Manual Tolerancias Geometricas

I. INTRODUCCIÓN Dimensionado Geométrico y Tolerado, Norma ASME Y14.5 1994 En cualquier tipo de producción moderna, la utilización de normas es indispensable para que la terminología, procedimientos, símbolos, definiciones, métodos de prueba etc. tengan una consistencia adecuada a fin de facilitar la fabricación de bienes y servicios, obteniendo una mejor efectividad de las diferentes actividades involucradas en la producción y por lo tanto, obtener productos de mas alta calidad y a mejor precio cuando dichas normas se aplican apropiadamente. La producción de piezas mecánicas se basa en dibujos que deben realizarse y complementarse con información basada en normas que tengan aceptación internacional. Tal es el caso de la norma ANSI Y14.5M-1982, actualizada en la ASME Y14.5M – 1994. Las siglas, en ingles corresponden al Instituto Nacional Norteamericano De Normas y a la Sociedad Norteamericana de Ingenieros Mecánicos, respectivamente. La actualización de 1994 es por otra parte, en un 90% común a la norma internacional ISO correspondiente a la misma tecnología. La historia del dimensionado y tolerado geométrico se remonta a unas cuantas décadas. Aún cuando las máquinas existen hace muchos siglos, las velocidades y otros factores de los modernos mecanismos, por ejemplo en los automóviles, exigen un control geométrico que produjo seria preocupación por primera vez en una fábrica de torpedos de Inglaterra, a fines de la segunda guerra mundial. En ese lugar se originan los primeros esfuerzos para elaborar dicho control, publicándose en Inglaterra, en 1948 el primer manual moderno de dibujo que ya utilizaba tolerancias de posición verdadera. En E. U. A. las fuerzas armadas fueron los primeros en seguir la iniciativa europea, seguidos por las compañías automotrices, que también habían dedicado años atrás ciertos esfuerzos a la normalización de dibujos industriales. En los años 50 las asociaciones ASA Y SAE en coordinación con ingleses y canadienses continuaron los trabajos, que fueron publicados por ANSI, sucesor de ASA, en 1966. Los trabajos prosiguieron y en 1982 se publicó la norma ANSI Y14.5M-1982, muy parecida a

la que conocemos actualmente. Los 14 símbolos principales y ciertas explicaciones de tolerancias geométricas ya aparecían en libros a finales de los años 60. El presente trabajo tiene como objetivo general conocer el significado, aplicación y métodos de inspección de las tolerancias geométricas. Dibujo de Ingeniería.- Documento

que describe una pieza con precisión, utilizando

figuras, símbolos, palabras y números. La información que se proporciona, ya sea que se origine por medios manuales o computadora incluye: a) Geometría (forma y tamaño) b) Relaciones funcionales criticas c) Tolerancias permitidas para funcionamiento adecuado d) Material, tratamiento térmico y recubrimiento e) Documentación de la pieza (código, nivel de revisión etc.) Siendo los dibujos para producción documentos legales y formales, se debe tener cuidado al elaborarlos, ya que los errores acarrean perdidas de tiempo, material, maquinaria e inconformidad. Dimensión.- Es un valor numérico expresado en unidades apropiadas, para definir la forma, tamaño, orientación, localización y otras características geométricas de la pieza. Tolerancia.- Es la variación total que un detalle puede tener respecto a la dimensión especificada o nominal. El valor de la tolerancia entre el límite máximo y el mínimo. TIPOS DE TOLERANCIA Tabla comparativa del sistema internacional y el sistema ingles

Dimensión menor que la unidad

PULGADAS

MILIMETROS

El cero precede al punto

No lleva cero antes del

decimal

punto

Dimensión entera

No lleva punto ni cero después, a menos que sea parte de una tolerancia límite

(ver

correspondiente

ejemplo en

la

página anterior)

La dimensión lleva el mismo

número

de

decimales

que

la

tolerancia,

aunque

se

complete con ceros La dimensión lleva el

Dimensión mixta

No se pone ningún cero después de la última cifra significativa

mismo

número

de

decimales

que

la

tolerancia,

aunque

se

complete con ceros.

Reglas básicas del dimensionado 1.- Cada dimensión debe llevar tolerancia, con excepción de las de referencia, las básicas, las tolerancias límite y las de materiales comerciales. 2.- El dimensionado y tolerado debe ser completo, que cada detalle este bien definido. 3.- Las dimensiones debe ser seleccionadas y dispuestas de manera que conduzcan a la producción de una parte funcional y no tengan más de una interpretación. 4.- El dibujo debe definir la pieza sin especificar procesos de fabricación. 5.-Los ángulos de 90° se sobreentienden cuando los detalles se dibujen perpendicularmente. 6.- Los ángulos básicos de 90 se sobreentienden cuando las líneas de centros son localizados con dimensiones básicas que aparezcan en ángulo recto. 7.- A menos que se especifique otra cosa, todas las dimensiones son aplicables a la temperatura de 20 grados centígrados. 8.- Todas las dimensiones y tolerancias son aplicables en estado libre de la pieza. 9.- A menos que se especifique otra cosa, todas las tolerancias geométricas aplican en la totalidad del detalle. 10.-Las dimensiones y tolerancias aplican solo en el nivel de dibujo donde están especificadas. El sistema de tolerancias rectangulares es inherente al dimensionado rectangular y se había utilizado en la industria mundial por casi 150 años antes del desarrollo de las

tolerancias geométricas. Las figuras de esta página muestran dicho sistema y sus inconvenientes: a) Zona de tolerancia fija o valor constante b) Zona de tolerancia cuadrada ( en algunos casos rectangulares) c) No se especifican los detalles de referencia para inspección La figura muestra una pieza descrita en dimensionado rectangular

El sistema de tolerancias y dimensionado geométrico es complejo para las personas que no lo conocen, pero en la industria trae ventajas y beneficios que lo hacen superior al método de dimensionado rectangular. El sistema es conocido como GD&T por las abreviaturas en ingles, y contiene un lenguaje usado para describir el tamaño, la orientación y la localización de detalles de una pieza. Es una tecnología que permite diseñar y dimensionar piezas mecánicas con gran

eficiencia respaldando el dimensionado funcional, que define una pieza de acuerdo a su desempeño en el producto final.

El siguiente dibujo es la misma pieza que la anterior, diseñada bajo tolerancias geométricas. Para poder describir toda la información con palabras, seria poco el espacio

Detalles y detalles tridimensionales. Detalle es el término aplicado para referirse a cualquier parte, sector o porción de la pieza, como una superficie, una saliente, una saliente, una ranura, un orificio, etc. Detalle tridimensional es un sector de la pieza que tiene asociado un eje o un plano medio a un punto central, como ejemplos pueden citarse: un cilindro hueco o solidó una esfera, un saliente prismático, una ranura etc. Un detalle tridimensional puede ser externo (un saliente cilíndrico) o un interno (una ranura). En lo sucesivo se utilizará el término 3D para abreviar. Tamaño efectivo local es la medida individual que se toma entre dos puntos opuestos de una sección transversal de un detalle 3D. Envoltura efectiva de un detalle 3D externo es la contraparte imaginaria perfecta y similar mas chica que puede circunscribirse alrededor del detalle tocándolo en los puntos mas salientes de su superficie. Envoltura efectiva de un detalle 3D interno es la contraparte imaginaria perfecta y similar mas grande que puede inscribirse dentro del detalle tocándolo en los puntos mas salientes de su superficie.

La figura muestra en la parte alta de dibujo de un perno y sus dimensiones limite y mas abajo dos piezas producidas con imperfecciones exageradas para apreciarlas. Un concepto clave en el diseño geométrico es la posibilidad de especificar tolerancias a diferentes condiciones de material esto es, en el tamaño mas grande, en el tamaño mas chico e independiente del tamaño que tenga el detalle. Estas condiciones son conocidas como modificadores. Condición de material máximo es la situación en que un detalle 3D contiene la mayor cantidad de material posible, dentro de sus limites dimensionales, por ejemplo, el diámetro mayor de un perno o el menor de un orificio. En la literatura se abrevia MMC. Condición de material mínimo es la situación en que un detalle 3D contiene la menor cantidad posible dentro de sus limites dimensionales, por ejemplo el menor diámetro de un perno o el mayor de un orificio. En la literatura se abrevia LMC. Las dimensiones limite de un detalle muestran en forma directa las dos condiciones, como se aprecia en las notas de la sig. figura, donde aparecen varios marcos de control donde la tolerancia esta en función de MMC. En el siguiente capítulo veremos como se juega con esos valores para tener tolerancias de valor flexible, que es una de las bondades de este sistema. Cada condición de material es utilizada por diferentes razones de funcionamiento. MMC es aplicado cuando la función es de ensamble; en cambio LMC es utilizado para garantizar la distancia mínima de luna parte. Por otro lado, cuando la relación entre detalles es de simetría o de concentricidad el tamaño no importa y entonces la condición RFS (regardless of feature size) se aplica a la tolerancia. En la versión anterior de la norma este modificador se especificaba con el símbolo S pero en la norma actual queda sobrentendido sin colocarlo, según lo estipula la regla #2 de la norma, Cuando se aplica el modificador RFS el valor de la tolerancia geométrica es fijo.

Los símbolos de las características geométricas forman un conjunto de 14 figuras utilizadas para el control geométrico. Estos símbolos están agrupados en 5 categorías que se explican en la siguiente tabla. Un elemento importante

del sistema es la

designación de detalles conocidos como Referencias. La clasificación de las características geométricas es la siguiente: a) Forma b) Perfil c) Orientación d) Localización e) Cabeceo

Referencia implícita o sugerida es un supuesto plano, eje o punto a partir del cual se realiza una medición. Este es un concepto del antiguo sistema de tolerancias y

dimensionado y como ejemplo esta la sig. Figura . A partir de los costados inferior e izquierdote la pieza se han colocado las dimensiones para la posición de orificio en el dibujo original, en las figuras de abajo se muestra la pieza en dos posiciones diferentes para su inspección, porque en el dibujo no se ha indicado cuales superficies deben utilizarse, ni se sabe en que secuencia deben hacer contacto con el equipo de inspección .Entonces cada inspector puede tomar, a discreción cualquier orden o posición con resultados diferentes aun para la misma pieza. Las consecuencias de tal indeterminación pueden ser las siguientes: a) Piezas buenas pueden ser rechazadas b) Piezas malas pueden ser aceptadas

Una Referencia (datum) es un plano, eje o un punto teóricamente exacto a partir del cual se realiza una medición dimensional. En los planos se especifican detalles referencia que tienen contrapartes geométricas verdaderas, envolturas imaginarias pero de forma perfecta que dependiendo del detalle físico pueden ser cilíndricas, prismáticas, etc. Tanto para interiores como exteriores. Puesto que la contraparte geométrica verdadera es teórica, hace falta simularla con el equipo de inspección, que viene a ser la referencia simulada. Durante la inspección de una pieza plana, la superficie de una mesa de granito aun cuando no sea perfecta es de una alta calidad geométrica que le permite actuar como referencia simulada. En la siguiente figura del lado izquierdo, la contraparte verdadera del plano inferior de la pieza no coincide con la referencia simulada en el nivel microscópico, pero en la práctica el plano referencia se considera perfecto, porque es una superficie de alta calidad geométrica. En la parte derecha, la boquilla de inspección de un instrumento es la referencia simulada para verificar si el eje saliente cilíndrico se encuentra dentro de la tolerancia cilíndrica.

Referencias utilizadas en las tolerancias. Una referencia o datum es un punto, eje o plano teóricamente exacto que se deriva de un detalle determinado en una pieza sólida y que sirve como origen para establecer la ubicación de características geométricas en la misma. De acuerdo con esta definición toda referencia debe ser perfecta, sin embargo, como no se pueden producir partes perfectas, se asume que la referencia existe cuando el detalle se pone en contacto con equipo o accesorios de inspección de alta precisión como lo son las mesas de maquinas, de mármol, pernos patrón etc. Tales contactos son los llamados referencias simuladas. Las referencias aparecen después de la característica tolerada en el marco de control. Típico marco de control con una sola referencia .002



Este detalle debe estar dentro de una zona de



Tolerancia de .002¨ paralela a la referencia B

Este detalle debe ser localizado en su posición 

.003





verdadera dentro de un diámetro de .003¨ a condición MMC con respecto a los dos planos de referencia A Y B

Esta es otro ejemplo de paralelismo tolerado 

.002 

la presencia del símbolo MMC se aplica en



este caso tanto a la superficie tolerada como al plano de referencia

En este marco se muestran las referencias, 

.001







primaria, secundaria y terciaria, en orden de precedencia, las letras no tienen que aparecer en orden alfabético.

Detalles de referencia múltiples se utilizan al 

.002

—

mismo tiempo para establecer una referencia sencilla, por ejemplo un eje de referencia.

En este marco de control obra una circunstancia extraña que tiene aplicaciones muy especiales la característica tolerada esta en RFS mientras 

.002



que la referencia esta en condición MMC . Generalmente cuando la referencia esta bajo condición MMC, la característica tolerada debe estar en la misma condición.

Referencia específica (Datum Target) es una porción de una superficie que se utiliza como referencia, cuando no es conveniente designar la superficie completa. La inconveniencia puede ser porque la superficie proviene de un proceso de fabricación como vaciado, forjado, soldado que generalmente es irregular y no apta para ser utilizada en su totalidad como detalle referencia, ya que asentaría irregularmente sobre una referencia simulada. Las referencias específicas pueden ser superficies, puntos o líneas donde se contactan elementos de inspección que pueden tener diferente forma, según la referencia especificada: y al igual que las referencias normales sirven también para indicar donde debe apoyarse la pieza durante el maquinado por realizar Los símbolos aplicados a las referencias específicas describen la forma, tamaño y ubicación correspondientes. El símbolo consiste en un circulo dividido horizontalmente, en la parte baja aparece la letra correspondiente a la superficie de referencia y el numero de la referencia especifica, la parte superior describe la forma y tamaño del gage o apoyo

correspondiente .La línea indicadora cuando es llena se refiere a la cara visible pero cuando es punteada se refiere a una cara oculta. Las referencias específicas son utilizadas en los siguientes casos.  Cuando no se pueda utilizar toda la superficie porque existe el riesgo que la pieza Sea irregular  Solamente una porción de la pieza es funcional

REGLA # 1 DE LA NORMA La regla # 1 nos dice que cuando solamente se especifica tolerancia dimensional, los límites dimensionales de un detalle individual prescriben la extensión donde las variaciones tanto de forma como de tamaño son permitidas. Dicho de otro modo, al no existir tolerancias geométricas las superficies del detalle no deben estar más allá del limite o envoltura de forma perfecta en MMC. La regla es aplicable a detalles individuales de una pieza, pero no a las relaciones entre los mismos.

La manera como afecta a detalles 3D externos e internos se muestra en la siguiente figura. La forma es controlada por los límites dimensionales de la siguiente forma: *Las superficies del detalle no deben extenderse más allá de la envoltura o limite en MMC *Cuando el tamaño local efectivo se aparta de MMC hacia LMC la forma puede variar. *Cualquier tamaño local debe estar dentro de la tolerancia. *Si el detalle es producido a LMC no hay necesidad de forma perfecta, sino que puede variar hasta la envoltura MC.

Dimensiones básicas. Una dimensión básica es un valor numérico que especifica con exactitud teórica el tamaño, el perfil verdadero o la localización de un detalle; pero también como veremos después, se utiliza para situar las referencias específicas y para dimensionar los escantillones de inspección. La dimensión básica se representa encerrada en un rectángulo. Una dimensión básica es utilizada como estructura del diseño y siempre queda el dibujo complementado con otras dimensiones que si contienen la flexibilidad de las tolerancias,

para poder producir la pieza funcionalmente. Las dimensiones básicas se utilizan en longitudes y en ángulos pero en ningún caso tienen tolerancias; las tolerancias generales que aparezcan en el recuadro de un plano tampoco se aplican a ellas

Bono de tolerancia es una de las ventajas representativas de esta tecnología. Cuando un detalle esta en su condición de material máximo MMC su forma tiende a ser perfecta es decir coincide con la envoltura efectiva en esa condición. A medida que se aleja de la condición MMC la forma puede cambiar según se explico en la regla # 1 y la zona de tolerancia se puede incrementar si en la celda del valor de tolerancia se incluye el modificador MMC. Esto es posible porque al quedar más holgada la pieza con relación a la parte donde ensambla, no tiene caso que la tolerancia sea rígida.

En resumen se puede establecer lo siguiente respecto al bono de tolerancia Es una tolerancia adicional dentro del control geométrico Es vigente cuando existe un modificador MMC o LMC en la celda del valor de tolerancia Proviene de la tolerancia dimensional Su valor depende del tamaño de la envoltura efectiva y su diferencia respecto a la condición MMC o LMC.

Condición virtual

VC es el peor caso de envoltura o límite generado por el efecto

colectivo de la condición MMC o LMC y la tolerancia geométrica correspondiente. Esta condición tiene un valor constante e incluye los efectos de tamaño, orientación y localización del detalle 3D y su envoltura también esta ligada a las referencias específicas. Límite interno es la peor envoltura, generada por el tamaño mínimo del detalle menos la tolerancia geométrica especificada.

Límite externo es la peor envoltura, generada por el tamaño máximo del detalle más la tolerancia geométrica especificada. Peor límite (WCB) conocido también como el caso de peor limite o peor envoltura, es un termino general que se refiere al limite extremo de las dimensiones de un detalle 3D representando la situación pésima para ensamble.

LA RECTITUD de un elemento lineal es la condición de que todos sus puntos estén contenidos en línea recta. Cuando el control esta dirigido a una superficie, el valor de la tolerancia es el error o variación que los elementos lineales superficiales pueden tener. La zona de tolerancia es bidimensional y esta contenida dentro de dos líneas paralelas que están separadas una distancia igual al valor de la tolerancia. La primera línea es tangente a los dos puntos mas altos de la superficie y a partir de ahí la segunda línea queda hacia adentro.

La planicidad es la condición de que todos los elementos de una superficie estén contenidas en un plano. El control de planicidad es una tolerancia geométrica que limita las variaciones permitidas en la superficie y tiene una zona de tolerancia tridimensional contenida entre dos planos paralelos imaginarios separados una distancia igual al valor de la tolerancia.

CIRCULARIDAD es la condición de una superficie de revolución donde: -

En el caso de un cono o cilindro todos los puntos d la superficie intersectada por un plano perpendicular al eje son equidistantes.

-

En el caso de una esfera todos los puntos de la superficie intersectada por un por plano central son equidistantes al centro de la esfera

La tolerancia de circularidad especifica una zona de tolerancia limitada por dos círculos concéntricos dentro de la cual deben encontrarse todos los elementos de la superficie y es aplicable para cualquier plano de la pieza o detalle que sea perpendicular al eje. La zona de tolerancia de circularidad no requiere de referencia ni se puede manejar bajo principio MMC puesto que solamente controla elementos de superficie.

CILINDRICIDAD es la condición de una superficie de revolución en la cual todos sus puntos son equidistantes a un eje común. La tolerancia especifica una zona de tolerancia limitada por dos cilindros concéntricos dentro de los cuales debe encontrarse la superficie controlada similar a la circularidad, el valor de la tolerancia es la diferencia radial entre esos cilindros por lo que la cilindricidad puede considerarse una extensión de circularidad.

PERPENDICULARIDAD es la condición de una superficie, plano central o eje que se encuentra formando un ángulo de 90 grados exactamente con respecto a un eje o plano de referencia. La zona de tolerancia definida por dos planos paralelos perpendiculares a un plano de referencia dentro de la cual debe encontrarse la superficie de un detalle o el plano central de un detalle.

ANGULARIDAD es la condición de una superficie eje o plano central de

que

se

encuentre a un ángulo especificado respecto a un plano o eje de referencia. La tolerancia de angularidad es la distancia entre dos planos paralelos inclinados en un ángulo especificado respecto a un plano o eje de referencia dentro del cual debe encontrarse una superficie, eje o plano central.

Paralelismo es la condición de una superficie o eje de ser equidistante en todos sus puntos a un plano o eje de referencia. Una zona de tolerancia definida por dos planos o dos líneas paralelas a un plano o eje de referencia dentro de la cual debe encontrarse un plano o eje de un detalle. O una zona de tolerancia cilíndrica paralela a un eje de referencia dentro de la cual debe de encontrarse el eje de un detalle.

Posición define una zona en la cual el centro, eje, o el centro de un plano de una característica de tamaño puede permitir la variación desde la posición verdadera teórica. Las dimensiones básicas establecen la posición verdadera desde una referencia específica

de

referencia

y

entre

características

interrelacionadas.

CONCENTRICIDAD

es la condición en la cual todos los ejes transversales de los

elementos de una superficie de revolución son comunes al eje de una característica de referencia. Una tolerancia de concentridcidad especifica una zona de tolerancia cilíndrica en la cual el eje coincide con el eje de la característica de referencia y dentro de la cual todos los ejes transversales de la característica a controlar debe estar. La tolerancia específica y la característica de referencia se aplican solamente en RFS.

SIMETRIA es la condición de que un detalle rectangular todos los puntos medios quedan equidistantes a un plano central, la tolerancia de un control de simetría tiene una zona que consiste en dos planos paralelos dispuestos equidistantemente a ambos lados del plano referencia, de manera que la separación entre ellos equivale al valor de la tolerancia.

RUNOUT es una tolerancia compuesta utilizada para controlar la delación funcional de una o más características de una parte para un eje de referencia. Los diferentes tipos de características controladas por tolerancias de runout incluyen superficies construidas alrededor del eje de referencia y estas deben estar construidas en un ángulo recto hacia el mismo eje.

RUNOUT CIRCULAR es un control de un elemento circular de una superficie. La tolerancia es aplicada independientemente en cualquier posición circular medible cuando la parte es girada 360 grados. Cuando se aplica a una superficie construida alrededor de un eje de referencia, el runout circular puede ser utilizado para controlar la variación acumulada de circularidad y concentricidad.

ZONA DE TOLERANCIA PROYECTADA es aplicada a un orificio en el cual va ha ensamblarse un perno o tornillo, Sirve para controlar la perpendicularidad del barreno hasta la extensión establecida para que el perno no interfiera con la contra.