Ajuster les tolérances pour obtenir de meilleures pièces usinées

La normalisation, obtenue grâce aux tolérances, est ancienne, mais essentielle pour le commerce mondial

Le concept d’interchangeabilité des composants et le tolérancement dimensionnel font partie intégrante de la fabrication moderne. L’intérêt de produire des pièces « identiques » qui s’adaptent à n’importe quel assemblage du même type existe depuis 1841, et probablement avant. Sir Joseph Whitworth a mis au point la forme du filetage BSW (British Standard Whitworth), qui a amélioré à jamais la fabrication. Cela a permis à la fois la concurrence et la coopération entre différentes entreprises de fabrication.

La perfection peut entraver le progrès

Il est facile d’ajouter des tolérances serrées et de surcontraindre avec le dimensionnement et le tolérancement géométriques (GD&T) au stade de la conception et du prototype. Cela entraînera inévitablement une hausse des coûts de fabrication et limitera les possibilités d’approvisionnement à un stade plus avancé du cycle de développement. Les tolérances les plus strictes peuvent nécessiter des étapes d’usinage secondaires comme le meulage, le polissage ou l’usinage par électroérosion (EDM), ce qui augmente les coûts et surtout les délais.

De même, des tolérances trop lâches peuvent rendre l’assemblage des pièces difficile ou impossible.

Pour vous aider à vous y retrouver dans les types de tolérances et leurs implications financières, cet article présente les tolérances disponibles chez Protolabs, ainsi que les tolérances couramment utilisées. Enfin, nous explorerons le dimensionnement et le tolérancement géométriques (GD&T), définis selon les normes BS 8888:2020, ISO et ASME.

Tolérances normalisées pour l’usinage CNC

De nombreux fournisseurs insistent sur un dessin en 2D. Parfois, cela leur permet de facturer un supplément pour les tolérances les plus strictes et d’économiser en produisant le reste du composant selon une tolérance générale (GT) moins stricte. Protolabs fabrique tout avec une tolérance standard modérée de ±0,1 mm. La simplicité permet de gagner du temps dans la production de dessins et la communication. Pour la majorité des composants, c’est suffisant : 54 % des composants fonctionnels peuvent être fabriqués avec une tolérance de ±0,1 mm ou moins.-^{Recherches de Protolabs}

Conseils de tolérances pour l’usinage CNC

La surcontrainte d’une conception peut prendre deux formes : soit l’ajout d’une tolérance inutilement serrée, soit la contrainte dans chaque degré de liberté plus d’une fois - une seule broche contraindra en x et y, une deuxième broche empêchera la rotation. Il en va de même pour les fentes et les inserts - une contrainte excessive entraînera des coûts supplémentaires.

Finition de surface

En général, Protolabs offre une finition de surface de 1,6 µm Ra (rugosité moyenne) sur toute la gamme des matières CNC. Des finitions Ra 6,3 µm à Ra 0,8 µm sont typiques pour l’usinage CNC général. Le sablage facultatif permet d’obtenir une finition mate légèrement plus rugueuse, mais uniforme. Consultez le Guide de finition de surface pour obtenir des images détaillées.

Concevoir dans l’ajustement

Ajouter un ajustement à une conception peut être un bon moyen d’obtenir un ajustement précis, et de couvrir vos paris de conception, ou de tester la tolérance dont vous pourriez avoir besoin :

• Calibrage : (l’utilisation d’une fine pièce de matériau pour régler la hauteur ou les écarts) l’utilisation de cales en acier ou de rondelles de calage.
• Vis d’ajustement : des vis sans tête, ou des vis à pas fin, peuvent être utilisées pour modifier la position ou pousser un assemblage contre un point de référence - n’oubliez pas de réfléchir à la manière de verrouiller la position (écrou nylock, composé frein-filet ou autre vis)
• Pressage : presser 2 composants à une hauteur ou une position connue
• Frettage : en chauffant un composant, la dilatation thermique peut être utilisée pour verrouiller deux composants avec précision

Toutes ces méthodes sont excellentes pour les gabarits, les bancs d’essai et les équipements d’assemblage.

Modification lors du montage

Le montage sur banc, l’ébarbage et le polissage sont des processus que vous devez absolument éviter si votre produit est destiné à être fabriqué en grande série. Ils dépendent fortement du savoir-faire et introduisent des variations. Cependant, dans la phase de test et de prototype, l’utilisation d’une émeri fine, d’une pâte à roder ou d’un composé de polissage et d’un moyen rapide de mesurer et d’itérer votre conception à la tolérance nécessaire. Un autre conseil est de produire plusieurs modèles pour les tests d’assemblage ; l’usinage CNC et l’impression 3D peuvent rapidement produire un ensemble de tests.

Que sont les microns ?

Le micromètre (µm) est minuscule, au centième de millimètre : littéralement, une particule de fumée de cigarette fait 1 µm de diamètre. Lorsque vous tenez votre téléphone portable, la chaleur de votre main modifie sa taille jusqu’à 68 µm. Ce qui remet en contexte notre tolérance générale de ±100 µm. Évitez de mesurer en microns, à moins que vous ne prévoyiez de normaliser pendant 24 heures et de mesurer dans un environnement à température contrôlée à l’aide d’une machine tridimensionnelle (MMT) (ce que Protolabs propose).

 (# alliage d’aluminium CTE = 24 µm/m/°C, température ambiante 18 °C, température du corps 37 °C, longueur du téléphone 150 mm)

Contrôle de la qualité et documentation

Sur demande, nous effectuons des mesures à l’aide de machines MMT (machines à mesurer tridimensionnelles), de balayage laser ou d’autres équipements de métrologie. Nous travaillerons également avec vous sur le processus d’approbation des pièces de production (PPAP), fournirons un certificat de conformité (CoC) à vos spécifications, et fournirons des inspections de premier article (FAI), et des fiches de données de matériaux.

 

Capacité et précision de mesure

« Bien que Protolabs ait indiqué ±0,1 mm sur les pièces en aluminium que nous avons reçues, toutes les dimensions étaient à ±0,05 mm près » – commentaire d’un client.

Protolabs utilise des études de capacité pour maintenir la tolérance, ce qui signifie que nous dépassons souvent la tolérance indiquée, car elle doit couvrir de multiples réglages d’usinage et types de matériaux. Pour obtenir la meilleure tolérance, suivez les conseils suivants :

• Dans la mesure du possible, orientez tous les attributs interdépendants à usiner dans un même plan (afin qu’ils soient fabriqués dans le même montage)
• Utilisez des matériaux à faible dilatation thermique (coefficient de dilatation thermique CTE)
• Utilisez des plastiques ayant de bonnes propriétés hygroscopiques : l’absorption d’eau modifiera la taille et la forme, ce qui aura un effet sur les plastiques chargés fibre de verre

Dimensionnement et tolérancement géométriques

Le système GD&T fournit une description plus détaillée que le concepteur peut utiliser pour expliquer au fabricant les considérations importantes relatives à la fabrication. Un peu comme un raccourci - souvent, en ajoutant un système GD&T, vous demandez une séquence de fabrication spécifique, et éventuellement un processus de fabrication différent. Comme cela inclut les relations d’ajustement entre les différents attributs de la pièce, cela exige également davantage de contrôle de la qualité, de mesures et de calibrages.

Limites et ajustements : normalement définis sur la base d’un trou (selon la norme ISO 286-2), ils utilisent une lettre et un chiffre (ainsi que le diamètre total du trou). Les trous sont définis par la lettre majuscule H7, les arbres par la lettre minuscule g6. Plus le chiffre est élevé, plus la bande de tolérance est importante :

• 9 et plus est une tolérance typique de fraisage ou de perçage,
• 7 signifie généralement un trou alésé : un outil d’alésage spécifique est nécessaire pour chaque taille de trou
• 6 et moins nécessitent un usinage encore plus spécialisé.

La lettre définit la distance par rapport au nominal (H est sur le nominal, k et plus sont plus grands que le nominal (ajustement par interférence) g et moins sont plus petits que le nominal (ajustement avec jeu).

GD&T :

Un bon cours expliquera à la fois comment utiliser et mesurer chaque classe de tolérance (il y en a beaucoup parmi lesquelles choisir : Mitutoyo, ImechE ou NPL). Comment sont fabriquées les dimensions et tolérances géométriques ?

Position réelle : le plus souvent utilisée avec un symbole de diamètre pour montrer la tolérance appliquée dans toutes les directions. Notez qu’elle est absolue, donc 0,030 signifie ±0,015. Les trous alésés sont presque toujours nécessaires, car si le diamètre du trou est irrégulier, cela se répercute sur les valeurs GD&T. Un équipement CNC calibré et des mesures méticuleuses sont nécessaires.

Planéité : les surfaces fraisées sont généralement assez plates. L’ajout d’une planéité très serrée est normalement un code pour la rectification de surface. Ajouter le parallélisme signifie que deux faces doivent être plates l’une par rapport à l’autre. La finition de surface est souvent ajoutée (car elle réduit la tolérance de mesure). Conseil : des tampons légèrement surélevés ou le marquage du dessin pour ne montrer que les zones où la planéité est critique peuvent simplifier la fabrication et la mesure.

Cylindricité, concentricité et faux-rond : pour les trous et les arbres, le faux-rond est le plus souvent spécifié car il est plus facile à mesurer : une « horloge » ou une jauge DTI (Dial Test Indicator) mesure la déviation au fur et à mesure que la pièce est tournée. Comme il s’agit d’une mesure composée, d’autres mesures peuvent être nécessaires pour déterminer si elle est cylindrique (et non ovoïde) ou concentrique (hors du centre de rotation).

Équerre (perpendicularité et angularité) : les fraiseuses CNC sont calibrées pour vérifier que les outils sont bien d’équerre par rapport au banc d’usinage, ce qui permet d’obtenir un bon équerrage, en particulier sur de courtes distances. Plus les tolérances d’équerrage sont serrées, plus la fabrication sera itérative et longue.

En résumé, il est important de connaître les tolérances, les valeurs GD&T et de les utiliser de manière appropriée. Il est facile de les ajouter à un dessin, mais il faut toujours se demander s’ils sont nécessaires, car cela pourrait poser des difficultés à votre fournisseur de fabrication, qui vous facturera en conséquence. N’oubliez pas que nous pouvons établir des devis et fabriquer rapidement directement à partir de votre fichier CAO. Rien ne vaut une pièce physique lorsqu’il s’agit de déterminer comment une conception s’intègre.

Nous sommes là pour soutenir votre projet. Appelez-nous ou envoyez-nous un courrier électronique si vous souhaitez en savoir plus. Nos ingénieurs d’application sont toujours disponibles pour répondre à vos questions à l’adresse [email protected] ou au numéro +44 (0) 1952 683047. Prêt à démarrer votre prochain projet ? Téléchargez simplement un fichier CAO sur notre site Web.