Welche Toleranzen gelten für bearbeitete Teile?

Im Bereich der CNC-Bearbeitung ist die Toleranz bearbeiteter Teile ein entscheidender Indikator, der sich direkt auf Leistung, Montagegenauigkeit und Lebensdauer des Endprodukts auswirkt. Ob Sie als Hersteller eine konsistente Produktion anstreben, als Ingenieur Präzisionskomponenten entwickeln oder als Kunde individuell gefertigte Teile suchen – ein klares Verständnis der Teiletoleranzen ist für den Erfolg Ihres Projekts unerlässlich. Dieser Artikel befasst sich mit allen wichtigen Aspekten der Toleranzen bearbeiteter Teile und vermittelt Ihnen das Wissen, diesen wichtigen technischen Parameter zu beherrschen.

Toleranz bezeichnet den zulässigen Abweichungsbereich zwischen der tatsächlichen Größe, Form und Position eines Teils und der geplanten Idealgröße, -form und -position. In der realen CNC-Bearbeitung ist es nahezu unmöglich, ein Teil zu fertigen, das genau dem Idealentwurf entspricht. Faktoren wie die Genauigkeit der Werkzeugmaschine, der Verschleiß der Schneidwerkzeuge, die Materialeigenschaften und die Verarbeitungsumgebung führen zu geringfügigen Abweichungen. Daher ist die Festlegung eines angemessenen Toleranzbereichs nicht nur eine Wahl, sondern eine Notwendigkeit.

Ein gut konzipiertes Toleranzsystem bietet drei wesentliche Vorteile:

▶ 1. Gewährleistet die Austauschbarkeit von Teilen : Beim Zusammenbau mehrerer Teile ermöglichen einheitliche Toleranzstandards die nahtlose Passung von Komponenten unterschiedlicher Chargen oder Hersteller. Dies macht zeitaufwändige manuelle Anpassungen überflüssig und reduziert das Risiko der Teileverschrottung.

▶ 2. Kontrolliert die Produktionskosten : Höhere Präzision (d. h. ein kleinerer Toleranzbereich) erfordert modernere Ausrüstung, hochqualifizierte Bediener und längere Bearbeitungszeiten – all dies treibt die Produktionskosten in die Höhe. Durch die Anpassung der Toleranzen an die tatsächlichen Funktionsanforderungen des Produkts können Unternehmen Qualität und Kosteneffizienz in Einklang bringen.

▶ 3. Garantiert die Produktleistung : Toleranzen beeinflussen direkt die Funktionsfähigkeit eines Produkts. Beispielsweise beeinflusst im Getriebe mechanischer Geräte die Passungstoleranz von Welle und Lager die Rotationsgenauigkeit und den Geräuschpegel des Systems. Bei Dichtungsstrukturen bestimmt die Toleranz der Dichtfläche die Dichtwirkung und Lebensdauer des Produkts.

Die Toleranzen von bearbeiteten Teilen werden von mehreren Faktoren beeinflusst. Ihr Verständnis ist für die Optimierung von Produktionsprozessen entscheidend. Nachfolgend sind die wichtigsten Kategorien aufgeführt:

▶ 1. Genauigkeit der Werkzeugmaschine

Die Werkzeugmaschine ist das Rückgrat der CNC-Bearbeitung und ihre Genauigkeit legt die Grundlage für den minimal erreichbaren Toleranzbereich der Teile. Die Genauigkeit der Werkzeugmaschine umfasst drei Schlüsselaspekte:

● Geometrische Genauigkeit : Bezieht sich auf die Präzision der relativen Position und Form der Maschinenkomponenten (z. B. Führungsschienen, Spindel). Beispiele hierfür sind die Geradheit der Führungsschienen und die Koaxialität der Spindel.

●   Positioniergenauigkeit : Misst, wie genau die beweglichen Teile der Maschine (z. B. Werkbank, Werkzeughalter) eine bestimmte Position erreichen.

●   Wiederholgenauigkeit : Bewertet die Konsistenz der beweglichen Teile der Maschine, wenn diese mehrmals in dieselbe Position zurückkehren.

Hochpräzise CNC-Maschinen (z. B. solche mit einer Positioniergenauigkeit von ±0,001 mm) können Teile mit engen Toleranzbereichen herstellen, während Maschinen mit geringer Präzision nur für Teile geeignet sind, die größere Toleranzen erfordern.

▶ 2. Leistung und Verschleiß des Schneidwerkzeugs

Schneidwerkzeuge kommen während der Bearbeitung in direkten Kontakt mit dem Werkstück, sodass ihre Leistung und ihr Verschleißzustand die Bearbeitungsgenauigkeit und die Teiletoleranzen erheblich beeinflussen.

●   Werkzeugmaterial : Optionen wie Schnellarbeitsstahl, Hartmetall und Keramik bestimmen die Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit des Werkzeugs. Hartmetallwerkzeuge bieten beispielsweise eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit als Schnellarbeitsstahlwerkzeuge und behalten so bei der Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastbearbeitung länger eine stabile Schneidleistung bei – und gewährleisten so gleichbleibende Teiletoleranzen.

●   Werkzeugverschleiß : Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß werden die Schneidkanten stumpf, wodurch Schnittkraft und Hitze steigen. Dies führt zu thermischen Verformungen sowohl des Werkstücks als auch des Werkzeugs und vergrößert die Toleranzabweichungen. Um dies zu vermeiden, sollten Sie den Werkzeugverschleiß regelmäßig überprüfen und die Werkzeuge während der Produktion rechtzeitig austauschen.

▶ 3. Werkstoffeigenschaften des Werkstücks

Auch die Materialeigenschaften des Werkstücks – wie Härte, Elastizität und Wärmeleitfähigkeit – wirken sich auf die Teiletoleranzen aus:

●   Härte : Materialien wie Edelstahl und Titanlegierungen weisen eine hohe Härte auf, was eine höhere Schnittkraft erfordert und den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Dies erschwert die Toleranzkontrolle.

●   Elastizität : Elastische Materialien (z. B. Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen) erfahren nach dem Entfernen des Schneidwerkzeugs eine elastische Rückstellung. Dies führt dazu, dass die tatsächliche Größe des Teils größer ist als die geplante Größe, was die Toleranzgenauigkeit beeinträchtigt.

●   Wärmeleitfähigkeit : Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Titanlegierungen) speichern während der Bearbeitung die Schnittwärme, was zu einer Wärmeausdehnung führt. Beim Abkühlen schrumpft das Werkstück, was zu Maßabweichungen und Toleranzproblemen führt.

▶ 4. Verarbeitungstechnologie und Parameter

Die Wahl der Verarbeitungstechnologie und der Parameter bei der CNC-Bearbeitung spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Teiletoleranzen:

●   Bearbeitungsablauf : Eine logische Abfolge von Schruppen, Vorschlichten und Schlichten ist unerlässlich. Beim Schruppen wird der größte Teil des Materials entfernt, um die Effizienz zu steigern, während Vorschlichten und Schlichten Präzision und Toleranzen gewährleisten. Das Überspringen des Vorschlichtens (z. B. der direkte Übergang vom Schruppen zum Schlichten) kann zu übermäßigen Schnittkräften beim Schlichten führen, was zu Verformungen des Werkstücks und der Nichteinhaltung von Toleranzanforderungen führt.

●   Bearbeitungsparameter : Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe müssen sorgfältig gewählt werden:

Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit erhöht die Schnittwärme und führt zu einer thermischen Verformung des Werkstücks und des Werkzeugs.

Eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit erhöht die Oberflächenrauheit und beeinträchtigt die Maßgenauigkeit.

Eine zu große Schnitttiefe erhöht die Schnittkraft, löst Vibrationen in der Maschine und im Werkstück aus und verringert die Bearbeitungsgenauigkeit.

Passen Sie die Parameter immer an das Werkstückmaterial, den Werkzeugtyp und den erforderlichen Toleranzbereich an.

▶ 5. Fähigkeiten und Erfahrung des Bedieners

Obwohl die CNC-Bearbeitung hochgradig automatisiert ist, tragen die Fähigkeiten und Erfahrungen des Bedieners dennoch dazu bei, die Toleranzen der Teile einzuhalten:

●   Vertrautheit mit Maschine und Werkzeug : Bediener müssen die Funktionsweise der CNC-Maschine, die Werkzeugleistung und die Teileverarbeitungstechnologie verstehen.

●   Echtzeitüberwachung : Während der Bearbeitung sollten die Bediener den Prozess genau beobachten – die Spanform prüfen, auf ungewöhnliche Schnittgeräusche achten und die Oberflächenqualität des Werkstücks überprüfen. Bei Problemen (z. B. ungleichmäßigen Spänen oder ungewöhnlichen Geräuschen) sollte die Maschine sofort gestoppt und korrigiert werden, um Toleranzabweichungen zu vermeiden.

●   Maschinen-Debugging : Kenntnisse im Kalibrieren der Werkzeuglänge und Einstellen des Werkstückkoordinatensystems wirken sich direkt auf die Genauigkeit aus. Erfahrene Bediener können das Debugging schnell und präzise durchführen und sicherstellen, dass die Teile innerhalb des angegebenen Toleranzbereichs bleiben.

Bei der CNC-mechanischen Bearbeitung werden die Toleranzen bearbeiteter Teile hauptsächlich anhand der von ihnen gesteuerten Eigenschaften in drei Typen eingeteilt: Größentoleranz, Formtoleranz und Positionstoleranz.

▶ 1. Größentoleranz

Die Größentoleranz ist der zulässige Abweichungsbereich der tatsächlichen Größe eines Teils im Verhältnis zu seiner Grundgröße (die in der Konstruktionszeichnung angegebene Größe, die als Grundlage für die Bestimmung des Toleranzbereichs dient). Sie wird typischerweise durch die obere und untere Abweichung definiert:

●   Obere Abweichung : Die Differenz zwischen der maximalen Grenzgröße und der Basisgröße.

●   Untere Abweichung : Die Differenz zwischen der Mindestgrenzgröße und der Basisgröße.

●   Toleranzwert : Der absolute Wert der Differenz zwischen der oberen und unteren Abweichung.

Beispiel:

Wenn eine Welle ein Grundmaß von 50 mm, eine obere Abweichung von +0,02 mm und eine untere Abweichung von -0,01 mm hat:

●   Maximale Grenzgröße = 50 + 0,02 = 50,02 mm

●   Mindestgrenzgröße = 50 - 0,01 = 49,99 mm

●   Größentoleranz = 0,02 - (-0,01) = 0,03 mm

Dies bedeutet, dass die tatsächliche Größe der Welle nach der Bearbeitung zwischen 49,99 mm und 50,02 mm liegen muss, um die Größentoleranzanforderungen zu erfüllen.

Die Größentoleranz wird weiter in zwei Untertypen unterteilt:

●   Einseitige Toleranz : Die Toleranzzone liegt nur auf einer Seite der Basisgröße (es wird nur die obere oder untere Abweichung angegeben). Beispiel: Bei einer Bohrung mit einer Basisgröße von 100 mm, einer oberen Abweichung von +0,05 mm und einer unteren Abweichung von 0 mm muss die tatsächliche Größe zwischen 100 mm und 100,05 mm liegen.

●   Bilaterale Toleranz : Die Toleranzzone ist auf beiden Seiten des Grundmaßes verteilt (sowohl obere als auch untere Abweichungen sind angegeben). Beispiel: Bei einer Stange mit einem Grundmaß von 80 mm, einer oberen Abweichung von +0,03 mm und einer unteren Abweichung von -0,02 mm muss das tatsächliche Maß zwischen 79,98 mm und 80,03 mm liegen.

▶ 2. Formtoleranz

Die Formtoleranz bestimmt den zulässigen Abweichungsbereich der tatsächlichen Form eines Teils im Verhältnis zur Idealform. Sie berücksichtigt Formfehler in den Oberflächen, Linien und Punkten des Teils. Zu den gängigen Typen gehören:

●   Ebenheit

Unter Ebenheit versteht man die zulässige Abweichung der tatsächlichen ebenen Oberfläche eines Teils im Verhältnis zu einer idealen ebenen Oberfläche. Sie dient der Kontrolle von Oberflächenunebenheiten.       

Beispiel : Eine rechteckige Platte (200 mm × 150 mm) mit einer Ebenheitstoleranz von 0,02 mm – alle Punkte auf der tatsächlichen Oberfläche der Platte müssen zwischen zwei parallelen idealen Ebenen im Abstand von 0,02 mm liegen.

●   Geradheit

Geradheit ist die zulässige Abweichung der tatsächlichen Linie eines Teils (z. B. der Mantellinie eines Zylinders oder der Kante einer Platte) von einer idealen geraden Linie. Sie kann in einer Ebene oder im Raum gemessen werden.

Beispiel : Eine Führungsschiene für eine Werkzeugmaschine mit einer Geradheitstoleranz von 0,01 mm/m – innerhalb jedes Meters der Führungsschiene darf die maximale Abweichung der tatsächlichen Linie von der idealen geraden Linie 0,01 mm nicht überschreiten.

●   Zirkularität

Die Rundheit bestimmt die zulässige Abweichung des tatsächlichen Querschnitts eines Teils (z. B. des Querschnitts einer Welle oder eines Lochs) im Verhältnis zu einem idealen Kreis. Sie befasst sich mit der Unrundheit.

Beispiel : Eine Welle mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Rundheitstoleranz von 0,005 mm – ihr tatsächlicher Querschnitt muss zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit einem Radiusunterschied von 0,005 mm liegen.

●   Zylindrizität

Die Zylindrizität ist eine umfassende Toleranz, die die zulässige Abweichung der tatsächlichen zylindrischen Oberfläche eines Teils im Verhältnis zu einer idealen zylindrischen Oberfläche steuert. Sie berücksichtigt Kreisförmigkeit, Geradheit der Mantellinie und Koaxialität des Querschnitts.

Beispiel : Ein Zylinder (50 mm Durchmesser, 100 mm Länge) mit einer Zylindrizitätstoleranz von 0,01 mm – alle Punkte auf seiner tatsächlichen zylindrischen Oberfläche müssen zwischen zwei koaxialen idealen Zylindern mit einem Radiusunterschied von 0,01 mm liegen.

▶ 3. Positionstoleranz

Die Positionstoleranz regelt den zulässigen Abweichungsbereich eines Bauteilmerkmals (z. B. Bohrung, Vorsprung, Nut) relativ zu seiner idealen Position (definiert durch ein Referenzmerkmal). Sie kontrolliert Positionsfehler zwischen Merkmalen oder zwischen einem Merkmal und einer Referenz. Zu den gängigen Typen gehören:

●   Koaxialität

Durch Koaxialität wird sichergestellt, dass die tatsächliche Achse eines Bauteilmerkmals (z. B. Welle, Bohrung) mit einer idealen Referenzachse übereinstimmt. Sie wird verwendet, um die Achsen mehrerer zylindrischer Merkmale deckungsgleich zu halten.

Beispiel : Eine abgestufte Welle mit zwei Abschnitten (40 mm und 30 mm Durchmesser) und einer Koaxialitätstoleranz von 0,008 mm (relativ zur Achse des 40-mm-Abschnitts) – die tatsächliche Achse des 30-mm-Abschnitts muss innerhalb eines Zylinders (0,008 mm Durchmesser) liegen, der koaxial zur Referenzachse ist.

●   Rechtwinkligkeit

Die Rechtwinkligkeit bestimmt die zulässige Abweichung eines Teilmerkmals (z. B. Ebene, Linie) relativ zu einer idealen Richtung senkrecht zu einem Referenzmerkmal. Sie gilt für Ebene-Ebene-, Ebene-Linie- und Linie-Linie-Beziehungen.

Beispiel : Eine vertikale Ebene mit einer Rechtwinkligkeitstoleranz von 0,01 mm/m (relativ zu einer horizontalen Referenzebene) – innerhalb jedes Höhenmeters darf die maximale Abweichung der tatsächlichen vertikalen Ebene von der idealen senkrechten Ebene 0,01 mm nicht überschreiten.

●   Parallelität

Durch Parallelität wird sichergestellt, dass die tatsächliche Richtung eines Teilmerkmals (z. B. Ebene, Linie) mit einer idealen Richtung parallel zu einem Referenzmerkmal übereinstimmt. Wie die Rechtwinkligkeit gilt dies für Ebene-Ebene-, Ebene-Linie- und Linie-Linie-Beziehungen.

Beispiel : Eine Führungsschienenoberfläche mit einer Parallelitätstoleranz von 0,005 mm/m (im Verhältnis zu einer anderen Referenz-Führungsschienenoberfläche) – innerhalb jedes Meters Länge darf die maximale Abweichung der tatsächlichen Führungsschienenoberfläche von der idealen Parallelitätsoberfläche 0,005 mm nicht überschreiten.

●   Position

Die Positionstoleranz definiert die zulässige Abweichung eines Bauteilmerkmals (z. B. Bohrung, Vorsprung) von seiner Idealposition (festgelegt durch ein Koordinatensystem aus Referenzmerkmalen). Sie wird häufig für Bauteile mit mehreren Bohrungen, Vorsprüngen oder ähnlichen Merkmalen verwendet.

Beispiel : Ein Loch mit 10 mm Durchmesser und einer Positionstoleranz von φ0,02 mm (relativ zu zwei senkrechten Referenzebenen, die ein XY-Koordinatensystem bilden) – der tatsächliche Mittelpunkt des Lochs muss innerhalb eines Kreises (0,02 mm Durchmesser) liegen, dessen Mittelpunkt die ideale Position des Lochs im XY-System ist.

●   Symmetrie

Durch Symmetrie wird sichergestellt, dass die Merkmale eines Teils (z. B. Nut, Vorsprung) symmetrisch zu einer idealen symmetrischen Referenzebene positioniert sind.

Beispiel : Eine 8 mm breite Nut mit einer Symmetrietoleranz von 0,01 mm (relativ zu einer symmetrischen Referenzebene) – die tatsächliche Mittellinie der Nut muss zwischen zwei parallelen Ebenen (0,01 mm voneinander entfernt) liegen, die symmetrisch zur Referenzebene sind.

Nach der CNC-Bearbeitung ist die Erkennung der Teiletoleranzen unerlässlich, um sicherzustellen, dass sie den Konstruktionsanforderungen entsprechen. Nachfolgend sind die gängigsten Erkennungsmethoden aufgeführt:

▶ 1. Manuelle Erkennung mit allgemeinen Messwerkzeugen

Allgemeine Messwerkzeuge werden häufig für manuelle Toleranzprüfungen verwendet, da sie leicht zugänglich und einfach zu bedienen sind. Zu den gängigen Werkzeugen gehören:

●   Messschieber

Messschieber (Nonius-, Digital- oder Zifferblattmessschieber) messen Länge, Breite, Durchmesser und Tiefe.

Messschieber: Typische Genauigkeit von 0,02 mm oder 0,05 mm.

Digital-/Messschieber: Genauigkeit bis zu 0,01 mm.

Geeignet für Teile mit größeren Toleranzbereichen (z. B. Größentoleranz > 0,01 mm).

●   Mikrometer

Mikrometer sind auf hochpräzise Messungen von Außendurchmesser, Innendurchmesser und Dicke spezialisiert. Ihre Genauigkeit liegt in der Regel bei 0,001 mm – höher als bei Messschiebern. Sie eignen sich ideal für Teile mit kleinen Toleranzbereichen (z. B. Größentoleranz < 0,01 mm), wie z. B. Präzisionswellen oder Unterlegscheiben.

●   Tiefenmesser​

Tiefenmessgeräte messen die Tiefe von Löchern, Rillen und ähnlichen Merkmalen. Ihre Genauigkeit entspricht der eines Messschiebers (0,01 mm oder 0,02 mm).

●   Messuhren

Messuhren erkennen Form- und Lagefehler (z. B. Ebenheit, Geradheit, Rechtwinkligkeit, Rundlauf). Sie werden mit Zusatzwerkzeugen wie Messständern und Prismenblöcken für präzise Messungen mit einer Genauigkeit von 0,001 mm oder 0,002 mm verwendet.

●   Fühlerlehren

Fühlerlehren messen Abstände zwischen zwei Oberflächen (z. B. Führungsschienen-Schieber-Abstände oder Ventil-Ventilsitz-Abstände). Sie bestehen aus einem Satz dünner Stahlbleche mit markierten Dicken und bieten eine Genauigkeit von 0,001 mm.

▶ 2. Erweiterte Erkennung mit Präzisionsgeräten

Für Teile, die eine ultrahohe Präzision erfordern (z. B. Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte), ist eine moderne Ausrüstung erforderlich:

●   Koordinatenmessgerät (KMG) : Verwendet eine Sonde zur Messung der 3D-Koordinaten von Teilemerkmalen und ermöglicht so die genaue Erkennung von Größen-, Form- und Positionstoleranzen. Es bietet eine Genauigkeit von bis zu 0,0001 mm und eignet sich für komplexe, hochpräzise Teile.

●   Optische Komparatoren : Projizieren ein vergrößertes Bild des Teils auf einen Bildschirm, sodass der Bediener die tatsächliche Form des Teils mit einer Referenzvorlage vergleichen kann. Sie eignen sich ideal zum Erkennen von Formtoleranzen (z. B. Rundheit, Geradheit) kleiner Teile.

●   Laserscanner : Erfassen schnell 3D-Daten der Teileoberfläche und ermöglichen so eine umfassende Toleranzanalyse. Sie eignen sich für große oder komplexe Teile und können sowohl Form- als auch Positionsfehler erkennen.

Toleranzen sind ein Eckpfeiler der CNC-Bearbeitung und beeinflussen jede Phase von der Konstruktion über die Produktion bis hin zur Qualitätskontrolle. Wenn Sie ihre Bedeutung, die sie beeinflussenden Faktoren, die verschiedenen Arten und ihre Erkennung verstehen, können Sie Ihre Bearbeitungsprozesse optimieren, Kosten senken und hochwertige Teile liefern, die die Erwartungen Ihrer Kunden erfüllen oder übertreffen. Ob Sie neu in der CNC-Bearbeitung sind oder bereits ein erfahrener Profi: Die Beherrschung von Teiletoleranzen ist der Schlüssel zur Wettbewerbsfähigkeit in der Präzisionsfertigungsbranche.