Breve reseña de la acumulación de tolerancias mecanicas

CAPITULO 7

Peor de los Casos en el Análisis de Tolerancias

En el peor de los casos en el análisis de tolerancias, se determina la máxima variación absoluta posible para una distancia o espacio seleccionado, esta distancia usualmente no está dimensionada y no se encuentra tolerada directamente, debido a que si lo estuviera, el estudio no sería necesario, ya que los límites estarían definidos. 

La acumulación de tolerancias es definida como una cadena de dimensiones y tolerancias, debido a que todas las dimensiones y tolerancias están organizadas como los eslabones de una cadena de inicio a fin para una distancia que será estudiada. 

Peor de los casos en acumulación de tolerancias con dimensiones 

1.-Seleccciona la distancia cuya variación será determinada y etiqueta un extremo de esta como punta A y el otro como punto B. 

2.-Determinar si se requiere un análisis de una, dos o tres dimensiones. Para dos y tres dimensiones es recomendable utilizar un programa de computadora para el análisis de tolerancias. 

3.-Determinar una dirección positiva y una negativa, la positiva será en dirección de A hacia B. las dimensiones positivas deberán llevar un signo "+" adjunto al valor de la dimensión, y se les deberá asignar un símbolo para ubicar el origen de la dimensión, y una punta de flecha donde termina dicha dimensión. Las dimensiones que no vayan de A hacia B serán negativas. Se debe ser capaz de poder seguir la cadena desde el punto A hasta el B sin que se encuentres discontinuidades en ella. 

4.-Convertir todas las dimensiones y tolerancias a un formato bilateral-igual. 

5.-Colocar las dimensiones en una tabla, con una columna para valores positivos y otra para los negativos. 

6.-Colocar las tolerancias de cada dimensión en una columna adjunta a las dos anteriores. 

7.-Sumar los datos de cada columna y colocar los resultados en el fondo de la tabla. 

8.-Restar el total negativo al total positivo, este nos dará la dimensión nominal o distancia buscada. Este valor debe ser siempre positivo, de no ser así debe haber un  error en el procedimiento realizado o el diseño puede estar mal. 

9.-Aplicar la tolerancia total al valor nominal obtenido para obtener las distancias Max. y Min. 

Movimiento en los ensambles 

El movimiento en los ensambles representa la cantidad de piezas que pueden moverse en un ensamble debido a los espacios existentes entre los agujeros y las partes que ensamblan en ellos. 

El movimiento en los ensambles es diferente de las tolerancias, ya que este no se especifica en los dibujos. Debido a esto, no siempre es considerado, hasta que se presenta un problema en el ensamble o una acumulación de tolerancias. 

El movimiento es mayor, cuando las piezas a ensamblar se encuentran en condiciones de mínimo material, este representa el peor de los casos de movimiento en ensambles. 

El movimiento del ensamble, es agregado a la acumulación de tolerancias, como una línea que no tiene ni signo ni dirección, ya que permite que las partes se desplacen en ambas direcciones como una tolerancia bilateral-igual. 

A pesar de que en algunas ocasiones se puede omitir el tener que tomar en cuenta el movimiento en el ensamble en la acumulación de tolerancias, si las partes son demasiado pesadas, grandes, pequeñas o de difícil acceso para hacer ajustes al final del ensamble, es necesario que el movimiento del ensamble sea considerado en la acumulación de tolerancias. 

Para consultar las reglas completas sobre los movimientos en los ensambles consultar el capítulo 7 "Worst-Case Tolerance Analysis" del libro "Mechanical Tolerance, Stackup and Analysis 2nd Ed." 

El rol de las suposiciones en la acumulación de tolerancias 

Las suposiciones juegan un papel muy importante en la acumulación de tolerancias, debido a que es muy común que cuando se hace una análisis de este tipo, no esté disponible toda la información, debido a dibujos con cotas y tolerancias insuficientes, planos acotados con ± en lugar de GD&T o por ser documentos incompletos tomados de catálogos, entre otras razones. 

Muchas veces por razones de propiedad, supervisión o por tradición, los dibujos se encuentran incompletos, por lo que es necesario llamar al proveedor para obtener la medida faltante, y se debe indicar en un reporte, que dicha medida es una suposición. 

Las suposiciones son necesarias para que se pueda analizar la acumulación de tolerancias, debido a que muchos ingenieros aún están acostumbrados a utilizar el método de ± en sus dibujos. 

Enmarcar el problema requiere suposiciones: Idealizar 

La acumulación de tolerancias debe hacerse con estas consideraciones: 

a) Todas las partes son consideradas en estado estático aunque se muevan o roten durante el ensamble. 

b) El análisis de acumulación de tolerancias debe hacerse a una temperatura determinada (temperatura ambiente normalmente), la misma a la cual se hace el ensamble o la inspección. 

Capitulo 8

Análisis de tolerancia estadístico

El análisis de tolerancia estadístico determina la variación máxima probable o que sea posible para una dimensión seleccionada. El análisis por el peor de los casos se añaden todas las tolerancias y otras variables, sin embargo más realista asume que es muy probable que todas las acumulaciones de tolerancia estarán en su límite bajo el peor de los caso o de alto limite al mismo tiempo. En algunas ocasiones las dimensiones del modelo el peor de los caso necesita estar en su límite superior para que en realidad esté más cerca de su límite inferior y viceversa. El análisis de la tolerancia estadística se obtiene un valor menor para la variación total de un análisis de tolerancia del peor de los casos realizado en la misma acumulación. Es decir, las técnicas de análisis de tolerancia estadísticos generalmente predicen una menor variación de los resultados más desfavorables para una acumulación de tolerancia. Debemos recordar siempre que, la tolerancia estadística sólo se debe utilizar en casos en que sea aplicable.

El Análisis de tolerancia estadísticos se basa en varias condiciones del mismo en su lugar. Estos incluyen, que al fabricar una pieza se debe de controlar el proceso, los procesos deben estar centradas y tener una distribución Gaussiana. Se debe establecer que las partes deben seleccionarse al azar, esta afirmación se basa desde la ingeniería mecánica y la idea de la independencia.

Considere la posibilidad de una pieza mecanizada con dos tolerancias (variables) que contribuyen a una acumulación de tolerancia. Es posible que las tolerancias estén relacionadas, tal vez de las características asociadas a mecanizar en la misma configuración, o el uso de una función como la función de punto de referencia para el otro.

El diseño debe ser capaz de tolerar la posibilidad de que un pequeño porcentaje de las piezas o ensamblajes como producidos exceda el resultado estadístico calculado.

Algunas empresas tienen que estar tolerando las piezas o conjuntos que se rechazaran por superar el estándar.

Hay varios métodos estadísticos disponibles para el análisis de la tolerancia. Root-sum-square (RSS) y simulaciones de Monte Carlo son los dos más comunes. Root-sum-Square se utiliza comúnmente en acumulación de tolerancia estadísticos manualmente modelados y hojas de cálculo.

Una solución a la diferencia entre el nominal de diseño y de fabricación nominal y el hecho de que algunos procesos no son tan controlados como deberían ser consiste en multiplicar el resultado estadístico por un coeficiente mayor que 1.

La simulación de Monte Carlo se utiliza típicamente con software de simulación de análisis de tolerancia basada en ordenador, pero también puede ser utilizado con los modelos de hoja de cálculo. En pocas palabras, las simulaciones de Monte Carlo que adopten todas las variables en una acumulación de tolerancia.

El análisis de tolerancia peor de los casos se utiliza para calcular y predecir la variación máxima posible, y de los límites mínimo y máximo de la materia de la acumulación de tolerancia. En el peor de los casos, los resultados proporcionan información estrictamente numérica.

Estadística de tolerancia de descarga con dimensiones

Seleccione la distancia cuya variación se va a determinar. Etiqueta de un extremo de la distancia A y el otro extremo B. Determinar si uno, dos, o tres dimensiones requieren un análisis. Si se requiere un análisis de dos o tres dimensiones, se debe determinar si ambas direcciones se pueden resolver mediante trigonometría y si una acumulación de tolerancia lineal no es lo más adecuado. Determinar una dirección positiva y una dirección negativa. La dirección positiva en una acumulación de tolerancia es de fácil asignar. Es la dirección que va desde A hasta B. Medidas positivas se indican mediante la colocación de un signo "+" junto al valor de la cota. Las direcciones que van desde B hasta A deben ser etiquetados como dimensiones negativa. Se convierten todas las dimensiones y tolerancias en el mismo valor. Se suman todas las dimensiones y tolerancias en dos columnas separadas una de dimensiones positivas y otras negativas. Coloque el valor de tolerancia para cada dimensión en la columna de la tolerancia adyacente a cada dimensión. Este valor es la mitad de la variación total permitido por la tolerancia. Agregar los resultados de cada columna en la parte inferior del grafico. Tomar la raíz cuadrada de la suma de tolerancias estadísticas (RSS). Introduzca este resultado en la parte inferior de la tabla. Esta es la Tolerancia RSS Valor. al restar el total positivo y negativo se obtiene la dimensión nominal o la Aplicar la tolerancia estadística total. Adición y sustracción de la tolerancia estadística de la dimensión nominal da la máxima probable o probable y los valores de distancia mínima. si se desea tener un resultado más conservador se multiplica la tolerancia RSS por un factor de ajuste.

Lo que se recomienda es usar un formato de informe diseñado en un programa de hoja de cálculo.

CAPITULO 9

Tolerancias y dimensiones geométricas (GD&T)

Tolerancias y dimensiones geométricas (GD&T) es utilizada internacionalmente para la aplicación de exactitud en los planos de los diseños de piezas utilizando marcos de referencia ya que es un lenguaje internacional y es más fácil de leer.

Las tolerancias perfil es especificar una zona de tolerancia que sigue la forma de la superficie nominal, se aplican inequívoca a cualquier superficie y tienen mucho más precisión

Tolerancias perfil desigual-bilateralespecifican variación desigual en cada dirección del nominal. La variación no está centrada sobre el valor nominal. Estos son similar a la desigual-bilateral + – tolerancias.

Tolerancias perfil unilaterales: especifican la variación en una sola dirección nominal dentro o fuera de la superficie de la pieza, este valor representa el rango de la tolerancia.

Tolerancias perfil compuestos: se especifican en función compuesta controlar marcos, la zona de tolerancia definida en limites superiores e inferiores.

Tolerancias de posición: especifican una zona de tolerancia del ancho cilíndrico o total para las características de tamaño, tales como los agujeros y las ranuras.

Tolerancias posicionales: se especifican utilizando el modificador MMC. Esto permite que el mayor flexibilidad en la fabricación, ya que los incrementos de posición de la zona de tolerancia con el tamaño de la característica, que permite más partes para pasar la inspección, potencialmente reduciendo el costo parte.

Cambios de características de datums

Representa la variación que pudiera ocurrir durante la inspección, de acuerdo con ASME las características de tamaño son para ser simuladas, se deben tomar en cuenta dos condiciones para determinar que un datum (función de tamaño simulador) es apropiado:

1.- determinar si la función de referencia hace alusión a LMC o MMC.

2.- Determinar si hay especificación de tolerancia geométrica

Funciones de tamaño simuladas con condición de MMC

Una característica de referencia de tamaño se hace en el rectángulo de tolerancia de posición las funciones MMC virtuales incluyen simuladores. La pieza puede moverse ocambiar tanto como la separación entre las funciones de referencia y la función de punto de referencia les permite.

Tolerancias Forma: (circularidad, Cilindricidad, Planitud y rectitud) estas no están incluidos en acumulación de tolerancias debido a que en casi todas las situaciones, las tolerancias de forma son refinamientos de otra geométrica

Tolerancias Orientación:( Angularidad, Paralelismo y perpendicularidad): son comúnmente excluidas ya que son refinamientos de otras tolerancias.

La Orientación tolerancias se pueden aplicar también a las características de tamaño se introducen en acumulación de tolerancias utilizando el formato de las tolerancias posicionales.

SIMETRIA puede ser aplicado a la característica de que son simétricos alrededor de un plano central.

Los modificadores se utilizan en un marco de control de características, son símbolos que se utilizan en el compartimento de la tolerancia de una característica. Estos términos son una mejora significativa de la norma ASME Y14.5 y para la disciplina de la GD & T en su conjunto.

Los nuevos símbolos, aplicaciones y técnicas no cambian la forma en la acumulación de tolerancias, sino que simplemente añaden métodos adicionales que deben ser entendidosy por el modelo de la acumulación de tolerancias.

CAPITULO 12

Modificadores Especificadores de Condición de Material

Con la liberación de ASMEY14.5-2009 los símbolos de los llamados Modificadores de condición de material con una temprana revisión de los estándares ahora dependen de que tipo se usara en el cuadro de características de control. Por ejemplo si un máximo material de condición(MCM) modifica las tolerancias geométricas del l siguiente cuadro de características de control. Es decir la zona de tolerancia geométrica puede aumentar en tamaño dependiendo de cómo se produce el tamaño en las características de control. Declaraciones similares pueden ser también dichas en el significado de condiciones mínimas de materia (LMC) que modifica el cuadro de características a diferencia de la característica independiente de tamaño (RFS) que es un valor predeterminado que ASME aplico. Como MCM y LMC, RFS también tiene un diferente significado dependiendo de donde se utilizara el cuadro de control de características , si en tolerancias geométricas o en características de datum.

ASMEY14.5-2009 dio símbolos dependiendo de la aplicación en el cuadro de características de control. Si un símbolo M o un L están especificados con la tolerancia geométrica, a estos símbolos se les llama modificadores de máxima condición de material (MMB). Si los símbolos M y L están asociados con las características de datum se les llama modificadores limites de material (LMC), si estos símbolos no se aplican a las tolerancias geométricas se les llama material limite independiente (RMB).

Cuando especifican las tolerancias geométricas, los diseñadores deben determinar cual de las tres condiciones de material (MCM,LMC,RFS) y que condición limite de material (MMB,LCM,RMB) es correcto seleccionar para su aplicación.

Hay un punto que prevalece y vemos que el MMC es la mejor elección de todas las aplicaciones. Seleccionar un modificador de condición de material no es algo arbitrario es una decisión importe, el efecto de los modificadores de condición de material en función de las características viene a aclarar la comparación de tolerancias. Viendo que MMC agrega 0.2 mm al total de la variación puede conducir al diseñador a cambiar de una especificación MMC a una especificación RFS.

RFS significa que sin importar el tamaño de características.- Significa que la zona de tolerancia se mantiene constante en el tamaño, la zona es del mismo tamaño pero independiente del tamaño en el que la característica de tolerancia se produce.

MMC significa condición de material máximo.- MMC se entiende la zona de tolerancia aumenta de tamaño proporcionalmente con la función. Su aumento es proporcional al tamaño de la característica interna como un agujero, e indirectamente proporcional con la característica externa como un pasador.

LMC significa menos condición material.- Significa la tolerancia zona aumenta de tamaño proporcional a la función. Su aumento es indirectamente proporcional a la característica interna como el tamaño de agujero y directamente proporcional a la característica externa como el pasador.

La zona de tolerancias aumenta en igual tamaño a la cantidad de tamaño que disminuye en la característica interna de mínima condición de material. L zona de tolerancia aumenta en igual tamaño a la cantidad de tamaño en la característica externa de mínima condición de material.

Criterios de selección en los modificadores de condición de material

Son tres factores lo que se tienen que tomar en cuenta para seleccionar un modificador de condición de material: ajuste, distancia al borde o espesor de la pared, alineación.

Ajustar o Espacio: En la mayor parte de las aplicaciones de acoplamiento, los elementes de fijación pasan a través de los agujeros en uno o ambos lados.

Asumiendo que el acoplamiento es una preocupación y no otra influencia de tolerancia, la localización de características de acoplamiento empieza a considerarse, el arreglo de cierre y el arreglo de flotamiento pueden usarse formulas para asegurar el cierre de acoplamiento en el peor condición de los casos.

Caso especial. En el caso donde un pin este ajustado en prensa dentro de agujero, esto debe ser asumido de que el pin sigue en el agujero. En tal caso, este es el pin que interfaz con la parte de del agujero de acoplamiento.

El mantenimiento de espesor de pared mínimo o la distancia del borde (Cuando al menos una de las características es una característica interna)

En algunos casos, la primera función que nos preocupa es que la distancia mínima de borde entre dos características se conserve, la distancia de borde de un patrón y el borde de un agujero de un patrón o el mínimo mantenimiento de pared entre el diámetro de interno y externo de un tubo.

Caso especial: En algunos casos, donde dos características externas son adyacentes uno aotro, como dos botones en un teclado, y la distancia mínima a los bordes entre ellos se deben mantener, MMC sería la condición material correcta modificador de usar.

Alineamiento: Cuando la alineación es la única preocupación funcional, tal como donde los ejes dedos o más diámetros deben estar alineados, RFS es la condición material modificadorpara su uso.

Combinación de factores

Tradicionalmente, la primera serie de agujeros haría asignarles tolerancias con un modificador de MMC, que en forma es aparentemente la principal preocupación . Otra situación muy común es que en forma y grosor de la pared son tanto funcional importante. El ajuste nos lleva a MMC como la elección correcta; grosor de la pared nos lleva a LMC como la elección correcta. Una vez más, RFS es la mejor opción para tales situaciones, como la MMC y LMC tolerancias prima son funcionalmente perjudicial.

CAPITULO 20

Acumulación de tolerancias

Las tolerancias de formulario no se incluyen en acumulación de tolerancias, en la mayoría de los casos la característica de la cadena de dimensiones y tolerancias tiene poco efecto en el resultado de estas. Una tolerancia formulario se aplica con mayor frecuencia a características planas.

La ubicación de las características es lo mas importante en acumulación de tolerancias, por lo cual la posición y el perfil de tolerancias son incluidos mas comúnmente que las tolerancias de forma, la razón por la que las tolerancias de forma son de menos preocupación es porque la mayoría estas se hacen para encontrar un mínimo o máximo en distancia y en la mayoría de los casos, la forma de una característica tiene poco o ningún efecto en la distancia que se está estudiando

Funciones de datum en tolerancias de forma

A los datums, se les debe asignar tolerancias si una parte tiene que ser completamente definida. Su variación permitida debe ser cuantificada.Tolerancias de formularios pueden afectar el resultado de una tolerancia stackup de dos maneras:1.-cuando las piezas son muy rígidos o están sometidas a fuerzas que puedan deformar 2.-Desplazamiento, donde las partes metálicas de pared delgada o lámina están sometidos a cargas que pueden deformar las superficies

Tolerancias de forma añadiendo únicamente variación: la variación permitida para todos los aspectos de cada característica en una parte imprescindible debe ser definida directamente o indirectamente.

Ejemplo

La figura se mide para determinar si se encuentra dentro de su zona de tolerancia de perfil.

La probabilidad de que el error de forma ocurra en ambas partes de acoplamiento es muy remoto, cercano a cero. Sin embargo, es posible.

La deformación de apareamiento durante el montaje puede hacer que se giren, causando otrafunciones para girar, es poco probable que se encuentre el efecto completo de este tipo de variación en la mayoría de las aplicaciones de la parte de acoplamiento. La probabilidad de que el efecto completo de este error de forma que ocurre en las dos partes de acoplamiento es muy remota. Sin embargo, es posible.Las tolerancias formulario pueden añadir variaciones para las acumulaciones de tolerancia. estas pueden ser tratadas solo como la adición de variación de traslación, o como la adición de variación de rotación. Si se desea dividir la variación de tolerancia traslación y rotación, se sugiere que el problema se resuelve utilizando un software de modelización estadística en lugar de modelar la tolerancia manualmente.Dependiendo de la geometría de las piezas, la variación de la tolerancia forma puede afectar la acumulación de tolerancia en una dirección solamente, o puede afectar a la tolerancia tanto la dirección positiva como la negativa. Los efectos de las tolerancias de formulario se añaden a la tolerancia como informe. Un valor de desplazamiento de zona se añade a la tolerancia o la cantidad se puede reducir si se desea. La variación permitida por la tolerancia de forma puede ser descontada. Estas decisiones deben ser hechas por el analista de la tolerancia. Es mejor explicar cómo la variación de la tolerancia forma fue tratada mediante la adición de una nota al informe.

La forma de una superficie también puede ser controlado por una orientación o un perfil. Si se desea, el error de forma permitida por la orientación y las tolerancias del perfil puede ser incluido. La probabilidad de que las partes producidas tengan el error de forma exacta requerida para generar las peores condiciones, es muy bajo, por lo que el analista de la tolerancia deben decidir si los efectos de error de forma deben ser incluidos en la acumulación de tolerancia, o no, y si es así, cuánto debe ser incluido. (FISCHER, 2011)

Conclusión 

El análisis de acumulación de tolerancias para el peor de los casos se utiliza para obtener dimensiones de medidas que no aparecen en los dibujos y de los cuales no se conocen sus límites. Se hace considerando el peor de los casos que sería cuando las piezas están en condiciones de LMC. 

Otro factor que debe tomarse en cuenta es el movimiento en los ensambles, ya que aunque las tolerancias de las partes sueltas cumplan con las especificaciones, al realizarse el ensamble, se puede presentar una acumulación de tolerancias que genere problemas en el funcionamiento. 

Bibliografía

FISCHER, B. R. (2011). MECHANICAL TOLERANCE STACKUP AND ANALYSIS, SEGUNDA EDICION . Taylor & Francis Group.

Autor:

América López Balderrama     

Mario López García      

Mario Alberto Rocha Ortega

Javier Terrazas Meléndez

Luis Enrique Veliz González    

Instituto Tecnológico de Chihuahua

Metrología avanzada