Toleranz und Präzision sind zwei sehr wichtige Konzepte in der Fertigung. Toleranz ist der maximal zulässige Bereich innerhalb eines Fertigungsprozesses, bei dem das Teil noch akzeptable Qualität aufweist. Maßtoleranzen werden in der Konstruktionsphase festgelegt, um die oberen und unteren Grenzen kritischer Maße zu bestimmen, die es einem Teil ermöglichen, seine beabsichtigte Funktion zu erfüllen. Präzision ist ein Maß für die Konsistenz, mit der Teile hergestellt werden können. Dies umfasst sowohl die Präzision/Genauigkeit des Messinstruments als auch die “Präzision” des jeweiligen Fertigungsprozesses, z.B. CNC-Bearbeitung.
Dieser Artikel wird die Definitionen von Toleranz und Präzision betrachten, warum sie wichtig sind, wie sie bestimmt werden und welche Faktoren sie beeinflussen.
Was ist Präzision?
Präzision kann sich auf zwei Arten von Präzision beziehen. Instrumentenpräzision bezieht sich auf die Nähe von zwei oder mehr Messungen zueinander, wenn dasselbe Objekt unter den gleichen Bedingungen gemessen wird. Es ist ein Maß für die Variabilität im Messprozess. Eine hohe Präzision zeigt an, dass der Messprozess sehr ähnliche Ergebnisse bei wiederholten Messungen liefert, was auf ein geringes Maß an zufälligem Fehler hinweist.
Fertigungsprozesspräzision bezieht sich auf die Konsistenz, mit der ein Fertigungsprozess die gleichen Ergebnisse erzielen kann. Jeder Prozess weist eine gewisse Variabilität auf, bei der die Ergebnisse bei gleichen Eingaben leicht unterschiedlich sind. Ziel der Prozesspräzision ist es, diese Variabilität zu messen. Höhere Präzisionsraten bedeuten, dass ein Fertigungsprozess Teile produziert, die einander ähnlich sind.
Wie funktioniert Präzision?
Präzision als Messgröße in der Fertigung existiert, weil es zufällige Fehler in Fertigungsmaschinen und -prozessen sowie in den Instrumenten gibt, die die Ausgaben dieser Prozesse messen. Dieser zufällige Fehler bedeutet, dass es innerhalb einer Gruppe von gefertigten Teilen Abweichungen in den Maßen geben wird. Prozesspräzision misst, wie konsistent eine bestimmte Fertigungsmaschine oder ein Prozess ist. Eine Maschine oder ein Prozess mit niedriger Präzision wird eine hohe Abweichung zwischen den Teilen einführen. Hohe Präzision bedeutet, dass der Prozess konsistente Ergebnisse liefert, mit geringer Abweichung zwischen den Teilen.
Instrumentenpräzision und Prozesspräzision spielen beide eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Gesamtpräzision eines Fertigungsprozesses. Hohe Instrumentenpräzision ist erforderlich, um sicherzustellen, dass Sie konsistente Messungen erhalten, mit denen Sie fundierte Entscheidungen treffen können. Im Allgemeinen sollte die Instrumentenpräzision etwa zehnmal höher sein als die Prozesspräzision, um die Abweichungen in der Fertigung genau messen zu können.
Wozu dient Präzision?
Präzisionsfertigung wird in der Serien- oder Massenproduktion nützlich, bei der das gleiche Bauteil oder Produkt mehrfach hergestellt wird und jedes Teil nominal gleich ist. Die Minimierung der Variabilität ist entscheidend, um Komponenten mit hohem Maß an Konsistenz herzustellen und sicherzustellen, dass jedes produzierte Teil nahezu identisch mit den anderen ist, was die Gesamtqualität der Fertigung verbessert.
Wie man Präzision misst
Präzision kann mit den folgenden Schritten gemessen werden:
Bestimmen Sie die Instrumentenpräzision des Messprozesses.
Herstellen Sie eine Charge von Testteilen.
Messen Sie die kritischen Maße einer statistischen Stichprobe der Teile aus dieser Charge und zeichnen Sie die Daten auf.
Berechnen Sie die Mittelwerte dieser kritischen Maße. Der Mittelwert eines Maßes wird berechnet, indem die Summe aller Messungen eines bestimmten Maßes durch die Anzahl der Messungen dieses Maßes dividiert wird.
Bestimmen Sie die Abweichung jeder Messung vom Mittelwert dieser Messungen.
Die Standardabweichung kann dann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Formel für Standardabweichung bei Präzision
Wobei x die Abweichung jeder Messung ist, der Mittelwert der Messwerte ist, und N die Gesamtzahl der gemessenen Teile ist. Die Standardabweichung wird häufig als Maß für Präzision verwendet, wobei niedrigere Werte eine höhere Präzision anzeigen.
Der mittlere absolute Fehler ist ein weiteres Maß, das als Indikator für Präzision verwendet wird. Dieser Wert wird nicht drastisch durch Ausreißer beeinflusst. Er kann berechnet werden, indem der Mittelwert von jedem Messwert subtrahiert wird, um die absoluten Abweichungen zu erhalten. Die absoluten Abweichungen können dann summiert und durch die Gesamtzahl der gemessenen Teile dividiert werden, um den mittleren absoluten Fehler zu ergeben.
Präzision wird als ± Bereich angegeben. Zum Beispiel bedeutet eine Präzision von ±2,5 mm, dass die Maße eines Teils innerhalb von 2,5 mm zueinander konsistent sind.
Sind Präzision und Genauigkeit dasselbe?
Nein, die Begriffe “Präzision” und “Genauigkeit”, obwohl sie manchmal austauschbar verwendet werden, haben nicht die gleiche Bedeutung. Genauigkeit beschreibt, wie nah ein gemessener Wert am tatsächlichen oder erwarteten Wert liegt. Mit anderen Worten, es ist ein Maß für Richtigkeit, das angibt, inwieweit eine Messung mit einem Referenz- oder akzeptierten Wert übereinstimmt. Andererseits bezieht sich Präzision auf die Konsistenz wiederholter Messungen und zeigt, wie eng diese Messungen beieinander liegen, unabhängig davon, ob sie nahe am tatsächlichen Wert sind. Hohe Präzision bedeutet, dass die Messungen sehr ähnlich sind, aber nicht unbedingt genau (nah am tatsächlichen Wert). Genauigkeit und Präzision sind unabhängig voneinander.
In Branchen wie Fertigung und Wissenschaft ist es wichtig, Ergebnisse zu erzielen, die sowohl hohe Präzision als auch hohe Genauigkeit aufweisen. Abbildung 1 unten zeigt den Unterschied zwischen Präzision und Genauigkeit bei einer Zielmessung:
Präzision vs. Genauigkeit
Visuelle Darstellung von Genauigkeit und Präzision. Bildnachweis: https://www.antarcticglaciers.org/glacial-geology/dating-glacial-sediments-2/precision-and-accuracy-glacial-geology/
Wie in der Abbildung zu sehen ist, sind genaue Messungen um die Zielscheibe zentriert, während präzise Messungen eng gruppiert sind, unabhängig davon, ob sie auf das Ziel zentriert sind oder nicht. Messungen, die sowohl genau als auch präzise sind, sind eng gruppiert und liegen innerhalb der Zielscheibe.
Was ist die Bedeutung von Präzision in der Fertigung?
Präzision ist ein Maß für die Konsistenz, mit der Teile hergestellt werden. Hohe Präzision bedeutet, dass ein Hersteller sicher sein kann, dass alle Teile innerhalb einer Charge konsistent und ähnlich zueinander sind. Es ist eine sehr wichtige Kennzahl und Ziel in der Fertigung, um eine gleichbleibend hohe Qualität zu gewährleisten.
Was ist Toleranz?
Toleranz ist die zulässige Abweichung vom Design während des Herstellungsprozesses, bei der das Teil noch als akzeptabel gilt. Jeder Fertigungsprozess oder jede Maschine wird eine gewisse Variabilität aufweisen, da nichts perfekt ist. Die zulässigen Abweichungen vom Design werden in der Regel als maximale Bandbreite angegeben, z.B. eine Toleranz von 0 +/- 1 mm bedeutet, dass eine Abweichung von weniger als 1 mm bei einer Messung noch akzeptable Ergebnisse liefert.
In der Produktentwicklungsphase ist es entscheidend, Toleranzen festzulegen, die es ermöglichen, dass das Produkt auch dann noch korrekt funktioniert, wenn eine kritische Teileabmessung am Maximal- (oder Minimal-) Wert der Toleranz liegt. Gleichzeitig muss die Toleranz den geplanten Prozess und die wirtschaftliche Belastung einer engeren Toleranz berücksichtigen. Im Wesentlichen geben Toleranzen einem Hersteller Richtlinien für den akzeptablen Bereich der Ergebnisse für eine Teileabmessung.
Wie funktioniert Toleranz?
Toleranzen sind ein integraler Bestandteil des Herstellungsprozesses, da kein Werkzeug, keine Maschine oder Material perfekt ist. Selbst die bestgefertigte Maschine mit idealer Kalibrierung ist Schwankungen unterworfen, die zu Abweichungen vom vorgesehenen Design führen. Diese möglichen Abweichungen müssen in der Entwurfsphase berücksichtigt werden, um die Qualität des Produkts sicherzustellen.
Toleranzen werden als äußere Grenzen für akzeptable Abmessungen eines Teils verwendet. Hersteller nutzen eine Reihe von Werkzeugen zur Prozessfähigkeitserfassung und -analyse, um sicherzustellen, dass die produzierten Produkte innerhalb der durch die Zeichnungstoleranzen festgelegten Grenzen bleiben.
Wozu dient die Toleranz?
Toleranzen legen fest, wie viel Abweichung bei einer bestimmten Abmessung eines Teils akzeptabel ist. Es ist eine wichtige Kennzahl bei der Gestaltung und Herstellung eines Produkts, um sicherzustellen, dass das Teil mit akzeptabler Qualität gefertigt wird.
Wie man Toleranzen misst
Toleranzen werden während der Konstruktionsphase festgelegt und stellen die maximal zulässige Abweichung von den im Design spezifizierten Geometrien dar. Daher werden sie typischerweise nicht gemessen. Um zu überprüfen, ob ein Herstellungsprozess die erforderlichen Toleranzen einhalten kann, kann folgendes Verfahren angewendet werden:
Eine Charge nominal identischer Prüfteile wird hergestellt.
Die Abmessungen dieser Teile werden anschließend gemessen.
Die Abweichungen der Teile vom Design werden überprüft, um festzustellen, ob sie innerhalb des Toleranzbereichs liegen.
Falls einige der Teile außerhalb der Spezifikationen liegen, können die Toleranzen geändert oder der Herstellungsprozess verbessert werden.
Was ist die Bedeutung von Toleranzen in der Fertigung?
Toleranzen sind in der Fertigung wichtig, um die Grenzen festzulegen, innerhalb derer Teile noch als akzeptabel gelten, auch wenn unvermeidliche Variationen bei der Herstellung auftreten. Akzeptable Toleranzbereiche sollten im Rahmen des Konstruktionsprozesses festgelegt werden. Diese Toleranzen beschreiben die maximale Abweichung, bei der das Teil noch akzeptabel ist. Im Fertigungsstadium müssen diese festgelegten Toleranzbereiche berücksichtigt werden. Es sollten nur Herstellungsprozesse und Maschinen verwendet werden, die in der Lage sind, Teile mit dem erforderlichen Präzisionsniveau und dem angestrebten Wert entsprechend den festgelegten Toleranzen zu produzieren.
Welche Faktoren beeinflussen die Präzision und Toleranz im Herstellungsprozess?
Präzision und Toleranz innerhalb des Herstellungsprozesses werden durch mehrere Faktoren beeinflusst, darunter:
1. Materialeigenschaften
Materialeigenschaften wie Härte, Wärmeausdehnungskoeffizient und Zugfestigkeit beeinflussen das Verhalten der Materialien bei der Verarbeitung. Variationen in mechanischen oder physikalischen Eigenschaften erschweren konsistente Ergebnisse bei einem Herstellungsprozess, was sich negativ auf Präzision und Genauigkeit auswirken kann. Wenn beispielsweise das Rohmaterial härter ist als erwartet, verfügt die gewählte Presse möglicherweise nicht über genügend Kraft, um es genau auf die vorgesehenen Maße zu formen. Deshalb müssen Rohstoffe ebenfalls Spezifikationen mit Toleranzen erfüllen. Ein Rohstoff könnte mit einem zulässigen Härtebereich spezifiziert werden, um Variabilität in den Prozessergebnissen zu vermeiden.
2. Umweltbedingungen
Umweltbedingungen, insbesondere Temperatur und Luftfeuchtigkeit, können eine Rolle bei der Festlegung von Toleranzgrenzen spielen und die tatsächliche Präzision eines Herstellungsprozesses beeinflussen. Temperaturschwankungen lassen Materialien expandieren und kontrahieren, und Luftfeuchtigkeit kann ebenfalls die Materialeigenschaften beeinflussen. Die Aufrechterhaltung konstanter Umweltbedingungen kann helfen, die Konsistenz zwischen den Teilen zu verbessern. Dies erhöht die Gesamtpräzision, was bei der Einhaltung der festgelegten Toleranzen hilft.
3. Konstruktionsüberlegungen
Das Design eines Teils beeinflusst, wie einfach oder schwierig es ist, es zu bearbeiten oder herzustellen. Die Wahl des Materials, seine Dicke und die verwendeten Herstellungsverfahren spielen alle eine große Rolle dabei, wie konsistent Teile produziert werden können. Toleranzen sollten niemals enger gesetzt werden, als es die richtige Passform und Funktion des Teils erfordern. Wenn ein Prozess Teile außerhalb der Toleranz produziert, könnten die ursprünglichen Toleranzen überprüft werden, um zu sehen, ob sie gelockert werden können, um den aktuellen Prozess zu berücksichtigen. Eine weitere Möglichkeit könnte sein, das Teil neu zu gestalten, um die Erfüllung der erforderlichen Maße zu erleichtern. Wenn keine dieser Optionen möglich ist, könnte es notwendig sein, Prozesse zu ändern oder leistungsfähigere Maschinen zu verwenden, um die Anforderungen zu erfüllen.
4. Faktoren der Lieferkette
Der wichtigste Faktor in der Lieferkette, der die Präzision und Toleranz beeinflusst, ist die Materialqualität. Die Qualität des Materials, das im Herstellungsprozess verwendet wird, hat direkten Einfluss auf die Qualität des gefertigten Teils. Variationen in den Eigenschaften der Rohstoffe können beeinflussen, wie sich das Material während des Fertigungsprozesses verhält, was zu Variationen führt, die die gesamte Herstellungspräzision verringern.
5. Vorrichtungen und Werkstückspannungen
Wie ein Teil während der Verarbeitung eingespannt oder gehalten wird, spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Teilpräzision und Genauigkeit sowie bei der Einhaltung der festgelegten Toleranzen. Werkstücke müssen konsequent in der richtigen Orientierung und Position gehalten werden, um wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Abweichungen in der Position des Teils während der Verarbeitung können zu dimensionalen Variationen im Endteil führen. Ebenso führen unzureichend sichere Spannungen oder Verschiebungen der Werkstücke zu ungenauen Teilen, was es erschwert, hohe Präzision und enge Toleranzen zu erreichen.
6. Maschinenfähigkeiten und Kalibrierung
Maschinen erzeugen inhärent zufällige Fehler während der Bearbeitung eines Werkstücks, da keine Maschine jederzeit mit perfekter Konsistenz funktionieren kann. Diese zufälligen Fehler führen zu Abweichungen bei den gefertigten Teilen. Hochwertige Maschinen neigen dazu, konsistentere Ergebnisse mit weniger Abweichung zu produzieren, was die Gesamtpräzision der Fertigung verbessert. Kalibrierung kann helfen, die Abweichung zwischen den Teilen zu minimieren, wird jedoch hauptsächlich verwendet, um die Genauigkeit zu erhöhen, was bei der Erreichung enger Toleranzen hilfreich sein kann.
7. Bedienerkompetenz und Schulung
Bedienerkompetenz und Schulung spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung hoher Präzision und der Einhaltung enger Toleranzen in der Fertigung. Bei manuellen Fertigungsprozessen kontrolliert der Bediener direkt das Ergebnis des Prozesses. Hochqualifizierte Bediener erzielen eher konsistente Ergebnisse, was die Präzision erhöht. Schulungen können ihre Fähigkeiten und Vertrautheit mit bestimmten Maschinen und Prozessen weiter verbessern.
8. Prozessstabilität und Variationsreduzierung
Prozessstabilität und Variationsreduzierung beziehen sich auf Methoden zur Verbesserung der Konsistenz der Ergebnisse von Fertigungsprozessen. Durch die Verringerung der Variabilität wird die Konsistenz der gefertigten Teile erhöht, was wiederum die Präzision steigert. Es gibt viele Methoden, um die Produktstabilität zu erhöhen, wie den Einsatz von Feed-forward-Reglern, die Abweichungen in einem Teil ausgleichen, Feedback-Kontrolle, bei der Abweichungen in einem Teil in nachfolgenden Teilen angepasst werden, oder die Verringerung von Variationen in den Eingaben des Fertigungsprozesses.
9. Qualitätssicherung und Inspektionstechniken
Qualitätssicherung und Inspektionstechniken spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung hoher Präzisionsniveaus. Durch die konsequente Einhaltung hoher Qualitätsstandards können potenzielle Fehler oder unakzeptable Abweichungen erkannt werden, und der Prozess kann schnell angepasst werden, um die Herstellung von Teilen außerhalb der Toleranz zu vermeiden. Statistische Prozesskontrollverfahren und -werkzeuge können verwendet werden, um die Qualität des Fertigungsprozesses zu überwachen und fundierte Anpassungen vorzunehmen, um hohe Präzisionsniveaus zu gewährleisten.
Um mehr zu erfahren, siehe unseren vollständigen Leitfaden zur Qualitätssicherung.
10. Werkzeug- und Schneidparameter
Werkzeug- und Schneidparameter können die Präzision erheblich beeinflussen, wenn sie falsch gewählt werden. Parameter wie Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Werkzeuggeometrie haben optimale Betriebsbereiche für einen bestimmten Prozess. Der Einsatz von Schneidwerkzeugen außerhalb dieser optimalen Bereiche kann zu minderwertiger Teilqualität und erheblichen Variationen zwischen den Teilen führen, was die Präzision und die Fähigkeit, festgelegte Toleranzen einzuhalten, beeinträchtigt.
Um mehr zu erfahren, siehe unseren Leitfaden zu Werkzeug- und Schneidparametern.
Was sind die besten Praktiken für den Materialtransport, um eine konsistente Präzision zu gewährleisten und enge Toleranzen in der Produktion einzuhalten?
Die Anwendung bewährter Praktiken im Materialtransport ist entscheidend, um eine konsistente Präzision zu gewährleisten und enge Toleranzen in einer Massenfertigung einzuhalten.
Dies beginnt mit der Qualitätskontrolle der Materialien, die eine Methode ist, um sicherzustellen, dass alle Materialien die erforderlichen Standards und Spezifikationen erfüllen, bevor sie in die Produktionslinie gelangen. Eine ordnungsgemäße Lagerung ist ebenfalls wichtig. Es ist wichtig, Materialien vor Umweltschäden, Kontaminationen und Verformungen zu schützen, wobei besonderes Augenmerk auf die Kontrolle von Temperatur und Feuchtigkeit bei empfindlichen Materialien gelegt wird. Ebenso wichtig ist die Schulung des Personals in den richtigen Materialhandhabungstechniken, um Schäden zu vermeiden und potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen. Regelmäßige Kalibrierung der in der Produktion verwendeten Messwerkzeuge und Geräte gewährleistet ebenfalls eine kontinuierliche Präzision. Die Befolgung dieser bewährten Praktiken kann erheblich dazu beitragen, die hohen Präzisionsniveaus und engen Toleranzen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, die in modernen Fertigungsprozessen erforderlich sind.
Was sind die häufigsten Herausforderungen bei der Erreichung von Präzision und der Einhaltung von Toleranzen in der Fertigung?
Es gibt mehrere Herausforderungen bei der Erreichung hoher Präzision und der Einhaltung enger Toleranzwerte in der Fertigung, darunter:
Variabilität in der Qualität und den Eigenschaften der Rohstoffe kann die Präzision und Genauigkeit beeinträchtigen. Die Suche nach Lieferanten, die Materialien konstanter Qualität liefern können, kann eine Herausforderung sein.
Fertigungsmaschinen erfordern Kalibrierung, um optimal zu funktionieren. Allerdings verursacht die Kalibrierung zumindest Ausfallzeiten, was zu geringerer Produktivität führt. Das Finden eines Gleichgewichts zwischen Priorisierung von Präzision und Produktivität kann schwierig sein.
Die Aufrechterhaltung hoher Präzision, um enge Toleranzen zu erfüllen, erfordert oft Investitionen in hochwertige Maschinen, Schulungen für Bediener und Automatisierungstools. Die Kosten können leicht die Grenzen sprengen, wenn man nur diese beiden Kennzahlen verfolgt.
Einige Bauteil-Designs erfordern Bearbeitungen, die schwer durchzuführen sind, um konstant ein hohes Qualitätsniveau zu gewährleisten. Manchmal gibt es keinen praktischen Weg, dies zu umgehen, und die Präzision leidet dadurch.
Was ist der Unterschied zwischen Genauigkeit und Toleranz?
Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nah eine gegebene Abmessung an der vorgesehenen Abmessung liegt. Im Kontext der Fertigung würde dies bedeuten, wie nah die Abmessungen eines hergestellten Teils an der Konstruktionsspezifikation sind.
Toleranzen in der Fertigung beziehen sich auf die zulässige Abweichung bei Messungen zwischen einem entworfenen und einem hergestellten Teil. In einer Konstruktion spezifizierte Toleranzen beziehen sich auf die Menge der Abweichung, die noch zu einem akzeptablen Teil führt.
Was ist der Unterschied zwischen Präzision und Toleranz?
Präzision im Kontext der Fertigung ist ein Maß für die Konsistenz, mit der ein Teil genau hergestellt werden kann.
Toleranz in der Fertigung bezieht sich auf die zulässige Abweichung bei Messungen zwischen einem entworfenen und einem hergestellten Teil. In einer Konstruktion spezifizierte Toleranzen beziehen sich auf die Menge der Abweichung, die noch zu einem akzeptablen Teil führt.
Präzisionsniveaus bestimmen, ob Toleranzen eingehalten werden können. Geringe Fertigungsprecision kann zu einer großen Anzahl von Teilen außerhalb der Spezifikation führen. Das Präzisionsniveau des Fertigungsprozesses sollte bereits in der Konstruktionsphase bei der Festlegung der Toleranzen berücksichtigt werden. Wenn Toleranzen mit einem bestimmten Fertigungsprozess nicht eingehalten werden können, können die Toleranzen erweitert, das Teil neu gestaltet oder hochwertigere Fertigungsprozesse und Maschinen in Betracht gezogen werden.
XTJ ist ein führender OEM-Hersteller, der sich der Bereitstellung von Komplettlösungen von Prototyp bis Produktion verschrieben hat. Wir sind stolz darauf, ein nach ISO 9001 zertifiziertes System für Qualitätsmanagement zu sein, und wir sind bestrebt, in jeder Kundenbeziehung Mehrwert zu schaffen. Das tun wir durch Zusammenarbeit, Innovation, Prozessverbesserungen und außergewöhnliche Handwerkskunst.
