Kích thước Hình học và dung sai (What is GD&T?) là gì và nó được sử dụng như thế nào?
Bài viết này giúp bạn khám phá những kiến thức cơ bản về cách thức và thời điểm sử dụng GD&T để đạt được kết quả tốt nhất trong quá trình sản xuất bộ phận tùy chỉnh, gia công chính xác.
Ngoài ra cũng có thể làm kiến thức cơ sở cho các bạn sử dụng máy CMM làm việc trong các phòng QA của các công ty, đơn vị sản xuất gia công chính xác.
Các chi tiết khi được gia công thường sẽ có kích thước khác với so với kích thước gốc trong bản vẽ CAD ban đầu do sự khác biệt trong quy trình sản xuất. Để kiểm soát và truyền đạt các biến thể này một cách tối ưu, các kỹ sư và nhà sản xuất sử dụng ngôn ngữ ký hiệu được gọi là GD&T, viết tắt của Kích thước và Dung sai Hình học – Geometric Dimensioning and Tolerancing.
GD&T thông báo cho các đối tác sản xuất và người kiểm tra (QA) về biến thể cho phép trong quá trình lắp ráp sản phẩm và chuẩn hóa cách đo lường biến thể đó.
Bài viết này giới thiệu về hệ thống GD&T để chuẩn hóa việc truyền đạt về thiết kế trong cả sản xuất truyền thống và kỹ thuật số.
GD&T là gì?
GD&T, viết tắt của Kích thước Hình học và Dung sai – Geometric Dimensioning and Tolerancing, là một hệ thống xác định và truyền đạt mục đích thiết kế cũng như dung sai kỹ thuật giúp các kỹ sư và nhà sản xuất kiểm soát tối ưu các biến thể trong quy trình sản xuất.
Khi được sử dụng đúng cách, hệ thống này có thể giảm khá hiệu quả chi phí sản xuất, giảm thiểu các lỗi sản xuất tiềm ẩn và cải thiện chất lượng tổng thể của các thành phần tùy chỉnh khi được gia công.
Hai quy tắc cơ bản của GD&T
Rule #1 – Quy tắc số 1 nêu rõ rằng khi chỉ xác định dung sai kích thước, giới hạn kích thước của một tính năng riêng lẻ về kích thước sẽ quy định mức độ cho phép các biến thể về dạng hình học cũng như kích thước của nó. Không có thành phần nào của đối tượng được vượt ra ngoài ranh giới MMC ở dạng hoàn hảo. Dung sai biểu mẫu tăng lên khi kích thước thực tế của đối tượng địa lý chuyển từ MMC sang LMC. Không có yêu cầu về ranh giới hình thức hoàn hảo tại LMC
Bây giờ chúng ta hãy thảo luận chi tiết về quy tắc số 1. Ý nghĩa đơn giản nhất của quy tắc số 1 là tại MMC, tính năng này ở dạng hoàn hảo. Ví dụ, hãy xem xét một trục có đường kính Ø5.000-Ø5.040. Khi đó MMC của nó là Ø5.040. Bây giờ giả sử chúng ta sản xuất bộ phận này ở Ø5.040 thì theo quy tắc số 1, bộ phận này phải ở dạng hoàn hảo. Nghĩa là nó phải có độ thẳng, hình tròn và hình trụ hoàn hảo.
Rule #2 Quy tắc số 2 nêu rõ rằng RFS tự động áp dụng, trong khung điều khiển tính năng, cho các dung sai riêng của các đối tượng kích thước và đối với các Mốc tính năng về kích thước. MMC và LMC phải được chỉ định khi các điều kiện này được yêu cầu.
Bây giờ hãy xem xét quy tắc số 2, ở đây cũng giả sử một trục có bậc có Ø5.000 và Ø3.000-Ø3.004. Đường kính lớn hơn được chỉ định làm mốc (Datum C) và đường kính nhỏ hơn Ø3.000 được kiểm soát bởi dung sai hình học đồng tâm và dung sai này được áp dụng mà không có bất kỳ ràng buộc kích thước kích thước nào, tức là bất kể kích thước tính năng (RFS)
Những Hạn chế khi không có GD&T
Trước khi có GD&T, các tính năng khi sản xuất được xác định theo vùng X-Y. Ví dụ: khi khoan lỗ, thì lỗ phải nằm trong khu vực X-Y được chỉ định.
Tuy nhiên, thông số kỹ thuật về dung sai chính xác sẽ xác định vị trí của lỗ so với vị trí dự định, khu vực được chấp nhận là hình tròn. Dung sai X-Y sẽ tạo ra một vùng sai số cho phép có dạng hình vuông hoặc chữ nhật, mà khi đó điểm xa nhất của nó là các góc của nó sẽ ko nằm trong vòng tròn, trong khi cạnh của nó vẫn nằm trong vòng tròn, khi đó việc kiểm tra sẽ đưa ra kết quả đạt nhưng không thực tế vì khi lỗ không nằm trong hình vuông X-Y, nó sẽ nằm trong vòng tròn ngoại tiếp (xem hình phía dưới).
Stanley Parker, một kỹ sư đang phát triển vũ khí hải quân trong Thế chiến thứ hai, đã nhận ra lỗi này vào năm 1940. Do nhu cầu tiết kiệm chi phí trong sản xuất và đáp ứng thời hạn, ông đã phát triển một hệ thống mới thông qua một số ấn phẩm. Sau khi được chứng minh là phương pháp hoạt động tốt hơn, hệ thống mới đã trở thành tiêu chuẩn quân sự vào những năm 1950.
Hiện tại, tiêu chuẩn GD&T được xác định bởi Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME Y14.5-2018) áp dụng cho Hoa Kỳ và ISO 1101-2017 áp dụng cho phần còn lại của thế giới. Nó chủ yếu liên quan đến hình dạng tổng thể của sản phẩm, trong khi các tiêu chuẩn khác mô tả các đặc điểm cụ thể như độ nhám bề mặt, kết cấu và ren vít.
Tại sao phải thực hiện các quy trình GD&T?
GD&T thiết lập một thư viện ký hiệu – Biểu tượng để truyền đạt ý định thiết kế như vậy .
Cái hay của dung sai là nó xác định các biến thể phù hợp cho tất cả các tính năng thiết kế cụ thể nhằm tối đa hóa tỷ lệ phê duyệt sản phẩm trong giới hạn của quy trình sản xuất và tùy thuộc vào mục đích chức năng và thị giác cho bộ phận đó.
Trong hệ thống số liệu, có các cấp Dung sai quốc tế (IT) cũng có thể được sử dụng để chỉ định dung sai bằng ký hiệu. Ví dụ: ký hiệu 40H11 có nghĩa là lỗ có đường kính 40 mm với khớp nối lỏng lẻo. Khi đó nhà sản xuất chỉ cần tra bảng cơ sở các đặc điểm lỗ để đưa ra giá trị dung sai chính xác.
Bên cạnh dung sai riêng lẻ, các kỹ sư phải tính đến các hiệu ứng ở cấp độ hệ thống. Ví dụ: khi một bộ phận xuất hiện với tất cả các kích thước ở giá trị tối đa cho phép, liệu nó có còn đáp ứng các yêu cầu tổng thể như trọng lượng sản phẩm và độ dày thành không? Đây được gọi là Điều kiện vật liệu tối đa (MMC), trong khi bộ phận tương ứng của nó là Điều kiện vật liệu tối thiểu (LMC).
Dung sai cũng chồng lên nhau. Nếu chúng ta tạo một mắt xích trong đó mỗi lỗ có dung sai cộng thêm 0,1 mm và mỗi trục có dung sai âm 0,1 mm, điều đó có nghĩa là chúng ta vẫn sẽ chấp nhận chênh lệch chiều dài 20 mm ở 100 mắt xích. Khi cài đặt các phần tử lặp lại, chẳng hạn như mẫu lỗ đục lỗ, trước tiên hãy định vị mẫu và sau đó chỉ định khoảng cách liên quan đến nhau thay vì tham chiếu các phần tử đến một cạnh hoặc mặt phẳng cố định của bộ phận.
Các tiêu chuẩn này không chỉ liên quan đến các nhà thiết kế và kỹ sư mà còn liên quan đến những người kiểm tra chất lượng (QA) bằng cách thông báo cho họ cách đo kích thước và dung sai. Việc sử dụng các công cụ cụ thể như micrometers (Panme) và thước cặp kỹ thuật số (calipers), thước đo chiều cao (height gauges), tấm bề mặt (surface plates), đồng hồ so (dial indicators) và máy đo tọa độ (CMM) là rất quan trọng để thực hiện xác định dung sai.
Nguyên tắc chỉ dẫn dung sai GD&T
Bản vẽ kỹ thuật phải truyền tải chính xác sản phẩm mà không cần thêm sự phức tạp hoặc hạn chế không cần thiết. Các hướng dẫn sau đây rất hữu ích để xem xét:
- Sự rõ ràng, trong sáng của một bản vẽ là quan trọng nhất, thậm chí còn hơn cả tính chính xác và đầy đủ của nó. Để cải thiện độ rõ nét, hãy vẽ các kích thước và dung sai bên ngoài ranh giới của bộ phận và áp dụng cho các đường nhìn thấy được trong các biên dạng thực, sử dụng hướng đọc một chiều, truyền tải chức năng của các kích thước bộ phận, nhóm và/hoặc so le và sử dụng khoảng trắng.
- Luôn thiết kế sao cho dung sai khả thi thấp nhất để giảm chi phí.
- Sử dụng dung sai chung được xác định ở cuối bản vẽ cho tất cả các kích thước của bộ phận. Dung sai chặt chẽ hơn hoặc lỏng hơn cụ thể được chỉ ra trong bản vẽ sau đó sẽ thay thế dung sai chung.
- Thể hiện Dung sai các tính năng chức năng và mối quan hệ qua lại của chúng trước, sau đó chuyển sang phần còn lại.
- Bất cứ khi nào có thể, hãy giao công việc GD&T cho các chuyên gia sản xuất và không mô tả các quy trình sản xuất trong bản vẽ kỹ thuật.
- Không chỉ định góc 90 độ vì nó được giả định.
- Kích thước và dung sai có giá trị ở 20 °C / 101,3 kPa trừ khi có quy định khác (điều kiện môi trường).
Biểu tượng trong GD&T
GD&T dựa trên tính năng, với mỗi tính năng được chỉ định bởi các điều khiển khác nhau. Biểu tượng GD&T được chia thành năm nhóm:
- Form controls: xác định hình dạng của các đặc điểm, bao gồm:
- Straightness (Độ thẳng) được chia thành độ thẳng của phần tử đường và độ thẳng của trục.
- Flatness (Độ phẳng): có nghĩa là độ thẳng theo nhiều chiều, được đo giữa điểm cao nhất và điểm thấp nhất trên bề mặt.
- Circularity (Độ tròn): hoặc roundness có thể được mô tả là độ thẳng uốn thành hình tròn.
- Cylindricity (Hình trụ): về cơ bản là độ phẳng được uốn thành hình thùng. Nó bao gồm độ thẳng, độ tròn và độ côn, khiến việc kiểm tra trở nên tốn kém.
- Profile controls: mô tả vùng dung sai ba chiều xung quanh một bề mặt:
- Line Profile (cấu hình đường thẳng): so sánh mặt cắt hai chiều với hình dạng lý tưởng. Vùng dung sai được xác định bởi hai đường cong bù trừ khi có quy định khác.
- Surface Profile (Cấu hình bề mặt): tạo ra thông qua hai bề mặt lệch mà bề mặt đối tượng phải nằm giữa chúng. Đây là một điều khiển phức tạp thường được đo bằng CMM.
- Orientation controls: liên quan đến các kích thước khác nhau ở các góc, bao gồm:
- Angularity (Độ góc): là độ phẳng ở một góc so với mốc chuẩn và cũng được xác định thông qua hai mặt phẳng tham chiếu cách nhau giá trị dung sai.
- Perpendicularity (Độ vuông góc): có nghĩa là độ phẳng ở góc 90 độ so với mốc chuẩn. Nó chỉ định hai mặt phẳng hoàn hảo mà mặt phẳng đặc trưng phải nằm ở giữa.
- Parallelism (Song song): có nghĩa là sự (độ) thẳng ở một khoảng cách nhất định. Độ song song của các trục có thể được xác định bằng cách xác định vùng dung sai hình trụ bằng cách đặt ký hiệu đường kính trước giá trị dung sai.
- Location controls: xác định vị trí đối tượng bằng cách sử dụng kích thước tuyến tính:
- Position (Vị trí): là vị trí của các đối tượng so với nhau hoặc với các mốc chuẩn và là sử dụng kiểm soát nhiều nhất.
- Concentricity (Độ đồng tâm): so sánh vị trí của trục đối tượng với trục chuẩn.
- Symmetry (tính đối xứng): bảo rằng các phần không phải hình trụ giống nhau trên mặt phẳng chuẩn. Đây là một điều khiển phức tạp thường được đo bằng CMM.
- Runout controls: xác định mức độ mà một tính năng cụ thể có thể thay đổi theo các mốc chuẩn
- Circular Runout (Độ đảo tròn): được sử dụng khi cần tính đến nhiều lỗi khác nhau, chẳng hạn như các bộ phận được lắp ổ bi. Trong quá trình kiểm tra, bộ phận được quay trên một trục quay để đo sự biến thiên hoặc ‘lắc lư’ xung quanh trục quay.
- Total Runout (Độ đảo tổng) được đo trên nhiều điểm trên một bề mặt, không chỉ mô tả độ đảo của một đối tượng hình tròn mà của toàn bộ bề mặt. Điều này kiểm soát độ thẳng, hình dáng, góc cạnh và các biến thể khác.
Tổng quan về biểu tượng GD&T
Để kiểm soát kích thước của chúng một cách chính xác, chúng tôi cần sử dụng mốc. Một mốc cần thể hiện các tính năng và chức năng giao tiếp của tổ hợp, đồng thời nó cần phải ổn định, có thể lặp lại và có thể truy cập được. Trong trường hợp này, sự kết hợp giữa nắp và nút cổ chai là quan trọng nhất, vì vậy chúng tôi chọn bề mặt hình trụ bên trong của nắp làm mốc chính. Chức năng phụ là kết nối với bề mặt giá treo, vì vậy chúng tôi chọn phần trên cùng của nắp làm mốc thứ cấp.
Sau khi xem xét yêu cầu, việc triển khai dung sai GD&T trong Solidworks hoạt động như sau. Chỉ ra các mốc trong DimXpert > Auto Dimension Scheme và chọn tùy chọn dung sai Hình học thay vì dung sai Cộng/Trừ. Sau đó chọn các mốc và tính năng để điều khiển dựa trên các mốc đó. Khi Sơ đồ kích thước đã hoàn thành, hãy thêm Dung sai hình học và ký hiệu GD&T. Phần mềm tự động tạo kích thước cho các tính năng có kích thước features-of-size (FOS), chẳng hạn như lỗ và phần trùm. Đảm bảo chọn ‘song phương’ hoặc ‘giới hạn’ làm loại dung sai cho các đối tượng trong đó giới hạn cộng và trừ không bằng nhau.
Để nhập những dung sai này vào bản vẽ kỹ thuật, trước tiên, hãy kiểm tra Trình quản lý tính năng để biết mặt phẳng nào được sử dụng trong thư mục ‘Annotations’. Khi nhập các khung nhìn từ các mặt phẳng này vào bản vẽ, hãy chọn ‘Nhập chú thích’ và ‘Annotations DimXpert’. Việc thêm một chế độ xem phần thích hợp sẽ làm bản vẽ rõ ràng hơn rất nhiều.
Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần tìm hiểu thêm ý nghĩa và cách sử dụng các biểu tượng khác trong GD&T
Dưới đây là các bài viết về từng Biểu tượng của GD&T:
Dung sai vị trí – Position Tolerance
Mốc tham chiếu tính năng – Datum features
Profile of a Surface – Biên dạng bề mặt
Maximum Material Condition (MMC)
Flatness – Độ phằng
Perpendicularity – Tính vuông góc
Runout – Độ đảo
Circularity – Độ tròn
Traightness – Độ thằng
Total Runout – Độ đảo tổng
Cylindricity – Tính chất hình trụ
Feature Control Frame
Least Material Condition (LMC)
Profile of a Line – Biên dạng đường thẳng
Regardless of Feature Size (RFS)
Rule #1: Envelope Principle – Quy tắc số 1: Nguyên tắc đường bao
Ⓤ Unequally Disposed Profile – Xu hướng biên dạng không đồng đều
Ⓘ Independency – Tính độc lập
Ⓔ Envelope Requirement (E Symbol) – ISO Only | Yêu cầu về đường bao theo ISO
Datum Target – Mốc mục tiêu
Continuous Feature – biểu thị tính liên tục, đồng nhất
Projected Tolerance Zone – Vùng dung sai chiếu
Ⓕ Free State Symbol – Trạng thái không bị hạn chế
Restrained Condition Note – Điều kiện hạn chế
Ⓣ Tangent Plane – mặt tiếp tuyến
Counterbore – Lỗ khoét tròn
Spotface – Mặt đầu bulong
Countersink – Lỗ khoét loe miệng
Diameter – Đường kính
Square – Hình vuông
Radius – Bán kính
Controlled Radius – Bán kinh được kiểm soát
Spherical Radius – Bán kính hình cầu
Spherical Diameter – Đường kính hình cầu
Depth – Độ sâu
Dimension Origin – Gốc hay mốc đo kích thước
Parting Line – Đường chia (mối ghép nối)
Arc Length – Độ dài cung
Conical Taper – Con hình nón
Slope – Độ dốc hoặc côn phẳng
Multiple Identical Features – Tính đồng nhất
Cảm ơn các bạn đã theo dõi hết bài viết này