GD&T: Khái Niệm Cơ Bản về Kích Thước và Dung Sai Đo Lường
Các sản phẩm được gia công sản xuất sẽ sai lệch về kích cỡ và kích thước so với mô hình CAD ban đầu. Nguyên nhân đến từ sự thay đổi trong quy trình sản xuất. Để kiểm soát và nội bộ hiểu rõ các biến thể này. Các kỹ sư và nhà sản xuất sử dụng một ngôn ngữ tượng trưng gọi là GD&T. Viết tắt của kích thước hình học và dung sai đo lường.
GD&T cung cấp cho các đơn vị sản xuất và nhân viên QC thông tin rõ ràng về sai số trong tổ hợp sản phẩm. Và chuẩn hóa cách đo lường để phát hiện đúng đủ sự sai khác đó.
Các hướng dẫn sản xuất được ràng buộc bởi hệ thống GD&T, sẽ đạt được sự hợp lý trong truyền thông từ khâu thiết kế đến sản xuất. Cả sản xuất truyền thống và sản xuất kỹ thuật số (in 3d).
Tại sao kích thước hình học và dung sai (GD&T) quan trọng?
Thiết Bị Đo, Dụng Cụ Đo qua các thời kỳ phát triển
Đọc để tìm hiểu về:
- Các nguyên tắc cơ bản của GD&T
- Các ký hiệu dung sai đo lường khác nhau
- Một ví dụ cụ thể cho thấy GD&T được sử dụng bởi Solidworks và ứng dụng sản phẩm thực tế
Hạn chế của dung sai trước khi áp dụng GD&T
Trước GD&T, các tính năng sản xuất đã được chỉ định theo từng khu vực / vùng X Y. Ví dụ, khi khoan lỗ lắp, lỗ phải nằm trong khu vực X Y được chỉ định.
Tuy nhiên, để xác định vị trí của lỗ theo yêu cầu bản vẽ, khu vực được chấp nhận sẽ là một vòng tròn. Dung sai X-Y cho phép một vùng theo đó kết quả kiểm tra có thể bị hiểu nhầm bởi vì lỗ không nằm trong hình vuông X Y. Nó sẽ nằm giới hạn trong vòng tròn.
Stanley Parker, một kỹ sư phát triển vũ khí hải quân trong Thế chiến II, đã nhận thấy sự thất bại này vào năm 1940. Được thúc đẩy bởi nhu cầu sản xuất hiệu quả và đáp ứng deadline. Ông đã tạo ra một hệ thống mới đã được xuất bản nhiều ấn phẩm. Sau khi được chứng minh là một phương thức hoạt động tốt hơn, hệ thống mới đã trở thành một tiêu chuẩn quân sự trong những năm 1950.
Cho đến nay, tiêu chuẩn GD&T này được định nghĩa bởi Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ. Theo ký hiệu ASME Y14.5-2018 cho Hoa Kỳ và ISO 1101-2017 cho các Quốc Gia khác trên thế giới. Nó liên quan chủ yếu đến hình học tổng thể của sản phẩm, trong khi các tiêu chuẩn khác mô tả các tính năng cụ thể như độ nhám bề mặt, kết cấu và ren vít.
Tại sao phải thực hiện quy trình GD&T?
Với các bộ phận chức năng, các sản phẩm lắp ráp từ nhiều chi tiết hoặc các bộ phận có chức năng phức tạp. Điều quan trọng là tất cả các chi tiết lắp ráp và hoạt động tốt với nhau. Tất các yêu cầu lắp ghép và tính năng liên quan cần phải được chỉ định theo cách ít ảnh hưởng nhất đến quá trình sản xuất và các khoản đầu tư liên quan. Trong khi vẫn đảm bảo chức năng.
Việc thắt chặt dung sai có thể tăng chi phí gấp đôi hoặc thậm chí nhiều hơn. Do tỷ lệ phế phẩm cao hơn và cần phải thay đổi công cụ sản xuất. Vì vậy, bằng cách sử dụng hệ thống GD&T cho phép các nhà phát triển và bộ phận QC tối ưu hóa chức năng sản phẩm mà không làm tăng chi phí sản xuất.
Lợi ích quan trọng nhất của GD&T là hệ thống mô tả ý định thiết kế thay vì kết quả gia công sản phẩm. Giống như một vectơ chỉ hướng, như một công thức. Và nó không phải là đối tượng thực tế mà cái hàm ý của nó là giá trị.
Mô tả hình học của sản phẩm theo chức năng làm việc và phương pháp sản xuất sẽ đơn giản hơn là phải mô tả mọi thứ theo kích thước tuyến tính. Nó cũng cung cấp một công cụ giao tiếp với các đơn vị sản xuất, khách hàng, cũng như các bộ phận QC.
Khi được thực hiện tốt, GD&T thậm chí còn cho phép kiểm soát quy trình thống kê (SPC). Giảm tỷ lệ phế phẩm, lỗi lắp ráp và không quá khó để kiểm soát chất lượng. Giúp tiết kiệm tài nguyên đáng kể cho tổ chức. Kết quả là, nhiều bộ phận có thể làm việc song song với nhau vì họ có cùng tầm nhìn và ngôn ngữ chung cho những gì họ muốn đạt được.
Cách thức hoạt động của GD&T
Bản vẽ kỹ thuật cần hiển thị kích thước cho tất cả các tính năng của một chi tiết sản phẩm. Bên cạnh kích thước, giá trị dung sai cần được chỉ định với giới hạn tối thiểu và tối đa chấp nhận được. Dung sai là giá trị khác biệt giữa giới hạn tối thiểu và tối đa.
Ví dụ: nếu chúng ta có một cái bàn mà chúng ta sẽ chấp nhận chiều cao từ 750 mm đến 780 mm, thì ta hiểu dung sai là 30 mm. Tuy nhiên, nếu chỉ dùng dung sai chiều cao, thì được hiểu chúng ta sẽ chấp nhận bàn này cao 750 mm và thêm cái bàn kia cao 780 mm. Khi ấy giữa hai bàn sẽ bị chênh lệch chiều cao 30 mm.
Vì vậy, để có một lô hàng sản phẩm thích hợp, chúng ta cần một biểu tượng truyền đạt ý định thiết kế của một bề mặt trên cùng bằng phẳng. Do đó, chúng ta phải bổ sung một dung sai độ phẳng khi ghép các bàn kế nhau, ngoài dung sai chiều cao tổng thể của mổi bàn.
Tương tự, một hình trụ đạt dung sai đường kính vẫn có thể không vừa với lỗ của nó nếu xi lanh bị uốn cong nhẹ trong quá trình sản xuất. Do đó, nó cũng cần một GD&T độ thẳng (Hình A)
Hoặc một ống phải khớp liền mạch với một bề mặt phức tạp mà nó hàn vào để yêu cầu kiểm soát cấu hình bề mặt (Hình B).
GD&T thiết lập một thư viện các ký hiệu để truyền đạt ý định thiết kế như vậy, mà chúng ta sẽ thảo luận trong phần sau.
Nghệ thuật sử dụng dung sai là định hướng các sai lệch phù hợp cho tất cả các tính năng thiết kế cụ thể. Nhằm tối đa hóa tỷ lệ phê duyệt sản phẩm trong giới hạn của quy trình sản xuất và tùy thuộc vào mục đích chức năng yêu cầu.
Trong hệ mét, một số loại dung sai quốc tế cũng có thể được sử dụng để chỉ định bằng các ký hiệu. Ví dụ, ký hiệu 40H11 có nghĩa là lỗ có đường kính 40 mm và lắp lỏng. Nhà sản xuất sau đó chỉ cần tra bảng cơ sở cho các tính năng lỗ để lấy giá trị dung sai chính xác.
Các tiêu chuẩn không chỉ liên quan đến các nhà thiết kế và kỹ sư. Mà còn cho các nhân viên kiểm tra chất lượng. Bằng cách thông báo cho họ cách đo kích thước và dung sai đo lường. Sử dụng các dụng cụ đo lường cụ thể như thước cặp, thước đo chiều cao, tấm phẳng, đồng hồ so và máy đo tọa độ (CMM). Là rất quan trọng để thực hành máy đo.
Datum chuẩn
Khi đo và xác định một chi tiết, hình học tồn tại trong một không gian khái niệm được gọi là toạ độ tham chiếu - Datum Reference Frame (DRF). Nó có thể so sánh với hệ tọa độ gốc trong không gian của các mô hình 3D. Datum là một điểm, đường hoặc mặt phẳng tồn tại trong DRF và được sử dụng làm điểm bắt đầu để đo. Cần đảm bảo xác định Datum sao cho liên quan đến chức năng của chi tiết của bạn.
Khi bạn muốn kết hợp các tính năng từ chi tiết này đến các chi tiết khác trong một cụm, bạn nên sử dụng chỉ một Datum. Thêm nữa, luôn đảm bảo rằng Datum chính có một vị trí đáng tin cậy để lấy các phép đo khác.
Hướng dẫn dung sai GD&T
Một bản vẽ kỹ thuật phải truyền tải chính xác thông tin về sản phẩm cần gia công một cách dễ hiểu nhất. Và tránh thêm sự phức tạp hoặc các hạn chế không cần thiết. Các hướng dẫn sau đây rất hữu ích để tham khảo:
- Sự rõ ràng của một bản vẽ là quan trọng nhất, thậm chí còn hơn cả độ chính xác. Để cải thiện độ rõ ràng, hãy vẽ kích thước và dung sai bên ngoài ranh giới của chi tiết và áp dụng các đường nét hợp lý. Sử dụng hướng đọc đồng nhất, truyền đạt các kích thước chức năng theo nhóm.
- Luôn luôn thiết kế sao cho dễ đạt dung sai được nhất, để giảm chi phí.
- Sử dụng dung sai chung được xác định ở dưới cùng của bản vẽ cho tất cả các kích thước của sản phẩm. Các dung sai cụ thể chặt hơn hoặc lỏng hơn được chỉ định trong bản vẽ, còn lại là áp dụng dung sai chung.
- Ưu tiên các dung sai lắp ghép và mối liên hệ của chúng trước, sau đó chuyển sang phần còn lại của sản phẩm.
- Bất cứ khi nào có thể, hãy dùng GD&T và các chuyên gia sản xuất sẽ hiểu. Không mô tả các quy trình sản xuất trong bản vẽ kỹ thuật.
- Không chỉ định một góc 90 độ vì nó không chắn chắn.
- Kích thước và dung sai mặc định có giá trị trong môi trường 20°C, 101.3 kPa (hoặc trừ khi có quy định khác)
Ký hiệu dung sai đo lường
GD&T dựa trên tính năng, với mỗi tính năng sẽ đạt được bởi một cách kiểm soát khác nhau. Và chúng được phân thành năm nhóm kiểm soát:
Kiểm soát Hình Thể chỉ rõ các chức năng liên quan đến hình dạng, bao gồm:
- Độ thẳng được chia thành độ thẳng cạnh và độ thẳng trục.
- Độ phẳng có nghĩa là độ thẳng trong nhiều chiều, được đo giữa các điểm cao nhất và thấp nhất trên một bề mặt.
- Độ tròn hoặc căng tròn có thể được mô tả là độ thẳng uốn thành hình tròn.
- Độ trụ về cơ bản là độ phẳng được uốn thành một cái trụ. Nó bao gồm độ thẳng, độ tròn và độ côn, khiến cho việc kiểm tra tốn kém.
Kiểm soát Profile chỉ rõ vùng dung sai ba chiều xung quanh một bề mặt:
- Profile đường so sánh mặt cắt hai chiều với hình dạng lý tưởng. Vùng dung sai được xác định bởi hai đường cong bù
- Profile mặt tạo ra thông qua hai bề mặt bù giữa. Đây là một điều khiển phức tạp thường được đo bằng CMM
Kiểm soát Hướng liên quan đến các kích thước góc khác nhau, bao gồm:
- Độ dốc/góc là góc giữa hai mặt phẳng được xác định thông qua hai mặt phẳng tham chiếu.
- Độ vuông góc có nghĩa là độ phẳng ở 90 độ so với datum. Nó chỉ định hai mặt phẳng hoàn hảo mà mặt phẳng tính năng phải nằm ở giữa.
- Độ song song có nghĩa là hai độ thẳng ở một khoảng cách xác định. Tính song song cho các trục có thể được xác định bằng cách xác định vùng dung sai hình trụ bằng cách đặt ký hiệu đường kính trước giá trị dung sai.
Kiểm soát Vị Trí chỉ rõ cách xác định vị trí bằng kích thước tuyến tính:
- Dung sai vị trí là kiểm soát vị trí so với datum chuẩn được sử dụng nhiều nhất.
- Dung sai đồng tâm so sánh vị trí của tâm trục đối tượng với datum trục
- Dung sai đối xứng đảm bảo rằng các phần không phải là hình trụ trên một mặt phẳng chuẩn. Đây là một điều khiển phức tạp thường được đo bằng CMM.
Kiểm soát Độ Đảo xác định số lượng mà một chức năng nào đó cụ thể có thể thay đổi:
- Độ đảo hướng kính, chẳng hạn như các bộ phận gắn ổ bi. Trong quá trình kiểm tra, bộ phận được quay trên trục chính để đo độ biến thiên hoặc ‘lắc lư xung quanh trục quay.
- Độ đảo tổng cộng được đo trên nhiều điểm của một bề mặt. Điều này kiểm soát độ thẳng, profile, độ dốc / góc,
Khung điều khiển tính năng
Khung điều khiển tính năng (Feature Control Frame - FCF) là một nhóm các ký hiệu dung sai đo lường GD&T. Được thêm vào bản vẽ để kiểm soát chất lượng.
Ô ngoài cùng bên trái chứa các dung sai hình học. Trong ví dụ trên, nó là một dung sai vị trí. Ký hiệu đầu tiên trong ô thứ hai là ký hiệu kích thước. Trong ví dụ này, nó là kích thước đường kính. Con số chỉ ra dung sai cho phép.
Bên cạnh ô dung sai, có các ô riêng chỉ rõ từng datum gốc mà kích thước ấy phải phụ thuộc vào. Tại đây, vị trí sẽ được đo từ chuẩn B và C. Bên cạnh dung sai hoặc các datum là một chữ cái nằm trong vòng tròn, là tính năng sửa đổi.
Các khả năng sau đây có thể xảy ra:
M có nghĩa là dung sai áp dụng trong điều kiện vật liệu tối đa (dung sai dương)
L có nghĩa là dung sai áp dụng trong điều kiện vật liệu tối thiểu (dung sai âm)
U có nghĩa là áp dụng dung sai âm dương, tức là đối với dung sai 1 mm, nó có thể là âm 0,20 và dương 0,80.
P có nghĩa là dung sai được đo trong từ một khoảng cách xác định so với datum chuẩn.
Nếu Không có ký hiệu nào thì thường là được hiểu là không có lưu ý gì về dung sai
Trong ví dụ này, nếu chi tiết không nằm trong vùng dung sai dương tối đa, thì dung sai thêm sẽ tỷ lệ nghịch với độ lệch. Tức là, nếu kích thước chi tiết ở mức 90% của dung sai dương tối đa, dung sai dương cho phép chỉ còn 10%.
Dung sai trong in 3D
Nhiều nhà thiết kế sản phẩm và kỹ sư sử dụng máy in 3D trong quá trình tạo mẫu và phát triển sản phẩm để tạo ra các nguyên mẫu hiệu quả và các chi tiết tùy biến. Nếu không, có thể phải đầu tư đáng kể vào máy móc công cụ.
Dung sai khi sản xuất bằng máy in 3D khác với sản xuất truyền thống. Vì in 3D là một quy trình tự động duy nhất. Dung sai càng chặt chẽ thì càng phải nỗ lực nhiều hơn trong giai đoạn thiết kế. Nhưng có thể mang lại tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí trong tạo mẫu và sản xuất.
Máy in 3D SLA Formlabs Form 3, có độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao, đồng thời cung cấp nhiều loại vật liệu kỹ thuật, từ nhựa nhiệt độ cao để resin đúc cho đến nhựa được thiết kế để chịu được tải trọng cao hoặc chống mài mòn.
Nghiên cứu điển hình về GD&T
Hầu hết các công cụ CAD chuyên kỹ thuật cơ khí như: SolidWorks, Autodesk Fusion 360, AutoCAD, SolidEdge, FreeCAD, CATIA, NX, Creo và Inventor đều cung cấp tích hợp GD&T khi tạo bản vẽ kỹ thuật. Tuy nhiên, các nhà thiết kế vẫn phải cài đặt dung sai bằng tay. Bởi máy tính chưa hiểu những sai lệch có thể xảy ra trong quá trình sản xuất. Trong nghiên cứu sau đây, chúng tôi đề cập một ví dụ về GD&T được sử dụng trong SolidWorks.
Dự án cụ thể này, mục đích là sản xuất 50.000 nắp chai thông qua ép phun. Chúng tôi muốn kiểm soát cảm giác lực mà từng cái nắp sẽ vặn vào miệng chai. Do đó đòi hỏi thông số dung sai đo lường hợp lý. Chúng tôi muốn phòng tránh một số nắp chai có đường kính ngoài lớn hơn chai. Trong khi một số khác nhỏ hơn và giữ lại các nắp chai đáp ứng yêu cầu.
Phần ren chai có đường kính ngoài 36,95 +/- 0,010 mm. Điều đó có nghĩa là giới hạn của đường kính trong của nắp là từ 36.985 đến 37.065 mm, với kích thước danh nghĩa là 37.0 mm.
Nắp có hai lỗ để kết nối với một thanh trục như hình bên dưới. Điều này cho phép mở chai bằng một tay trong khi nó treo bên dưới bề mặt của tủ lưu trữ. Thanh trục làm bằng thép không gỉ có đường kính 4mm và dung sai 0,13mm. Để kết nối chịu lực vừa đủ, chúng tôi chọn đường kính lỗ từ 3,99 đến 4,01 mm. Nó đáp ứng một lực phù hợp cho tất cả các kích thước ty lắp. Vì là một dung sai chặt, nên chúng tôi quyết định chỉ định lỗ ở 3,85 mm sau đó khoan nó đến chính xác 4,00 mm. Và kiểm soát độ đồng tâm của hai lỗ.
Để kiểm soát kích thước đúng cách, chúng tôi cần sử dụng datum chuẩn. Một datum chuẩn cần phối hợp các yêu cầu chức năng và đặc điểm lắp ráp. Ngoài ra, nó cần phải ổn định, có thể lặp lại và dễ áp dụng. Trong trường hợp này, phối hợp dung sai đo lường giữa nắp và cổ chai là quan trọng nhất, vì vậy chúng tôi chọn bề mặt hình trụ bên trong nắp chai làm datum chuẩn B. Chức năng phụ là sự liên đới với bề mặt lắp đặt, vì vậy chúng tôi chọn mặt đỉnh của nắp làm datum chuẩn thứ cấp A.
Tạo Mẫu và Sản Xuất nhanh bằng máy in 3D
Trong hướng dẫn này, chúng tôi đã thảo luận về hệ thống Kích thước hình học và dung sai đo lường (GD&T). Mang lại lợi ích to lớn cho các nhà thiết kế và kỹ sư làm việc trên các sản phẩm phức tạp. Nơi các kích thước cần phải được kiểm soát chặt chẽ. Chúng ta đã thấy cách GD&T truyền tải thông điệp. Không chỉ các yếu tố kích thước, mà còn cả ý định thiết kế. Hỗ trợ giao tiếp kỹ thuật thiết kế rõ ràng và thuận lợi hơn với các bên liên quan của dự án.
Chỉ với hơn một chục ký hiệu, datum chức năng và khung điều khiển tính năng FCF. Có thể làm phong phú thêm các bản vẽ sản xuất và đảm bảo rằng sự phù hợp về kỹ thuật vẫn nhất quán trong các cụm lắp ráp. GD&T cũng mời các nhà phát triển suy nghĩ về cách tối ưu áp dụng cho quy trình sản xuất đã chọn. Vì các kỹ thuật sản xuất khác nhau thì những sai lệch đặc trưng khác nhau.
Các công ty không gian vũ trụ, ô tô, quốc phòng, hàng tiêu dùng, y tế, và nhiều lĩnh vực khác. Đang áp dụng các công cụ sản xuất kỹ thuật số để thực hiện các bước đi đến Công nghiệp 4.0.
In 3D là chất xúc tác cho hiệu quả, mang lại cho nhân viên từ kỹ sư sản xuất đến thợ máy công cụ. Để thắt chặt chuỗi cung ứng, cải thiện sản xuất. Và tung sản phẩm ra thị trường nhanh hơn, tiết kiệm hàng trăm ngàn đô la.
Về 3D Smart Solutions
Tiên phong trong cung cấp giải pháp và dịch vụ công nghệ 3d tại Việt Nam. Tiêu chí hoạt động của chúng tôi là: Làm Đúng Ngay Từ Lần Đầu Tiên. Hãy bình luận trên trang Facebook và Linkedin của chúng tôi! Đừng quên đăng ký bản tin hàng tuần miễn phí của chúng tôi, với tất cả tin tức mới nhất về Giải pháp 3D được gửi thẳng đến địa chỉ email của bạn.
