1. TOLLERANZE DI LAVORAZIONE 16.1 Definizioni

Ogni dimensione di un pezzo meccanico, sia esso isolato o accoppiato con altro o con altri, è definita da una misura indicata nel disegno del pezzo che è chiamata quota nominale. E' possibile fare accostare quanto si vuole la dimensione effettiva del pezzo alla quota nominale, ma non si può mai avere la coincidenza dimensionale assoluta, sia perchè nessuna lavorazione può dare tale esattezza, sia perchè non esistono strumenti che diano assoluta precisione nelle loro misurazioni. Nella pratica, l'esperienza ha dimostrato che un pezzo meccanico, avente una data dimensione nominale, può compiere le sue funzioni se la sua dimensione effettiva risulta compresa entro determinati limiti, cioè se è compresa entro un valore massimo ed un valore minimo. La differenza tra il valore massimo ed il valore minimo ammissibile per una data quota nominale prende il nome di tolleranza di lavorazione di tale quota. Esempio:

Se la quota nominale di un pezzo è 18 mm, ed il pezzo è accettabile se la sua quota effettiva è compresa tra 18,1 mm e 17,9 mm, la tolleranza è : 18,1 - 17,9 = 0,2 mm.

E' evidente che lo stabilire l'ampiezza della tolleranza con cui il pezzo deve essere lavorato, è un compito di grandissima importanza in quanto, da essa, dipendono la funzionalità del pezzo ed il suo costo. Infatti precisione e basso prezzo sono due requisiti in netto contrasto fra loro: un aumento della precisione (cioè una diminuzione della tolleranza) comporta un aumento del prezzo del pezzo in quanto richiede lavorazioni con macchine più precise e costose, e controlli con strumenti più sofisticati e costosi. Ciò detto risulta inderogabile, per i progettista che:

la tolleranza fissata per la lavorazione deve essere ristretta quanto è necessario per la funzionalità del pezzo,

ma non di più.

Nel disegno di un pezzo la quota, dimensione nominale, stabilisce la linea dello zero. La tolleranza può essere schematicamente rappresentata con delle linee limite corrispondenti alla dimensione massima e minima accettabile, come illustrato nello schizzo seguente:

La tolleranza può essere: * Bilaterale quando è a cavallo della linea dello zero e, cioè, è ammessa una variazione per la dimensione effettiva in più o in meno rispetto alla dimensione nominale. * Unilaterale quando sono ammesse variazioni solo sopra la linea dello zero (per eccesso) o solo sotto la linea dello zero (per difetto); si ammettono cioè, secondo i casi, dimensioni effettive solo maggiori o solo minori di quella nominale.

Esempi : 1) Se un pezzo ha la dimensione nominale di 20 mm e si ammette che la dimensione effettiva possa variare da 20 a 20,1 mm, la tolleranza è 0,1 mm, ed è unilaterale in eccesso. 2) Se per lo stesso pezzo si ammette che la dimensione effettiva sia compresa tra 20 e 19,8, la tolleranza è 0,2 ed è unilaterale per difetto. 16.2 Accoppiamenti

Le considerazioni che precedono, valgono tanto per il caso di pezzi meccanici isolati, quanto per quello di pezzi destinati ad essere uniti ad altri in qualche meccanismo. E' chiaro però che le considerazioni sulle tolleranze acquistano la massima importanza per i pezzi che devono accoppiarsi fra loro.

Gli accoppiamenti possono essere rotoidali o prismatici. L'accoppiamento rotoidale albero-foro è il più comune, il più semplice e quello che offre tutti i casi possibili. Tutto quanto viene detto dell'accoppiamento albero-foro può essere agevolmente esteso agli altri tipi di accoppiamento. Schematicamente un accoppiamento albero-foro può essere rappresentato dagli schemi seguenti:

* Definizioni:

- Gioco: è la differenza tra la dimensione effettiva del foro e quella dell'albero, quando il diametro del foro è maggiore di quello dell'albero. L'accoppiamento che presenta un gioco è mobile. - Interferenza: è la differenza tra il diametro dell'albero e quello del foro, prima di effettuare l'accoppiamento, quando il diametro dell'albero è maggiore di quello del foro. L'accoppiamento che presenta un'interferenza e che deve essere effettuato forzato (es. a mezzo di una pressa) è stabile o bloccato o fisso.

Date le tolleranze di un foro e del corrispondente albero, le diverse condizioni di accoppiamento (stabile, mobile, ed una condizione intermedia detta incerto) risultano dalla posizione in cui le tolleranze vengono poste rispetto la linea dello zero, indipendentemente dall'entità delle tolleranze stesse.

Da quanto sopraddetto e dall'esame degli schemi sopra riportati si può, in pratica, desumere che: fissate le tolleranze con cui devono essere eseguite le lavorazioni delle parti da accoppiare, si possono realizzare le volute condizioni di accoppiamento (mobile, stabile, incerto), fissando le posizioni delle tolleranze rispetto alla linea dello zero, mediante l'indicazione delle distanze tra la linea dello zero ed i limiti del campo di tolleranza. Queste distanze sono dette scostamenti (E, e) ; ad ogni tolleranza corrispondono due scostamenti: scostamento superiore (Es ,es) e scostamento inferiore (Ei, ei)

16.2.1 Accoppiamento mobile

Lo schema seguente rappresenta un accoppiamento mobile (solo per semplicità esplicativa) illustrante tutti i parametri che caratterizzano l'accoppiamento stesso.

Nello schema sopra illustrato (solo per semplicità esplicativa) le tolleranze del foro e dell'albero sono state poste una al di sopra, e l'altra al di sotto della linea dello zero; ciò, in realtà, non è affatto necessario, come illustrato nello schema riportato alla pagina seguente.

Caso A: l'accoppiamento è sempre mobile, perchè la massima dimensione dell'albero è sempre minore della minima dimensione del foro; vi è sempre gioco.

Caso B: l'accoppiamento è sempre stabile, perchè la dimensione minima dell'albero è sempre maggiore del diametro massimo del foro; vi è sempre interferenza.

In corrispondenza alle dimensioni effettive di un albero e del relativo foro, i valori del gioco o dell'interferenza, dati i valori e le posizioni delle tolleranze, variano tra un massimo ed un minimo, come illustrato nello schema seguente.

* Definizioni:

- Gioco massimo ammissibile: è la differenza tra il diametro massimo ammissibile per il foro, ed il diametro minimo ammissibile per l'albero. - Gioco minimo ammissibile: è la differenza tra il diametro minimo ammissibile per il foro, ed il diametro massimo ammissibile per l'albero. - Interferenza massima ammissibile: è la differenza tra il diametro massimo ammissibile dell'albero, ed il diametro minimo ammissibile del foro. - Interferenza minima ammissibile: è la differenza tra il diametro minimo ammissibile dell'albero, ed il diametro massimo ammissibile del foro.

In teoria, sarebbe possibile realizzare le volute condizioni di accoppiamento in infiniti modi diversi, posizionando nei modi più arbitrari, le tolleranze dei fori e degli alberi. Tale modo di procedere, però, porterebbe a complicazioni tecniche non superabili e non sopportabili; pertanto, nelle lavorazioni di serie, vengono usati due sistemi di accoppiamento detti albero base e foro base.

16.2.2 Sistema albero base

La tolleranza dell'albero viene mantenuta nella posizione indicata nello schema, cioè con lo scostamento superiore uguale a zero; ciò equivale a dire che il campo di tolleranza dell'albero è sotto la linea dello zero, appoggiato ad essa. Le diverse condizioni di accoppiamento si realizzano disponendo in modo opportuno le tolleranze del foro.

16.2.3 Sistema foro base

La tolleranza del foro viene mantenuta nella posizione indicata nello schema, cioè con lo scostamento inferiore uguale a zero; ciò equivale a dire che il campo di tolleranza dell'albero è sopra la linea dello zero, appoggiato ad essa. Le diverse condizioni di accoppiamento si realizzano disponendo in modo opportuno le tolleranze dell'albero.

16.2.4 Scelta tra i sistemi albero o foro base La scelta tra sistema albero base o foro base dipende da molti elementi, non ultimo quello dei macchinari disponibili. Comunemente il sistema foro base è usato nella costruzione di macchine utensili, reattori a combustione interna, costruzioni automobilistiche, aeronautiche, ferroviarie, etc, e offre i seguenti vantaggi: - richiede un numero limitato di alesatori per la finitura dei fori; - risulta più semplice ed economico portare alla dimensione voluta (tramite rettifica) il diametro dell'albero che quello del foro. Il sistema albero base è usato nella costruzione di grandi macchine (agricole, di sollevamento, per l'edilizia, etc.) ed in tutte le costruzioni in cui la finitura dei pezzi può essere eseguita con rettificatrici per interni.

Offre il vantaggio di richiedere una dotazione di calibri a tampone inferiore a quella dei calibri a forcella; i calibri a tampone sono meno costosi di quelli a forcella, e ciò comporta un notevole vantaggio economico.

16.3 Calibri fissi. Controllo delle dimensioni dei pezzi durante le lavorazioni ed il collaudo

Nella lavorazione in serie si raggiunge una grande rapidità di produzione a basso costo dei prodotti anche perchè non si devono eseguire misurazioni dei fori e degli alberi, ma solo controllare che essi siano compresi nelle zone di tolleranza prestabilite. Tale controllo si effettua con la massima rapidità e semplicità, servendosi di calibri passa - non passa a forcella per gli alberi, a tampone per i fori. I calibri passa - non passa possono essere di forma diversa, come illustrato nello schema seguente. a - Calibri fissi per l'albero

b - Calibri fissi per il foro

16.4 Sistema ISO di tolleranze e accoppiamenti

Tutto quanto esposto in precedenza vale per qualunque sistema di tolleranze. Dal 1940 è stato convenuto di creare un sistema di tolleranze valido per tutti i Paesi industrializzati; tale sistema era chiamato ISA (International Standardizing Association) ed infine, nel 1968, il sistema ISA è stato sostituito dal sistema ISO (International Standardizing Organization). Il sistema ISO, che è recepito da tutti gli Enti di Unificazione Nazionale (per l'Italia è l'UNI), prevede: a) la qualità della tolleranza: che indica il grado di precisione delle lavorazioni.

Sono previsti 19 diverse qualità o gradi di precisione, dal più preciso al più grossolano, contraddistinti da un numero preceduto dal simbolo IT (International Tolerance); b) la posizione della tolleranza (scostamento) : che, quando venga precisata per il foro o per l'albero, garantisce l'ottenimento della condizione di accoppiamento richiesta. Sono previste una serie di 28 posizioni diverse della tolleranza rispetto alla linea dello zero, contraddistinte da lettere maiuscole per i fori e da lettere minuscole per gli alberi.

Per definire in modo completo una zona (o campo) di tolleranza si deve indicare, nell'ordine, il valore nominale, seguito da un simbolo letterale (di una o due lettere) indicante la posizione e da un numero indicante la qualità: Esempio: * foro di 45 mm, qualità 8, posizione E = 45 E 8 * albero di 40 mm, qualità 7, posizione g = 40 g 7 Un accoppiamento è designato dalla dimensione comune (dimensione nominale) seguita dai simboli del foro e dell'albero, separati da una linea di frazione. Esempio: 38H7 / f6 oppure 38 _H7_ f 6 Nello schema seguente sono rappresentate graficamente le diverse posizioni, previste dall'ISO per i fori e gli alberi, per una generica tolleranza IT.

Nella tabella seguente sono riportate, raggruppate per famiglie di dimensioni, le qualità di lavorazione o gradi di precisione. I valori sono in millesimi di millimetro ( µm ) per IT fino a 11 e in mm per IT12 e seguenti

IT01 IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11 IT12 IT13 IT14 IT15 IT16 IT17Gruppo di dimensioni In mm Da 1 fino a 3 0,3 0,5 0,8 1,2 2 3 4 6 10 14 25 40 60 0.100 0.140 0.250 0.400 0.600 -

oltre 3 fino a6 0,4 0,6 1 1,5 2,5 4 5 8 12 18 30 48 75 0.120 0.180 0.300 0.480 0.750 -

oltre 6 fino a 10 0,4 0,6 1 1,5 2,5 4 6 9 15 22 36 58 90 0.150 0.220 0.360 0.580 0.900 1.500

oltre 10 fino a 18 0,5 0,8 1,2 2 3 5 8 11 18 27 43 70 110 0.180 0.270 0.430 0.700 1.100 1.800

oltre 18 fino a 30 0,6 1 1,5 2,5 4 6 9 13 21 33 52 84 130 0.210 0.330 0.520 0.840 1.300 2.100

oltre 30 fino a 50 0,6 1 1,5 2,5 4 7 11 16 25 39 62 100 160 0.250 0.390 0.620 1.000 1.600 2.500

oltre 50 fino a 80 0,8 1,2 2 3 5 8 13 19 30 46 74 120 190 0.300 0.460 0.740 1.200 1.900 3.000

oltre 80 fino a 120 1 1,5 2,5 4 6 10 15 22 35 54 87 140 220 0.350 0.540 0.870 1.400 2.200 3.500

oltre 120 fino a 180 1,2 2 3,5 5 8 12 18 25 40 63 100 160 250 0.400 0.630 1.000 1.600 2.500 4.000

oltre 180 fino a 250 2 3 4,5 7 10 14 20 29 46 72 115 185 290 0.460 0.720 1.150 1.850 2.900 4.600

oltre 250 fino a 315 2,5 4 6 8 12 16 23 32 52 81 130 210 320 0.520 0.810 1.300 2.100 3.200 5.200

oltre 315 fino a 400 3 5 7 9 13 18 25 36 57 89 140 230 360 0.570 0.890 1.400 2.300 3.600 5.700

oltre 400 fino a 500 4 6 8 10 15 20 27 40 63 97 155 250 400 0.630 0.970 1.550 2.500 4.000 6.300

Note:

* Le qualità IT01 -:- IT1 sono adottate per la meccanica di altissima precisione: ottica, orologeria, etc. * Le qualità IT02 -:- IT04 sono adottate per lavorazioni di alta precisione: strumenti di misura, calibri fissi, etc. * Le qualità IT5 -:- IT12 sono quelle comunemente adottate per le lavorazioni meccaniche. * Le qualità IT12 -:- IT17 sono adottate solo per lavorazioni grossolane (laminazione, trafilatura, stampaggio) e per la produzione di pezzi non destinati ad un accoppiamento.

Nelle tabelle seguenti sono riportati gli scostamenti fondamentali per alberi e fori, per gruppi di dimensioni nominali da 1 a 500 mm.

16.4.1 Elaborazione tolleranze e scostamenti Dagli schemi sotto riportati si può dedurre la relazione algebrica esistente tra la tolleranza e gli scostamenti. La tolleranza è sempre considerata positiva. Gli scostamenti sono positivi se sopra la linea dello zero; sono negativi se sotto la linea dello zero. La relazione risulta: * per fori: Es = Ei + IT Ei = Es - IT * per alberi: es = ei + IT ei = es - IT

16.4.2 Esempi di determinazione degli scostamenti di fori 1) foro 45F8 dalle tabelle ISO si ricava: IT = 39 µm ; Ei = 25µm Es = Ei + IT = 25 + 39 = 64µm 2) foro 150N7 dalle tabelle ISO si ricava: IT = 40µm ; Es = -12µm Ei = Es - IT = -12 - 40 = -52µm Graficamente, gli scostamenti calcolati si rappresentano nel modo seguente:

16.4.3 Esempi di determinazione degli scostamenti di alberi 1) albero 90n6 dalle tabelle ISO si ricava: IT = 22 µm ; ei = 23 µm es = ei + IT = 23 + 22 = 45 µm 2) albero 65f dalle tabelle ISO si ricava: IT = 46 µm ; es = -30 µm ei = es - IT = -30 - 46 = - 76 µm Graficamente, gli scostamenti calcolati si rappresentano nel modo seguente:

16.5 Elaborazione tolleranze negli accoppiamenti

Riprendendo quanto già accennato in precedenza, in un accoppiamento si possono avere tre condizioni: mobile, incerto, stabile. Con gli esempi di seguito riportati, si ritiene di esaurire tutti i casi possibili. 1) Accoppiamento mobile: 45H8 / g7 * foro 45H8 - scostamento inferiore: Ei = 0 - tolleranza IT8 per 45 mm = 39 µm - scostamento superiore: Ei + IT = 0 + 39 = 39 µm - dimensione minima = 45 + 0 = 45 mm - dimensione massima = 45 + 0,039 = 45,039 mm * albero 45g7 - scostamento superiore: es = -9 µm - tolleranza IT7 per 45 mm = 25 µm - scostamento inferiore: ei = es - IT = -9 - 25 = -34 µm - d max = 45 - 0,009 = 44,991 mm - d min = 45 - 0,034 = 44,966 mm - gioco max = D max - d min = 45,039 - 44,966 = 0,073 mm - gioco min = D min - d max = 45,000 - 44,991 = 0,009 mm

2) Accoppiamento incerto: 120H7 / m6

* foro 120H7 - scostamento inferiore: Ei = 0 - tolleranza IT7 per 120 mm = 35 - scostamento superiore: Es = Ei + IT = 0 + 39 = 39

- D min = 120 + 0 = 120,000 mm - D min = 120 + 0,035 = 120,035 mm * albero 120 m 6 - scostamento inferiore: ei = 13 - tolleranza IT6 per 120 mm = 22 - scostamento superiore: es = ei + IT = 13 + 22 = 25 - d min = 120 + 0,013 = 120,013 mm - d max = 120 + 0,035 = 120,035 mm - gioco max = D max - d min = 120,035 - 120,013 = 0,022 mm - gioco min = D min - d max = 120,000 - 120,035 = -0,035 mm (interferenza)

3) Accoppiamento stabile: 70S7 / n6

* foro 70S7 - scostamento superiore: Es = -59 µm - tolleranza IT/ per 70 mm = 30 µm - scostamento inferiore: Ei = Es - IT = -59 - 30 = -89 µm

- D max = 70 - 0,059 = 69,941 mm - D min = 70 - 0,089 = 69,911 mm

* albero 70 n 6 - scostamento inferiore: ei = 20 µm - tolleranza IT& per 70 mm = 19 µm - scostamento superiore: es = ei + IT = 20 + 19 = 39 µm - d max = 70 + 0,039 = 70,039 mm - d min = 70 + 0,020 = 70,020 mm - gioco max = D max - d min = 69,941 - 70,020 = -0,079 (interferenza) - gioco min = D min - d max = = 69,911 - 70,039 = -0,128 (interferenza).

16.6 Lavorazioni in serie

Quando si debbano costruire pochi esemplari di un meccanismo, composto da un numero limitato di pezzi, si segue il metodo comune di lavorazione, costruendo i pezzi uno alla volta e procedendo al loro progressivo accoppiamento con operazioni di aggiustaggio e adattamento. I meccanismi prodotti potranno risultare di ottima qualità, ma saranno molto costosi, inoltre sarà molto onerosa l'eventuale sostituzione di pezzi che, per avaria o usura, dovranno essere smontati durante il servizio.

La lavorazione in serie ha risolto il problema di costruire moltissimi esemplari dello stesso meccanismo in modo soddisfacente e con un costo della lavorazione estremamente ridotto rispetto a quello della lavorazione comune sopra accennata. Il principio di questa lavorazione è molto semplice: si supponga di dover costruire un numero elevato di esemplari del meccanismo sopraccitato, per esempio 10.000 esemplari, ciascuno composto di 10 pezzi accoppiati tra loro. La lavorazione in serie consiste nel costruire 10.000 pezzi di 1° tipo, 10.000 pezzi di 2° tipo, 10.000 pezzi di 3° tipo,........., 10.000 pezzi di 10° tipo controllando, durante la fabbricazione, che ognuno di essi abbia dimensioni comprese entro limiti tali che, prendendo a caso un pezzo del 1° tipo, uno del 2°, uno del 3°, etc., si possa montare un meccanismo completo e funzionante senza alcun lavoro di adattamento. I pezzi che soddisfano questa possibilità sono detti intercambiabili. La grande rapidità di produzione (esclusione dei lavori di adattamento), la possibilità di utilizzare manodopera non specializzata (es. aggiustatori) e quindi meno costosa, ed infine, la ripartizione delle spese generali (affitto e manutenzione dei locali, spese per personale direttivo ed amministrativo, etc.) diluite su un grandissimo numero di meccanismi, danno come risultato una grande riduzione del costo del prodotto. Da quanto sopra accennato, è ovvio individuare nella produzione di serie la caratteristica della grande industria moderna.