I segreti delle tolleranze dimensionali

La nuova norma ISO 14405-1

I disegni tecnici vengono ancora concepiti facendo riferimento a strumenti di misura come calibri, nei quali le misure sono espresse come distanze tra punti. Le tolleranze dimensionali vengono inserite su quasi tutte le quote, le cui verifiche conducono molte volte a risultati controversi e dipendenti dalle capacità e dalla sensibilità del metrologo. Sarebbe quindi auspicabile sfruttare i vantaggi delle CMM e/o altri sistemi di misura a coordinate, che estraggono numerosi punti dalla superficie di un elemento e, allo stesso tempo, definire tecniche più sofisticate per specificare i controlli dimensionali in modo da soddisfare qualsiasi requisito derivante da numerose applicazioni industriali.

di Stefano Tornincasa

Su quali elementi applicare le tolleranze dimensionali?

Per soddisfare queste esigenze e rimuovere qualsiasi ambiguità esistente nelle tradizionali specifiche di tolleranza dimensionale, la norma ISO 14405 (divisa in 3 parti) ha introdotto nuove definizioni e una ricca serie di modificatori delle specifiche di dimensione, fornendo così nuove opportunità ai progettisti (è in corso di pubblicazione una nuova versione della norma ISO 14405-1). Ad esempio, viene introdotto il concetto di elemento con dimensione lineare o angolare (feature of size) sul quale è possibile applicare una tolleranza dimensionale. La figura 1 mostra alcuni esempi di dimensione lineare (size of feature of size) che deve soddisfare tre requisiti (i primi due obbligatori):

1. L’elemento deve essere dotato di punti in opposizione. Nel caso della figura 1, il cilindro ha due dimensioni lineari, il diametro e la distanza tra le facce. La sfera ha una sola dimensione lineare e il cuboide ha 3 dimensioni lineari.
2. La feature deve essere dotata di un elemento di simmetria per verificare la dimensione in modo univoco e ripetibile (punto nel caso della sfera, asse o piano mediano)
3. La tolleranza dimensionale deve essere inserita quando l’elemento è destinato ad essere accoppiato con altri organi. Si consideri ad esempio il montaggio della figura 2, in cui il supporto viene accoppiato nell’apposita scanalatura della guida. Allo spessore e alla larghezza della base è possibile associare delle dimensioni lineari con tolleranza, poiché devono essere considerati come feature of size “accoppiabili”. Nel caso del montaggio semplificato della figura 3, non essendoci alcun problema di accoppiamento, allo spessore e alla larghezza della base viene associata la tolleranza geometrica del profilo generale (con quote riquadrate), poiché, pur essendo considerati feature of size, non sono “accoppiabili”.

Il diagramma e gli esempi di figura 4 chiariscono la differenza tra il concetto di dimensione e quello di distanza. Sarà quindi opportuno distinguere in un componente gli elementi dotati di dimensione (lineari e angolari) su cui è possibile applicare dei limiti dimensionali, dalle distanze lineari e angolari, controllate dalle tolleranze geometriche di posizione con quote riquadrate (TED).

I principi delle 3 normative ISO 14405

Per progettare oggi si usa quasi esclusivamente il software CAD 3D, per la fabbricazione dei particolari si usa il controllo numerico, e per il controllo dei particolari si usano macchine di misura a coordinate (CMM). Pertanto, per comunicare le specifiche tecniche e funzionali dei componenti, bisogna superare i concetti che erano contenuti nelle norme di riferimento redatte nel passato, come la specifica dei limiti dimensionali su ogni tipo di quota.

In questa ottica, le 3 normative 14405/1 del 2016 (Dimensional tolerancing: linear sizes), 14405/2 del 2019 (Dimensions other than linear sizes) e  14405/3 del 2016 (Angular sizes) propongono una nuova filosofia per documentare il prodotto, più adatta alle esigenze della attuale realtà produttiva e improntando le norme del disegno tecnico sui principi che sono alla base del modo più moderno di misurare. In particolare, la norma ISO 14405-1 (nel 2025 uscirà una nuova edizione) pone particolare attenzione agli aspetti del controllo, stabilendo la terminologia e alcuni simboli speciali (detti modificatori) per le dimensioni lineari, che possono essere determinanti per l’esito della verifica della conformità alla specifica.

La dimensione (size) è definita sulla geometria nominale di un disegno tecnico ed è una caratteristica intrinseca di una feature di size. Il progettista può anche specificare come verificare i limiti dimensionali sulla geometria estratta mediante una dimensione locale (local size), una dimensione globale (global size) oppure una dimensione calcolata (calculated size).

Dimensione locale

Per ogni feature of size esistono infinite dimensioni locali, che possono essere valutate come (fig. 5):

1.  distanza tra due punti, definita come distanza locale diametrale su un elemento cilindrico, o distanza tra due punti di due opposti piani nel caso di una scanalatura. E’ la dimensione che è assunta come default in mancanza di altre indicazioni nel disegno. Tale scelta è coerente con l’approccio tradizionale fino ad oggi adottato.
2. dimensione sferica, definita come diametro locale della più grande sfera inscritta;
3. dimensione della sezione, definita ad esempio in modo trasversale (ACS, Any Cross Section) o longitudinale (ALS, Any Longitudinal Section) col criterio del più grande cerchio inscritto nella sezione. Su una feature estratta, è possibile definire un numero infinito di sezioni;

La dimensione locale per definizione non è un valore “unico” e quindi per ottenere la dimensione di una feature estratta è quindi necessario definire matematicamente l’ordine di grandezza della dimensione della feature, prendendo ad esempio la media o la mediana delle misurazioni locali.

Dimensione globale

La dimensione globale di una feature estratta è un unico valore che definisce la dimensione della feature of size. Può essere ottenuta in modo indiretto (es. media delle dimensioni locali), oppure in modo diretto, con uno dei metodi della figura 6:

1. criterio del massimo inviluppo inscritto (GX), applicabile soprattutto a singolarità interne, denominata anche mating size;
2. criterio del minimo inviluppo circoscritto (GN), applicabile soprattutto a singolarità esterne;
3. dimensione globale ottenuta col metodo dei minimi quadrati (GG), diametro del cilindro i cui punti minimizzano la somma dei quadrati delle distanze rispetto ai punti reali.
4. dimensione globale ottenuta con la funzione obiettivo minimax (o Chebyshev, GC) che minimizza il valore massimo dell’insieme di distanze rispetto ai punti reali.

Dimensione calcolata

La dimensione calcolata proviene da una formula matematica che associa le dimensioni di una feature. Ad esempio il diametro d della circonferenza è ottenuto dividendo la lunghezza L della linea estratta (in una sezione normale all’asse di un cilindro ideale ottenuto col metodo dei minimi quadrati) per p :

Con le stesse modalità è possibile ottenere il diametro dall’area di una sezione e dal volume.

Dimensione ibrida (locale e globale)

La norma ISO 14405-1 prevede un ulteriore metodologia di verifica ibrida, equivalente all’esigenza di inviluppo, indicata con il simbolo Ⓔ. Questa riassume in un solo simbolo due specifici operatori. Infatti, per le feature interne (fig. 7), il modificatore di inviluppo ha lo stesso significato di un operatore GX (massimo inviluppo inscritto) per il limite inferiore e di distanza tra due punti LP per il limite superiore (l’operatore SX determina la misura massima). Per la verifica, oltre alle tradizionali macchine CMM, è possibile utilizzare due tipi di calibro per il controllo:

1. per il limite superiore, un micrometro per interni per determinare le dimensioni massime (minimo materiale);
2. per il limite inferiore, un calibro funzionale costituito da un elemento cilindrico con le dimensioni esterne equivalenti al massimo materiale.

Entrambe le prescrizioni equivalgono alla Rule #1 della norma ASME Y14.5:2018, che nello standard americano è il default.