Análisis de acumulación de tolerancias. Análisis estadístico y consideraciones diversas

Introducción

A continuación se muestra un breve resumen del libro "Mechanical Tolerance-stackup and analysis" de los capítulos 8, 17, 18 y 19, además se describe el método Montecarlo que es un software de análisis de tolerancias.

Capitulo 8.

Análisis de tolerancia estadístico

Como lector se tiene la oportunidad de comparar los resultados estadísticos en el sistema en el peor-caso (determina la variación máxima absoluta posible para una distancia o espacio seleccionado). Se observan las técnicas estadísticas y de manipulación que se tienen en los resultados de tolerancias stackups (apilar).

El análisis de la tolerancia "apilan" es para encontrar la tolerancia de toda la pieza, realizando comparaciones de los limites de las superficies de una cara de las piezas, como también lo puede ser en ensambles. Con el fin de ver si el diseño va a funcionar correctamente.

Anteriormente se ha descrito la solución de las tolerancias apiladas (stackups) por el método RSS (suma de los residuos al cuadrado) y solo requiere de unos cuantos pasos más para la resolución del resultado desfavorable.

Con el siguiente croquis se explica el método RSS ajustado estadísticamente. Se observa que la brecha A-B es la que se desconoce y por lo tanto la que se requiere encontrar, así mismo las 4 áreas en las que se dividió la pieza como sus sentidos +/- para construir la cadena de dimensiones y tolerancias, la cual parte de A (con un circulo), fluyendo en el sentido de las manecillas o al sentido contrario pero también puede ser la dirección de arriba hacia abajo o viceversa.

Se debe de tener mucho cuidado que la tolerancia total positiva sea más grande en valor que la tolerancia total negativa ya que se puede provocar que la distancia nominal sea negativa y por lo tanto errónea. Es importante que todas las dimensiones se apilen (que no falte ninguna).

Figura8.1

La diferencia del RSS al RSS ajustado es que se multiplica el valor RSS por 1.5 el cual es un valor ya establecido.

A la distancia nominal se le suma y resta la tolerancia RSS ajustada para encontrar las distancias estadísticas mínima y máxima.

Si se hubiera analizado con el método del peor-caso la tolerancia a utilizar seria ± 4.425 teniendo como dimensión máxima 14.85 y como mínima 6. En el caso de RSS la tolerancia seria ±2.47 y sus dimensiones serian 12.895 como máxima y 7.955 la mínima.

Cabe destacar que entre más secciones se divida la pieza será más precisa pero si se divide en tres distancias conocidas conviene usar el método del peor-caso.

El análisis de tolerancias determina la posible máxima variación para una dimensión seleccionada. Las técnicas de análisis de tolerancia estadísticos como tolerancia stack up (apilada) generalmente predicen una menor variación de los resultados que el peor de los casos (worst-case). Por supuesto la estadística de tolerancias sólo es usada en casos donde es aplicable, uso depende de numerosos factores como la calidad de las partes manufacturadas, el control del proceso de manufactura, la susceptibilidad del diseño, las prácticas pasadas de la compañía, disponibilidad de la empresa a aceptar riesgos, etc. Es decir, todos los factores, especialmente aquellos relacionados con el control de la fabricación y el proceso deben ser considerados y analizados. Hay varios métodos estadísticos disponible para el análisis de tolerancias:

• Método RSS (Suma de los Residuos al Cuadrado): éste método toma cada valor de la tolerancia, lo eleva al cuadrado y añade los cuadrados del valor de las tolerancias. Toma la raíz cuadrada del resultado. Figura 8.1

Figura 8.1 Fórmula para tolerancias estadísticas

• Método de Monte Carlo

Estadística de la Tolerancia Stackup (apilada) con dimensiones

En seguida se describen los pasos para obtener el valor RSS de cierta figura.

1.- Seleccionar la distancia (brecha) cuya variación se va a determinar. Designar un extremo de la distancia A y el otro extremo B.

2.-Determinar si uno, dos o tres análisis son requeridos. Si una tolerancia lineal no es apropiada, un ordenador de computadora deberá ser usado para el análisis de tolerancias.

3.- Determinar una dirección positiva y negativa. La dirección positiva es aquella que sale desde el punto A hasta el punto B, éstas son indicadas poniendo un signo "+" junto al valor de la cota. Se debe colocar el símbolo de origen (inicio dimensión) y una flecha (final dimensión).Se debe seguir un "camino" del punto A al punto B con el objetivo de clasificar cada dimensión. La dirección negativa es aquella que va en contra del "camino". Figura 8.2

Figura 8.2 "Camino" para clasificar dimensiones positivas y negativas

4.- Convertir todas las dimensiones y tolerancias en el formato de igualdad bilateral (± el mismo valor).

5.- Ingresar las dimensiones y tolerancias en una tabla. Colocar los valores positivos y negativas en su respectiva columna.

6.- Colocar el valor de la tolerancia para cada dimensión en la columna adyacente.

7.- Elevar al cuadrado el valor de la tolerancia y anotarlo en la siguiente columna.

8.- Añadir al final de la columna la sumatoria total de cada columna respectivamente.

9.- Obtener el RSS sacando la raíz cuadrada al resultado total de la última columna.

10.- Restar al valor positivo total el negativo total. Esto nos dará la dimensión o distancia nominal.

11.- Sumar y restar el valor de RSS a la dimensión nominal, obteniendo los valores de la distancia máxima y la distancia mínima posible.

12.- Si se desea tomar un enfoque un poco más conservador, multiplicar el valor de la tolerancia RSS por un factor de ajuste (por ejemplo 1.5) y después sustituir el valor RSS ajustado más grande en vez del primer valor RSS obtenido.

A continuación se muestran las figura 8.3 (valor RSS) y figura 8.4 (valor ajustado RSS) que resumen los pasos anteriormente descritos.

Método Montecarlo

Usado con un software de análisis de tolerancias; este modelo toma todas las variables de la agrupación de tolerancias, y asigna a cada uno, un valor al azar dentro del rango, deriva el resultado, lo guarda, realiza iteraciones varias veces, y el promedio de estos resultados predice las distribuciones estadísticas. Este método es utilizado para tolerancias en 3-D.

El método Montecarlo es una técnica que involucra el uso de números aleatorios y probabilidad para resolver problemas.

El método se utiliza para la propagación de distribuciones llevando a cabo un muestreo aleatorio de distribuciones de probabilidad.

El diagrama MCM muestra los componentes y secuencia de operaciones para evaluar la incertidumbre de medición mediante el método Monte Carlo

Figura 8.5

Capitulo 17.

Cálculo de tolerancias de los componentes dados un ensamblaje final

Algunas veces se conoce un requisito de tolerancias en el ensamble final, y las tolerancias se determinaran como lo permita el requerimiento final. Esto comúnmente se encuentra cuando los objetivos del nivel de producción final han sido puestos.

Ensambles complejos como carrocerías de carros utilizan comúnmente una combinación de tolerancias "what-if" y un software de modelado de variación estadística, se realizan iteraciones hasta que se obtiene una combinación alcanzable de componentes de tolerancias para obtener un resultado estadístico aceptable.

El diseño geométrico se puede alterar usando ranuras u agujeros de gran tamaño, para ajustar en el ensamble. Otros métodos incluyen cambiar las relaciones de posición, como cambiar las juntas de tope por juntas de solape, el cambio de geometría de la superficie para hacer menos obvio la desalineación utilizando cuñas para reducir el número de piezas que contribuyen con el total acumulado.

El ensamble debe funcionar aunque este montado de la peor forma posible, típicamente estos diseños son alterados para permitir el ensamble en el peor de los casos. Muchos factores afectan estos ensambles, por ejemplo:

• Peso de la pieza.

• Gravedad.

• Torpeza para la manipulación de grandes piezas.

• Velocidad de la línea de producción.

• Rotación de la mano de obra.

El método "what-if" también funciona bien con "simple tolerance stackups", las suposiciones en las tolerancias se introducen en una hoja de cálculo y los resultados son estudiados, una vez que se obtiene un resultado satisfactorio el estudio se ha completado.

Otro método más preciso es utilizar la función "Goal Seek" de Microsoft Excel, esta función permite determinar el valor de la tolerancia sin realizar iteraciones. Con esta función el analista puede establecer el valor de la tolerancia de montaje deseada y hacer que el programa itere para encontrar la solución exacta, esta es una herramienta muy poderosa.

Capitulo 18.

Fórmulas y consideraciones para sujetadores flotantes y sujetadores fijos

Sujetador flotante y sujetador fijo son dos términos que pueden describir las relaciones entre 2 partes acopladas entre sí, esas características pueden ser: holgura de agujeros, agujeros roscados, agujeros de ensamble, chaveteros, llaves, entre otras.

Situación de sujetador flotante

Definición: Donde las características internas, como agujeros, deben despejar una característica externa, como un sujetador o un eje, esto es referido a una situación de sujetador flotante.Los diámetros de los agujeros pueden ser diferentes en cada pieza a acoplar, en este ejemplo la función de los agujeros es permitir a los sujetadores pasar así las piezas pueden ser sujetadas juntas, también es importante que los agujeros no sean demasiado grandes para permitir una buena superficie de contacto entre la cabeza del sujetador y la tuerca con las piezas a unir.

La fórmula del sujetador flotante permite que el diseñador pueda calcular el diámetro mínimo que puedan tener los agujeros y aun permitir que el sujetador pase incluso en el peor de los casos.

Fórmula de fijación flotante: H = F + T

Donde:

H= diámetro mínimo del espacio del agujero

F= diámetro máximo del sujetador en (MMC)

T= espacio de la tolerancia de posición del agujero a (MMC) de la parte considerada

Esta fórmula también puede ser usada para conocer el diámetro máximo del sujetador o el espacio de la tolerancia del agujero, la variable a calcular puede cambiar todo depende de que valores son conocidos.

Situación de sujetador fijo

Cuando características externas como pernos o protuberancias son ajustados en lugares donde hay características internas como agujeros en la parte a acoplar, esta situación se conoce como situación de sujetador fijo.

El sujetador no puede moverse de un lugar a otro en una situación de sujetador fijo, es común asumir que el perno o tornillo roscado una vez que entran en el agujero roscado no pueden moverse y que están fijos en el lugar, por lo tanto ahí hay algo de movimiento permitido entre las roscas de las partes a unir, la mayoría de las acumulaciones de tolerancias asumen que el sujetador y el agujero roscado son coaxiales, en aplicaciones muy críticas es necesario calcular la cantidad de espacio y el error de coaxialidad entre el sujetador y el agujero roscado.

Figura 18.2

Un ejemplo de un sujetador fijo se muestra en la figura 18.2 que muestra una sección a través de dos piezas unidas, la pieza de arriba tiene un patrón de agujeros con holgura, y la parte de abajo tiene un patrón contrario con interferencia de agujeros roscados.

La fórmula del sujetador fijo permite al diseñador determinar el diámetro mínimo de los agujeros y que aun permita el paso de los sujetadores y su unión con la parte roscada en el agujero roscado incluso en el peor de los casos.

Formula del sujetador fijo: H = F + T1 + T2

Donde:

H =tamaño mínimo del agujero a (MMC)

F= Diámetro máximo del sujetador

T1= Tolerancia posicional del agujero con holgura

T2= Tolerancia posicional del agujero roscado

Capitulo 19.

Límites y clasificaciones de ajustes

Hay tres tipos de ajustes entre las características de acoplamiento, ajustes de holgura, ajustes de transición y ajustes de interferencia.

Estas son clasificaciones de ajuste estándar; se basa en cómo las características de acoplamiento interactúan. Las normas internacionales (ISO) y estadounidenses (ASME) definen las clasificaciones de límites y ajustes usando valores numéricos o códigos.

Hay ajustes que se usan para ejes en cojinetes, pasadores en los agujeros, chavetas y chaveteros, entre otras. Curiosamente, estas clasificaciones de ajuste no tienen en cuenta la orientación o el error de posición entre las partes, las características de pieza se suponen coaxiales. Muchas, si no la mayoría, de las partes de acoplamiento incluyen características que son objeto de error por orientación y/o la ubicación.

Dado un tamaño nominal, el diseñador determina la función de las partes, y selecciona el ajuste apropiado. No debe haber en ningún caso dos tolerancias positivas o negativas. 

Clasificación de ajustes

• Ajustes con holgura.- Un ajuste con holgura siempre debe tener espacio libre entre el eje y el orificio.

• Ajustes de transición.- Un ajuste de transición puede tener holgura o interferencia entre el eje y el orificio. El requisito funcional es que el ajuste es apretado.

• Ajustes de interferencia.- Un ajuste de interferencia siempre debe tener la interferencia entre el eje y el orificio. El requisito funcional es un ajuste a presión, lo que garantiza que el eje no se suelte del agujero.

Límites y ajustes en el contexto de dimensiones y tolerancias geométricasEs importante recordar que estas clasificaciones de ajustes se discuten en términos de una función externa para encajar en una característica interna.

Los agujeros se producen con error de orientación y de ubicación. Normalmente, este error es aceptable y definido por la orientación y la ubicación de las tolerancias en el dibujo o modelo anotado. El diseñador debe tomar en cuenta posibles errores de orientación y de ubicación al determinar ajustes.

La figura 19,1 muestra un dibujo de un perno con un agujero. El perno y el agujero se les da una dimensión básica de tamaño y las tolerancias se especifican utilizando códigos que representan la clase de tolerancias. Los límites de tamaño están definidos por la combinación del tamaño básico y la clase de tolerancia.

Figura 19.1

Conclusión

Es muy importante el conocimiento de las acumulaciones de tolerancias en una pieza y también en ensamblajes pues es un defecto muy común, sin embargo con la lectura de los capítulos anteriores se obtuvieron diversas herramientas para minimizar ese error. Sabemos que es muy importante fabricar piezas sin errores porque en Algunas ocaciones un pequeño defecto nos puede causar grandes problemas.

Referencias bibliográficas

• Bryan R. Fischer. (2011). MECHANICAL TOLERANCE STACKUP AND ANALYSIS. Estados Unidos: Taylor & Francis Group.

• La Guía Metas. (2007). Evaluación con Monte Carlo. 2014, de La Guía Metas Sitio web: http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-07-03-GUM-Suplemento-1-Monte-Carlo.pdf

Autor:

Burrola Pichardo Gabriela

Carrasco Villela Jesús

González González Siria Selenne

González Mendez Yazmín

Portillo Hinojos Miguel Ángel

Metrología Avanzada

02/06/2014

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA