per ottenere le tolleranze di runout e concentricità richieste, è necessario controllare diversi fattori durante la produzione:

• Precisione della macchina: La macchina utilizzata per lavorare il pezzo deve avere una precisione sufficiente. Per esempio, per ottenere un runout di 0,005 mm, è necessario utilizzare una macchina con una precisione di posizionamento di almeno 0,003 mm, come il GA-DV750. Per ottenere un runout di 0,002 mm, è necessario utilizzare una macchina come il GA-UHD500, con una precisione di posizionamento di 0,006 mm e una ripetibilità di 0,004 mm.
• Fissaggio del pezzo: Il pezzo deve essere fissato in modo sicuro e preciso. Un fissaggio non corretto causa deviazioni anche se la macchina è precisa. Per esempio, un pezzo montato su un mandrino con un gioco di 0,002 mm avrà un runout di almeno 0,002 mm, anche se la macchina è perfetta.
• Strumenti di taglio: Gli strumenti di taglio devono essere affilati e bilanciati. Uno strumento non bilanciato causa vibrazioni e deviazioni durante la lavorazione. Per esempio, un utensile per mandrino HSK-E40 (come quello del GA-DV750) deve essere bilanciato a G2,5 a 30000 rpm per evitare vibrazioni.
• Condizioni di lavorazione: La velocità di rotazione, l’avanzamento e la profondità di taglio devono essere adattati al materiale del pezzo. Velocità troppo elevate o profondità di taglio troppo grandi causano vibrazioni e deviazioni.

Fonti di errore

Il valore misurato di runout o concentricità non è solo dovuto alla deviazione del pezzo, ma anche a errori di misurazione e di produzione. Le principali fonti di errore sono:

1. Errore del mandrino: Il mandrino della macchina su cui è montato il pezzo ha un proprio runout. Per esempio, un mandrino di un centro di lavoro verticale può avere un runout di 0,001 mm, che si aggiunge al runout del pezzo.
2. Errore di fissaggio: Il pezzo non è montato correttamente sul mandrino, con giochi o disallineamenti. Per esempio, un pezzo montato su un mandrino con un gioco di 0,002 mm avrà un runout di almeno 0,002 mm.
3. Errore dello strumento di misura: L’indicatore a quadrante o il laser hanno una precisione limitata. Per esempio, un indicatore a quadrante con una precisione di 0,001 mm può avere un errore di lettura di 0,0005 mm.
4. Errore di ambiente: La temperatura, l’umidità e le vibrazioni influiscono sulla misurazione. Per esempio, una variazione di temperatura di 1°C causa una dilatazione di un pezzo di acciaio di 0,012 mm per metro di lunghezza, che influisce sulla misurazione.
5. Errore di lavorazione: La macchina ha errori di posizionamento o di ripetibilità. Per esempio, il centro di lavoro verticale GA-MV856 ha una precisione di posizionamento di 0,010 mm e una ripetibilità di 0,006 mm, quindi può causare errori di lavorazione di queste dimensioni.

Limiti onesti

È importante conoscere i limiti dei metodi di misurazione e delle tolleranze, per evitare errori di valutazione:

1. I metodi di ispezione rotante non misurano la concentricità direttamente: La concentricità è una tolleranza di posizione, che richiede la misurazione del centro degli elementi. I metodi di ispezione rotante misurano il runout, che è una deviazione delle superfici. Per ottenere la concentricità, è necessario calcolare il centro degli elementi dalla misurazione del runout, o utilizzare una CMM.
2. Il runout totale non indica la forma della superficie: Il runout totale misura la deviazione massima della superficie, ma non indica se la deviazione è uniforme o localizzata. Per esempio, un pezzo può avere un runout totale di 0,005 mm, ma con una deviazione localizzata di 0,01 mm in un punto specifico, che può causare problemi di funzionamento.
3. Le tolleranze non possono essere più strette della precisione della macchina: Per esempio, se una macchina ha una precisione di posizionamento di 0,003 mm, non è possibile ottenere un runout di 0,001 mm, perché l’errore della macchina è maggiore della tolleranza richiesta.
4. La sovrastima della precisione: Molte aziende definiscono tolleranze troppo strette, senza considerare i costi e i limiti delle macchine. Per esempio, definire un runout di 0,002 mm per un pezzo che non richiede una precisione così elevata aumenta i costi di produzione e controllo senza alcun beneficio.

Tabella riassuntiva

Checklist pratica per applicare correttamente le tolleranze

1. Definisci la tolleranza in base alla funzione del pezzo: Non definire tolleranze troppo strette senza una giustificazione. Per esempio, un albero per un motore elettrico richiede un runout di 0,005 mm, mentre un albero per un sistema di trasporto può accettare un runout di 0,02 mm.
2. Scegli la macchina adatta alla tolleranza richiesta: Per un runout di 0,003 mm, utilizza una macchina come il GA-DV750 o il GA-UHD500. Per un runout di 0,01 mm, puoi utilizzare una macchina come il GA-MV856.
3. Controlla il runout del mandrino prima della misurazione: Monta un pezzo di riferimento (per esempio un albero calibrato) e misura il runout del mandrino. Sottrai questo valore dal runout misurato del pezzo per ottenere il valore reale.
4. Fissa il pezzo correttamente: Assicurati che il pezzo sia montato senza giochi e che sia allineato con l’asse del mandrino. Per pezzi di grandi dimensioni, utilizza fissaggi a tre punti per garantire l’allineamento.
5. Controlla la temperatura del pezzo e dell’ambiente: Per misurazioni di precisione, assicurati che il pezzo e l’ambiente siano alla temperatura di riferimento (generalmente 20°C). Attendi che il pezzo si stabilizzi alla temperatura ambiente prima della misurazione.
6. Misura più volte per confermare il risultato: Misura il runout del pezzo più volte, cambiando la posizione dell’indicatore o del pezzo sul mandrino. Se i risultati sono coerenti, il valore è affidabile.

FAQ

1. Qual è la differenza tra runout circolare e runout totale? Il runout circolare misura la deviazione di un solo punto della superficie del pezzo durante la rotazione, mentre il runout totale misura la deviazione di tutta la superficie lungo tutta la sua lunghezza. Il runout circolare è adatto per controllare la precisione di un punto specifico, mentre il runout totale è adatto per controllare la precisione di tutta la superficie.

2. Quando è necessario utilizzare l’ispezione rotante? L’ispezione rotante è necessaria quando il pezzo ruota durante il funzionamento, per esempio alberi, ingranaggi, mandrini. Questo metodo replica le condizioni di funzionamento del pezzo, quindi la misurazione è più affidabile di un’ispezione statica.

3. Posso misurare la concentricità con un indicatore a quadrante? No, l’indicatore a quadrante misura il runout, che è una deviazione delle superfici. La concentricità è una tolleranza di posizione che richiede la misurazione del centro degli elementi. Per misurare la concentricità, è necessario utilizzare una CMM o calcolare il centro degli elementi dalla misurazione del runout.

4. Qual è la tolleranza minima di runout che posso ottenere con una macchina CNC? La tolleranza minima di runout dipende dalla precisione della macchina. Con una macchina ad alta precisione come il GA-UHD500, è possibile ottenere un runout di 0,002 mm. Con una macchina standard come il GA-MV856, è possibile ottenere un runout di 0,005 mm.

5. Perché il runout misurato è maggiore della precisione della macchina? Il runout misurato è la somma di più errori: l’errore della macchina, l’errore di fissaggio del pezzo, l’errore dello strumento di misura e l’errore di ambiente. Anche se la macchina ha una precisione di 0,003 mm, l’errore di fissaggio può aggiungere 0,002 mm, portando a un runout misurato di 0,005 mm.

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