با مفهوم تلرانس آشنا شوید

تلورانس چیست؟

در طبیعت هیچ کمیتی را نمی توان به صورت دقیق و مطلق اندازه گیری کرد. مثلا یک طول دقیقا 20 میلیمتری به صورت مطلق وجود ندارد. این موضوع شامل همه کمیت های اندازه گیری می شود. اما یک دامنه تغییرات مجاز برای هر کمیت وجود دارد. به دامنه تغییرات مجاز یک کمیت تلرانس (تلورانس) گفته می شود.

در واقع اختلاف میان ماکزیمم و مینیمم مجاز یک کمیت بیانگر مفهوم تلرانس است. برای مثال، روی اکثر مقاومت ها علاوه بر مقدار مقاومت، تلورانس آن نیز حک می شود. این تلرانس نشان دهنده این است که مقدار واقعی مقاومت تا چه اندازه کمتر یا بیشتر از مقدار نامی آن است. معمولا تلرانس مقاومت ها ۵ تا ۱۰ و یا ۲۰ درصد است.

تلورانس در هر زمینه ای از علم، مفاهیم و روابط مخصوص به خود را دارد. در این مقاله، با زبانی ساده با 3 نوع اصلی تلورانس، یعنی هندسی (GD&T)، ابعادی و انطباقی آشنا می شویم.

تلورانس هندسی (GD&T) (Geometric Dimensioning and Tolerancing)

طی جنگ جهانی دوم، ایالات متحده آمریکا قطعات مختلفی تولید می کرد که برای استفاده به دیگر نقاط درگیر با جنگ می فرستاد. در اکثر موارد، علی رغم تولید قطعات مطابق با تعاریف انجام شده، این قطعات قابل مونتاژ نبودند.

پس از جنگ، کمیته ای متشکل از نمایندگان دولت، صنعت و آموزش تشکیل شد. همچنین زمان و تلاش زیادی برای بررسی مشکل قطعات معیوب صرف گردید. این کمیته می بایست برای اطمینان از عملکرد و مونتاژ مناسب قطعات در هر زمان، راه حلی پیدا می کرد.

نتیجه کار این کمیته، بسط و توسعه GD&T و ارائه استاندارد USASI Y14.5 در سال ۱۹۶۶ بود. این استاندارد در سال های بعد نیز بازنگری شد که عبارتند از:

• ANSI Y14.5:  در سال 1974
• ANSI Y14.5M:  در سال 1982
• ASME Y14.5M: در سال 1994
• ASME Y14.5M: در سال 2009

در عصر حاضر، در اکثر قرار دادها رسم نقشه ها مطابق با این استاندارد به دلیل ایجاد فهم مشترک و کاهش هزینه ها ضروری است. تلرانس گذاری هندسی یک زبان بین المللی با استفاده از علائم است.

این زبان برای تعریف اندازه، شکل، جهت و موقعیت ویژگی های قطعه کاربرد دارد. ویژگی های تلورانس گذاری با GD&T ارتباط واقعی میان جفت قطعات را به خوبی نمایش می دهند. استفاده از GD&T باعث ایجاد تفسیر یکسان از نقشه ها، اطمینان از مونتاژ مناسب جفت قطعات، افزایش کیفیت و کاهش هزینه ها شده است. در واقع GD&T یک چک لیست است که طراح تمام ویژگی های قطعه را مطابق آن بررسی کرده و سپس عمل می کند.

انواع تلورانس هندسی در GD&T

تلرانس فرم

تلرانس فرم، خود از چهار تلرانس تشکیل می شود که هیچ مبنایی ندارند.

تلرانس مستقیمی (راستی): این تلورانس برای صافی المان سطح، صفحه میانی و محور به کار می‌رود و ناحیه تلرانسی را مشخص می کند که هر المان خطی باید داخل آن قرار گیرد.

تلرانس تختی: این تلورانس برای تعریف تختی سطوح به کار می ‌رود. تلرانس تختی، برای واشرها یا آب بندی سطوح و یا سطوحی که با شبیه سازهای مبنا متصل هستند، بدون در نظر گرفتن سایز، مورد استفاده قرار می گیرد.

تلرانس دایروی: این علامت در تعریف میزان گردی مقاطع دایروی کاربرد دارد. برای محدود کردن گوشه دار شدن (خارج شدن از حالت گردی) قطر یک شفت، استفاده از این نوع تلورانس بسیار مرسوم است. این تلرانس، به مقاطع مختلف یک شفت به شکل مجزا اعمال می شود.

تلرانس استوانه ‌ای: این تلورانس برای تعریف مقدار تلورانس استوانه ‌ای مقاطع دایروی استفاده می شود. برای محدود کردن وضعیت سطح (خارج از گردی، مخروطی شدن و کمانش) لازم است از این نوع تلرانس استفاده کنیم.

تلرانس پروفیل خطی: در این حالت، ناحیه تلورانسی توسط دو منحنی محدود می شود. این دو منحنی نیز به وسیله دایره هایی به قطر t که مراکز آن ها بر روی منحنی با فرم هندسی ایده آل قرار دارند، مشخص می شود.

تلرانس پروفیل سطحی: ناحیه تلورانسی توسط دو سطح در برگیرنده کره هایی با قطر t محدود می شود که مراکز این کره ها، روی سطحی با فرم هندسی ایده آل قرار دارند.

در جدول زیر جمع بندی مطالب گفته شده را ملاحظه می کنید.

تلرانس جهت

این تلورانس نیز خود انواع مختلفی دارد:

تلرانس موازی بودن (توازی): این علامت به منظور تعریف میزان توازی یک یا چند المان نسبت به مبنا استفاده می شود. به عبارت دیگر، علامت توازی برای محدود کردن توازی یک سطح، محور یا سطح میانی نسبت به یک مبنا در ناحیه مشخصی مورد استفاده قرار می گیرد.

تلرانس تعامد: این علامت جهت کنترل مقدار زاویه 90 درجه یک سطح، محور یا سطح میانه نسبت به یک مبنا کاربرد دارد.

تلرانس زاویه دار بودن: این علامت برای تعریف مقدار زاویه دار بودن نسبت به مبنا استفاده می شود.

تلرانس لنگی

این تلرانس نیز از دو نوع تشکیل می شود.

لنگی ساده (دایره ای): برای کنترل فرم، راستا و دایره ای بودن المان های دایره ای نسبت به یک محور مبنا مورد استفاده قرار می گیرد.

لنگی کل (مرکب): برای کنترل فرم، راستا و استوانه ای بودن یک قطر نسبت به یک یا چند محور، به عنوان مبنا مورد استفاده قرار می گیرد.

مروری بر تلورانس های جهت و لنگی

تلورانس موقعیت

تلرانس موقعیت، مکان نقطه، محور و صفحه مرکزی را کنترل می کند. تلورانس موقعیت نشان می دهد که تا چه مقدار موقعیت مورد نظر می تواند از موقعیت اصلی خود انحراف داشته باشد. موقعیت حقیقی از نظر تئوری، موقعیت دقیق یک مشخصه اندازه (Feature of Size) است.

موقعیت حقیقی در نقشه های دو بعدی با استفاده از اندازه پایه (Basic dimension) تعریف می شود. کنترل موقعیت نشان می دهد که موقعیت نقطه، محور یا صفحه مرکزی در قطعه واقعی تا چه حد از موقعیت اصلی آن می تواند منحرف شود.

ناحیه تلورانسی موقعیت برای یک محور توسط حجم یک استوانه تعریف می شود. در این تعریف، قطر استوانه برابر میزان تلرانس موقعیت است. محوری که کنترل می شود، حتما باید درون حجم استوانه تعریف شده توسط ناحیه تلرانسی قرار گیرد.

تلورانس ابعادی

برای تولید قطعات مختلف در صنعت، فرایندهای مختلفی به کار می رود. هر روش ساخت، دقت منحصر به فردی دارد. بنابراین ابعاد طراحی شده برای یک قطعه، همواره با مقدار حقیقی خود مقداری انحراف دارد. از این رو هیچ وقت نمی ‌توان قطعه ‌ای در صنعت با دقت مطلق تولید کرد. فقط می ‌توان اندازه‌ ها را به اندازه حقیقیِ مورد انتظار نزدیک کرد.

در ابتدای فرایند تولید قطعات، باید میزان انحراف مجاز از ابعاد مندرج در نقشه را مشخص کرد. این میزان بر اساس کارکرد قطعه و شرایط طراحی تعیین می گردد. برای ساخت هر قطعه در صنعت، سه اندازه باید در نظر گرفته شود:

• اندازه اسمی (Nominal Size or Basic Size): یعنی اندازه ای که بر روی نقشه نوشته می شود و مورد انتظار طراح و سازنده است.
• اندازه ماکزیمم (Upper Limit of Size) یا ULS: یعنی بزرگ ترین اندازه قطعه. اندازه ای که در موقع ساختن نباید از آن تجاوز کرد.
• اندازه مینیمم (Lower Limit of Size) یا LLS: یعنی کمترین اندازه مورد قبول برای قطعه.

در بسیاری از موارد، کارشناسان طراحی تلورانس ‌های ابعادی که دارای اهمیت ویژه ای هستند، روی نقشه مشخص می کنند و بر روی مابقی اعداد تلرانسی اعمال نمی کنند. طبق استاندارد ISO 2768 تلورانس های ابعادی به ۴ دسته تقسیم بندی می شوند:

• ظریف (f)
• متوسط (m)
• خشن (c)
• خیلی خشن (v)

موارد فوق شرایط کیفیت ماشین کاری را برای تولید یک قطعه جهت دستیابی به این تلرانس ‌های ابعادی، نشان می‌دهد. با توجه به جدول زیر، برای مثال اگر طول یک قطعه ۱۲۷ میلی متر باشد و در نقشه به تلرانس آزاد بصورت ISO 2768-m اشاره شده باشد، تلورانس مجاز ابعادی برای این طول مطابق با جدول زیر ۰.۵ میلیمتر در حد بالا و پایین است.

نمایش تلرانس به صورت متقارن

در تمامی نقشه هایی که در معرض استفاده سازندگان یا عوامل تولیدی هستند، تلورانس ها باید به صورت متقارن در نقشه طراحی ذکر شده باشند.

نمایش تلرانس به صورت یک طرفه

همان طور که در شکل می بینید، تلرانس می تواند به صورت یک طرفه در حد بالا یا پائین در نقشه های مهندسی وجود داشته باشد. هدف عمده در نمایش تلرانس به صورت یک طرفه توسط طراح، مشخص نمودن شیوه مونتاژ این اندازه با قطعه مقابل خودش است.

نمایش تلرانس به صورت محدوده ای

این شیوه نمایش بیشتر برای بازرسین کنترل کیفیت کاربرد دارد. بازرسین کنترل کیفیت فقط نسبت به کنترل قطعه در محدوده مشخص تعریف شده توسط کارشناسان محصول، نظارت و کنترل دارند.

استفاده از علائم و استاندارد های مهندسی

این نوع نمایش تلرانس، مورد استفاده مهندسین و افراد متخصص است. این علائم اطلاعات کاملی در مورد اندازه بیان می کنند. این نوع نمایش بیشتر در نقشه های طراحی واحدهای مهندسی کاربرد دارند و می توان نحوه عملکرد قطعه را نسبت به قطعه مقابل آن را حدس زد.  برای آشنایی با نقشه خوانی و علائم آن، می توانید کتب مرتبط با آن را تهیه کنید یا در دوره های مربوط به آن شرکت کنید.

تلرانس انطباقی

تلورانس انطباقی (fit tolerance) وقتی مطرح می شود که میان قطعات یک ماشین درگیری وجود داشته باشد. زمانی که دو قطعه داخل یکدیگر قرار گیرند، به اصطلاح گفته می شود آن دو قطعه بر هم منطبق شده اند و در واقع یک انطباق را به وجود آورده اند.

اگر دو قطعه تلرانس دار (محور یا میله و سوراخ) در یکدیگر قرار گیرند، رابطه میان اندازه خارجی محور (میله) و اندازه داخلی سوراخی که در هم مونتاژ می شوند را انطباق می گویند. منظور از محور یا میله در انطباق، قطعه ای است که وارد قطعه دیگر (سوراخ) می شود.

در یک انطباق، سطوحی با هم مجاور می شوند که لازمه این مجاورت، تداخل است. این سطوح را سطوح انطباقی می نامند. میله علاوه بر شکل عمومی خود که استوانه است، در این مفهوم می تواند هر شکل و فرمی را شامل شود. منظور از سوراخ در یک انطباق هم قطعه ای است که یک قطعه دیگر وارد آن می شود. پس به طور کلی در مفاهیم مربوط به تلورانس انطباقی، یک اندازه خارجی را محور یا میله و یک اندازه داخلی را سوراخ می نامند.

انطباق به 3 حالت می تواند اتفاق بیفتد:

انطباق آزاد یا بازی دار یا لقی دار (Clearance Fit)

در انطباق آزاد قطعات می توانند نسبت به هم جابجایی داشته باشند. مثلاً برای به دست آوردن انطباق آزاد برای محوری که باید در داخل یک سوراخ قرار بگیرد، باید قطر محور از سوراخ کمتر باشد. تفاضل اندازه های دو قطعه با در نظر گرفتن تلرانس را آزادی می گویند.

اما حداکثر مقدار آزادی، برابر است با اختلاف میان بزرگ ترین قطر سوراخ و کوچک ترین قطر محور که آن را لقی می نامند. انطباق های آزاد متعددی بر حسب مقدار لقی و خصوصیات حالات ساخت قطعات وجود دارد. نوع هر یک از این انطباق ها با سرعت دورانی میله، میزان روغن زنی، درجه گرم کردن طول سطح در تماس با آن ارتباط دارد.

انطباق فشاری (Interference Fit)

در انطباق فشاری، دو قطعه نمی توانند به سادگی درگیر شوند. چرا که قطر محور کمی بزرگ تر از قطر سوراخ است. بنابراین محور را باید به کمک نیروی قابل ملاحظه ای در سوراخ فرو کرد. برای مثال با دستگاه های پرس صنعتی، هر دو را می توان تحت فشار قرار داد یا قطعه سوراخ دار را حرارت داد تا بر قطر آن اضافه شود یا این که محور را سرد کرد تا قطر آن کمتر شود.

انطباق عبوری یا انتقالی (Transition Fit)

در این نوع انطباق، قطعات ضمن نداشتن لقی در هم، قابلیت حرکت و لغزیدن با نیروی کمی را دارند. به این دلیل، این نوع انطباق را بعضا انطباق روان نیز می نامند.

کیفیت تلورانس

کیفیت تلرانس یا درجه آی‌تی (IT Grade مخفف International Tolerance)‏ یک نحوه طبقه بندی استاندارد برای تلرانس است. این کیفیت در سال ۱۹۳۸ به وسیله سازمان بین ‌المللی استانداردسازی (ایزو) در استاندارد ISO 286  منتشر شد.

در این استاندارد برای تعیین دقت ابعادی و کیفیت ساخت از ۲۰ گروه عددی استفاده می ‌شود که هر کدام برای کاربردی در صنعت مناسب هستند. این دسته‌ها از IT01 (کمترین تلرانس و بیشترین دقت) شروع شده و با IT18 (بیشترین تلرانس و کمترین دقت) تمام می شود.