Una delle regole fondamentali delle normative sulla “specifica geometrica di prodotto” prevede che le variazioni geometriche/dimensionali vengano compiutamente definite per ogni singola feature geometrica appartenente al componente oggetto di quotatura.
Nella pratica realizzazione dei disegni tecnici andrebbero quindi definite le opportune tolleranze per limitare tutte le possibili variazioni geometriche (forma, orientamento e posizione) e dimensionali per tutte le feature. Il condizionale in questo caso è d’obbligo: da un lato infatti questa pratica comporterebbe dover gestire disegni tecnici complessi, con moltissime informazioni, di difficile lettura ed interpretazione; le conseguenze su aumento dei tempi/costi in produzione e controllo qualità sono facilmente stimabili. Dall’altro lato questa conseguenza andrebbe anche a confliggere con un altro concetto fondamentale introdotto nelle normative internazionali (ISO-GPS): la descrizione funzionale o funzionalità (functional tolerancing in inglese).
Il functional tolerancing mira ad inserire nel disegno tecnico i requisiti di precisione necessaria e solo dove effettivamente servono per garantire la qualità aspettata del prodotto finale; i.e. poche tolleranze e con ampiezza massima possibile. Il perché si voglia perseguire tale scopo è banale: se si riesce, in modo sistematico, ad ottenere questo obiettivo i costi di produzione e controllo qualità correlati al rispetto della specifica geometrica durante l’intera fase di sviluppo prodotto risulteranno essere minimizzati.
Come soddisfare entrambe queste esigenze contrastanti? Lo “strumento” che lo permette è rappresentato dalle tolleranze generali.
AMBITO NORMATIVO IN MERITO ALLE TOLLERANZE GENERALI
Pratica ancora oggi diffusissima è quella di affidarsi alle normative ISO 2768-1 (parte 1 - tolleranze generali dimensionali) e ISO 2768-2 (parte 2 - tolleranze generali geometriche) per la definizione delle tolleranze generali.
Tipicamente il loro utilizzo nel disegno tecnico è previsto inserendo una nota a cartiglio (o nelle sue immediate vicinanze) che richiami le normative stesse. Oltre al richiamo alla normativa ISO 2768 vanno anche aggiunte le indicazioni su quella che è la classe di precisione che si intende utilizzare (f, m, c e v – indicate con lettere minuscole - per le tolleranze generali dimensionali e H, K e L – indicate con lettere maiuscole – per le tolleranze generali geometriche), vedi Fig.1:
Figura 1. Indicazione a disegno per la definizione delle tolleranze generali secondo ISO 2768 con indicazione delle relative classi di precisione da utilizzare.
Le classi di precisione introdotte dalla ISO 2768 sono necessarie per identificare univocamente il valore di tolleranza da assegnare: la normativa fornisce infatti dei valori di tolleranze tabulati in funzione della dimensione caratteristica della feature o della quota presa in considerazione e, per l’appunto, dalla classe di precisione che si intende applicare. In questo contesto la “classe” è da intendersi come livello di precisione che può essere garantito dal processo di lavorazione dei componenti.
L’ultima frase scritta ha delle implicazioni che aprono la strada a discutere quelle che possono essere considerate delle lacune in merito a come la ISO 2768 gestisce le tolleranze generali. Iniziamo proprio dall’ambito di applicazione: la ISO 2768-1 fornisce le tolleranze generali dimensionali per componenti realizzati con processi di asportazione di materiale metallico oppure per formatura di lamiera metallica. La ISO 2768-2 fornisce le tolleranze generali geometriche per componenti prodotti con processi di asportazione di materiale (senza specificare il tipo di materiale, e.g. metallico). Purtroppo è diventata prassi comune definire le tolleranze generali a disegno utilizzando (quasi) sempre e comunque la ISO 2768 per qualsiasi tipologia di componenti realizzati con processi e materiali anche molto diversi da quelli previsti dalla normativa stessa; questa chiaramente è una cosa da evitare, la responsabilità non è da attribuire alla documentazione in sé ma da chi la utilizza, molto spesso inconsapevolmente, in modo inappropriato. In realtà esistono delle normative simili anche per componenti realizzati con altri materiali e processi produttivi, ad esempio la DIN 16742 per componenti ottenuti con processi di stampaggio plastica, che andrebbero di volta in volta utilizzate nel corretto ambito di applicazione.
Altro aspetto da tenere in considerazione è la “completezza” della ISO 2768-2: pur definendo delle tolleranze generali di tipo geometrico c’è da considerare che non tutte le tipologie di tolleranze geometriche sono prese in considerazione (ad esempio non sono fornite indicazioni sulle tolleranze generali di profilo, ma non solo…). Inoltre, per alcune tipologie di tolleranze generali geometriche che controllano anche orientamenti/posizioni relative tra elementi geometrici vengono si forniti dei valori di tolleranze generali ma senza dare nessuna indicazione su quali sistemi di riferimento (Datums) prendere in considerazione. Ora, visto che in sede di controllo dimensionale, verificare il soddisfacimento di una tolleranza geometrica rispetto a sistemi di riferimento differenti può portare a risultati drammaticamente differenti sulla verifica del rispetto della tolleranza stessa, è chiaro che questa definizione non può essere considerata esaustiva ed è fonte di ambiguità nell’ interpretazione dei disegni tecnici che sfruttano tale specifica. Questo è uno dei motivi principali che hanno portato ad una revisione della definizione delle tolleranze generali in ambito ISO-GPS: ad oggi infatti le ISO 2768-2 risulta non essere più in vigore (Fig.2) rimpiazzata dalla ISO 22081 (del 2021) che introduce un nuovo modo di concepire le tolleranze generali più in linea con un approccio di specifica geometrica di prodotto moderno e soprattutto funzionale.
Fig. 2. Ciclo di vita della ISO 2768-2 pubblicato sul sito ufficiale ISO.org
LA ISO 22081: LE TOLLERANZE GENERALI SECONDO IL MODERNO APPROCCIO FUNZIONALE
La ISO 22081 stabilisce i principi e le regole per assegnare le tolleranze generali nei disegni tecnici (o più in generale nella TPD – Technical Product Definition). Pur non essendo strettamente necessario, la normativa sottolinea il fatto che è sempre responsabilità del progettista assicurarsi la corretta definizione dei requisiti funzionali di prodotto, delle feature funzionali, della loro corretta e completa “quotatura” così come quella dell’intero componente (quindi anche le feature NON funzionali devono essere limitate in termini di deviazioni di forma/orientamento/posizione e dimensione ammissibili). Bisogna poi essere sempre consapevoli che l’utilizzo delle tolleranze generali si porta dietro dei potenziali rischi, come ad esempio quello di trascurare alcuni requisiti funzionali importanti o quello di assegnare valori di tolleranze inutilmente ristretti. L’analisi funzionale del prodotto da parte del team di progettazione aiuta a mitigare tali rischi potenziali.
Per la ISO 22081 le tolleranze generali ricadono in due differenti categorie:
- Tolleranze generali dimensionali,
- Tolleranze generali geometriche.
L’indicazione delle tolleranze generali avviene attraverso una nota da inserire nel cartiglio o nelle sue immediate vicinanze (Fig. 3):
Fig. 3. Indicazione a disegno delle tolleranze generali secondo quanto prescritto dalla ISO 22081.
I valori di tolleranza possono essere delle costanti o delle variabili dipendenti dalla dimensione (per le tolleranze generali dimensionali) oppure dipendenti dalla distanza (Theoretically Exact Dimensions - TEDs) della feature dal DRF - Datum Reference Frame (per le tolleranze generali geometriche). In quest’ultimo caso i valori possono essere indicati con delle tabelle inserite nella documentazione tecnica di prodotto.
La normativa stabilisce che le tolleranze generali dimensionali sono assegnabili solamente a Feature Of Size (FOS) di tipo lineare o angolare definite secondo le indicazioni fornite dalla ISO 14405 (parte 1 per le FOS lineari e parte 3 per le FOS angolari). Le tolleranze generali dimensionali si intendono applicate solamente alle FOS per le quali a disegno non è espressamente indicata una tolleranza.
L’unica tipologia di tolleranza generale geometrica è rappresentata dall’applicazione del profilo di superficie. Tale tolleranza geometrica deve necessariamente essere definita rispetto al sistema di riferimento funzionale che sia in grado di vincolare tutti i gradi di libertà necessari per la specifica applicazione (per dettagli si rimanda alla ISO 5459). La tolleranza generale geometrica si intende applicata solo alle feature per le quali non siano espressamente indicate a disegno delle altre tolleranze geometriche. E’ necessario quindi fare attenzione per assicurare che la quotatura sia sempre e comunque completa. Ad esempio se si applica solo una tolleranza di forma ad una superficie (e.g. planarità) da un lato questa definizione impedisce di poter applicare la tolleranza generale geometrica alla superficie stessa ma dall’altro lato la “quotatura” risulterebbe essere non completamente definita mancando le limitazioni di errore di orientamento e posizione relativi rispetto al DRF funzionale. La responsabilità di queste è sempre e comunque a carico di chi redige il disegno tecnico (o di chi ne firma l’emissione verso la produzione).
Si applicano inoltre le seguenti regole:
- La tolleranza generale geometrica NON si applica alle FOS,
- La tolleranza generale geometrica NON si applica alle Datum Feature che definiscono il DRF richiamato nella tolleranza generale geometrica stessa; questo comporta che tali Datum Feature vadano sempre e comunque “specificate” in modo esplicito a disegno.
- Alle altre Datum Feature eventualmente presenti a disegno è possibile invece applicare la tolleranza generale geometrica.
Infine un paio di commenti sulle principali differenze che intercorrono tra il “vecchio” modo di definire le tolleranze generali (ISO 2768) e il nuovo approccio funzionale perseguito dalla ISO 22081.
A differenza di quanto avveniva per la ISO 2768-2, l’attuale definizione delle tolleranze generali geometriche impone di dichiarare il sistema di riferimento. Questo aspetto va incontro alle esigenze di avere una specifica geometrica di prodotto che sia di tipo funzionale, così come stabilito nella normativa ISO 8015. In questo caso la descrizione funzionale si ottiene definendo un DRF (e quindi le relative Datum Features) in modo coerente con le reali interfacce di assemblaggio del componente rispetto al resto del prodotto; è quindi implicitamente definito nel disegno tecnico come il componente deve essere montato e quali requisiti queste interfacce devono soddisfare per garantire l’assemblabilità. Poi, in sede di controllo dimensionale, andando ad imporre l’allineamento del particolare, la dichiarazione esplicita del DRF da utilizzare annulla potenziali fonti di ambiguità del processo di misurazione dei componenti restituendo risultati di misure coerenti con la funzionalità della parte.
Altra profonda differenza tra la ISO 2768 e la ISO 22081 è la mancanza in quest’ultima di tabelle con valori prestabiliti di tolleranze da utilizzare. Infatti, la ISO 22081 non quantifica mai in modo esplicito le tolleranze da utilizzare ma piuttosto fornisce al progettista uno strumento generico e flessibile che si può adattare a molte esigenze diverse. Dal lato pratico quindi i valori delle tolleranze generali da utilizzare dipenderanno dal particolare componente preso in considerazione, dal processo produttivo utilizzato, dal materiale, dalle attrezzature a disposizione, ecc. Tali valori di tolleranze saranno quindi rappresentativi dell’effettiva capacità di processo a disposizione, intesa come capacità da parte della produzione di ottenere determinati livelli di precisione in condizioni standard di funzionamento. I valori andranno quindi definiti e concordati in modo collegiale tra tutti gli attori coinvolti dal loro utilizzo (progettazione, produzione e qualità) che dovranno redigere della documentazione tecnica contenente queste informazioni e linee guida. Quanto scritto non deve sorprendere perché è del tutto in linea con l’approccio metodologico multidisciplinare alla “gestione delle tolleranze” previsto dal Dimensional Management.
Si conclude qui la trattazione “teorica” in merito alla definizione delle tolleranze generali secondo quanto prescritto dalla ISO 22081. Restate collegati e tornate periodicamente a visitare la sezione Newsroom del sito perché stiamo preparando un ulteriore articolo di approfondimento sulle tolleranze generali con molti esempi applicativi ed altri spunti di riflessione.
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