Stack-up delle tolleranze: perché due pezzi in tolleranza non si accoppiano in assieme

Il caso: due staffe in tolleranza, il perno non entra

Due staffe laterali, un perno passante, tre fori da allineare su un telaio saldato. Ogni pezzo, misurato singolarmente al banco, rientra nella tolleranza generale ISO 2768-mK indicata a disegno. Montati insieme, il perno Ø10h7 non passa: mancano 0,15 mm sull'ultimo foro. Nessun pezzo, preso da solo, è fuori tolleranza.

Il problema non è un pezzo difettoso, è la catena di quote che porta dal riferimento di saldatura del telaio fino al foro finale della seconda staffa. Ogni passaggio della catena porta con sé il proprio errore, e gli errori si sommano. Quando l'assieme viene quotato pezzo per pezzo, senza controllare cosa succede lungo tutta la catena, questo tipo di sorpresa arriva in officina, non al CAD.

Come si costruisce la catena di quote

Una catena di stack-up si costruisce partendo da un riferimento comune di assieme, non dal riferimento di disegno di ogni singolo pezzo. Si elencano in sequenza tutte le quote che, sommate, portano dalla base fissa alla superficie o al foro che deve incontrare il pezzo accoppiato: spessore lamiera, distanza tra fori, gioco di accoppiamento, tolleranza di posizione.

Il calcolo più semplice è la somma aritmetica worst-case: si sommano tutte le tolleranze massime, indipendentemente dal segno statistico. Su una catena di 4 quote con tolleranza ±0,05 mm ciascuna, il worst-case dà ±0,20 mm complessivi. È il metodo giusto quando il pezzo è critico per la sicurezza, quando la produzione è in piccola serie e non c'è uno storico di processo, o quando un mancato accoppiamento comporta un fermo macchina costoso.

Il metodo RSS, quando conviene

Sommare sempre al worst-case porta spesso a tolleranze di produzione irrealistiche, soprattutto su assiemi con molte quote in catena: il rischio è chiedere un ±0,02 mm su una lavorazione che in fresatura a 3 assi costa il triplo senza necessità reale. Per produzioni ripetitive, con un processo di cui si conosce la capacità (Cpk misurato, non stimato), si può usare la somma statistica RSS: radice della somma dei quadrati delle singole tolleranze.

Sulla stessa catena di 4 quote a ±0,05 mm, l'RSS dà un risultato di circa ±0,10 mm invece di ±0,20 mm: la differenza tra un accoppiamento realizzabile in produzione normale e uno che richiede selezione dei pezzi o rilavorazione sistematica. La condizione per usarlo è che il processo sia davvero sotto controllo statistico: applicarlo senza dati di produzione alle spalle è solo un modo elegante di nascondere un rischio.

Errori di quotatura che generano stack-up nascosti

Nella pratica, gli stack-up che sorprendono in officina nascono quasi sempre dagli stessi errori a monte, in fase di disegno:

• Quotare ogni pezzo dal proprio riferimento di produzione invece che da un riferimento comune di assieme, perdendo la tracciabilità della catena
• Dimenticare il gioco del foro di passaggio nel calcolo, trattandolo come se fosse un accoppiamento a zero gioco
• Sommare tolleranze bilaterali senza controllare il segno reale, ottimistico in un verso e conservativo nell'altro
• Ignorare che una tolleranza di planarità o perpendicolarità GD&T si somma a quella dimensionale, non la sostituisce
• Passare dal prototipo alla piccola serie senza verificare la catena su un campione reale, fidandosi solo del modello CAD

Verificare prima di tagliare il primo pezzo

Uno stack-up si controlla al CAD, prima che i pezzi arrivino in officina: basta costruire la catena di quote sull'assieme 3D e sommare le tolleranze lungo il percorso critico, worst-case o RSS a seconda del volume di produzione e della criticità del pezzo. È un controllo che costa un'ora di lavoro sul modello ed evita rilavorazioni su un lotto intero.

Per diverse aziende manifatturiere della Campania con cui lavoriamo, questo passaggio è diventato parte della revisione tecnica prima del rilascio disegni, insieme alla verifica FEM sui componenti più sollecitati: un controllo in più a monte, quando cambiare una quota costa una modifica al modello e non una rilavorazione sul pezzo finito.