軸承組件配合間隙的數(shù)字化公差分析

趙艷平，魏康，談蕊

(洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471009)

1 前言

隨著光電系統(tǒng)綜合技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度穩(wěn)瞄技術(shù)和傳動(dòng)系統(tǒng)已成為現(xiàn)階段發(fā)展的必然趨勢(shì)，為保證光電系統(tǒng)準(zhǔn)確地捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤目標(biāo)，對(duì)光電系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸系提出了很高的指標(biāo)要求，軸系精度的高低取決于軸承、軸系結(jié)構(gòu)形式及裝配精度。某型光電俯仰軸系采用的是兩半軸組件與兩框架組合的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，軸承組件1，2采用的軸承均為角接觸球軸承，兩半軸組件通過兩框相連接形成了晝夜觀瞄裝置的俯仰軸Ⅰ-Ⅰ，此軸系回轉(zhuǎn)精度要求角偏回轉(zhuǎn)誤差不大于10″，徑向回轉(zhuǎn)誤差不大于0.01 mm。為保證軸系的精度及便于拆卸，軸承組件設(shè)計(jì)時(shí)要求嚴(yán)格控制軸承內(nèi)圈與軸承內(nèi)座、軸承外圈與軸承外座的配合間隙，而根據(jù)傳統(tǒng)的尺寸鏈計(jì)算只能計(jì)算出尺寸公差對(duì)配合間隙的影響情況，無法計(jì)算出尺寸公差和形位公差對(duì)配合間隙的綜合影響，可以運(yùn)用數(shù)字化公差分析軟件EM-Tolmate對(duì)軸承組件進(jìn)行公差分析，達(dá)到合理分配軸承內(nèi)、外座尺寸公差和形位公差的目的。文中以軸承組件2為例，使用EM-Tolmate軟件進(jìn)行公差分析。

1—軸承組件1；2—主框架；3—中框；4—軸承組件2

2 軸承組件2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承組件2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由角接觸球軸承、軸承內(nèi)座、軸承外座、軸承內(nèi)壓圈、軸承外壓圈及內(nèi)、外壓圈連接螺釘組成。其裝配精度要求：內(nèi)圈與軸承內(nèi)座、外圈與軸承外座的配合間隙為0.005～0.01 mm。

1—軸承外座；2—軸承外壓圈；3—內(nèi)壓圈連接螺釘；4—軸承內(nèi)座；5—軸承內(nèi)壓圈；6—角接觸球軸承；7—外壓圈連接螺釘

圖3 軸承內(nèi)座零件圖

圖4 軸承外座零件圖

對(duì)軸承組件2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留對(duì)配合間隙有影響的內(nèi)座、軸承和外座3個(gè)零件，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化后模型

3 配合間隙的數(shù)字化公差分析

數(shù)字化公差分析可以創(chuàng)建一個(gè)三維數(shù)字模型來對(duì)制造過程進(jìn)行仿真。該數(shù)字模型包括對(duì)幾何圖形、產(chǎn)品公差、裝配、過程偏差(順序、裝配附件的定義、工裝)和測(cè)量結(jié)果的綜合描述。在制造物理零件或?qū)嶋H加工之前，該模型被用于預(yù)測(cè)是否會(huì)有裝配建造問題。該模型還可以識(shí)別造成建造問題的根本原因，在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期對(duì)設(shè)計(jì)、公差以及裝配過程進(jìn)行優(yōu)化[1]。具體方法為:首先在UG的建模模塊中建立公差分析組件的三維模型，然后在EM-Tolmate公差分析模塊中建立基于特征的公差模型，即定義特征、公差以及裝配關(guān)系，并將尺寸鏈中的關(guān)注環(huán)節(jié)定義成測(cè)量，然后運(yùn)行蒙特卡洛仿真，并生成仿真結(jié)果報(bào)告，從報(bào)告中可以看出裝配合格率以及各個(gè)特征公差(尺寸公差和形位公差)對(duì)裝配結(jié)果的貢獻(xiàn)百分比；根據(jù)仿真結(jié)果可以優(yōu)化特征公差，即對(duì)特征公差進(jìn)行修正，并重新運(yùn)行仿真程序，直到獲得滿意的結(jié)果[2]。下面對(duì)軸承組件2配合間隙進(jìn)行數(shù)字化公差分析。

3.1 定義特征

定義在尺寸公差分析中要用到的特征，如裝配定位基準(zhǔn)等，支持的特征種類有平面(PLN)、孔(HOLE)、軸面(PIN)、點(diǎn)(POINT)等。對(duì)于軸承組件2，根據(jù)公差分析的目的，定義軸承內(nèi)座、軸承和軸承外座中對(duì)配合間隙有影響的特征。

依據(jù)圖3中軸承內(nèi)座的尺寸和形位公差及其與軸承的裝配關(guān)系，軸承內(nèi)座需要定義的特征為：(1)基準(zhǔn)面A定義為PLN701;(2)軸承安裝面定義為PLN702;(3)與軸承內(nèi)圈配合的孔定義為PIN703。

根據(jù)軸承與軸承內(nèi)座、外座的裝配關(guān)系，軸承需要定義的特征為：(1)安裝面定義為PLN701;(2)與軸承內(nèi)座配合的孔定義為HOLE702;(3)與軸承外座配合的軸面定義為PIN703。

依據(jù)圖4中軸承外座的尺寸和形位公差及其與軸承的裝配關(guān)系，軸承外座需要定義的特征為：(1)基準(zhǔn)面A定義為PLN701;(2)軸承安裝面定義為PLN702;(3)與軸承外圈配合的孔定義為HOLE703。

3.2 定義公差

依據(jù)軸承內(nèi)座與外座原設(shè)計(jì)，對(duì)配合間隙有影響的尺寸與公差進(jìn)行公差的定義。

根據(jù)軸承型號(hào)及參數(shù)，需要定義的公差有：(1)軸承安裝端面A定義為701A;(2)端面A的平面度0.002 5定義為701 FLT;0.002 5；(3)軸承內(nèi)徑的尺寸公差定義為702 DIA +0-0.002 5;(4)軸承內(nèi)徑軸線對(duì)A面的垂直度Ф0.002定義為702 PER;DIA0.002;A;(5)軸承外徑的尺寸公差定義為703 DIA+0-0.002 5;(6)軸承外徑軸線對(duì)A面的垂直度Ф0.002定義為703 PER;DIA0.002;A。

3.3 定義裝配順序和操作

軸承組件2定義的裝配順序如圖6所示，ASSEMBLY表示軸承組件裝配體，自上而下表示裝配的先后順序，依次為：軸承內(nèi)座(4012-07-2)，軸承(4012-07BEARWA1056)，軸承外座(4012-07-4)。

圖6 定義裝配順序和測(cè)量

定義裝配操作的定義基準(zhǔn)有面配合、中心對(duì)齊、邊界對(duì)齊等。根據(jù)裝配時(shí)定位的先后順序，定義裝配操作時(shí)，依次為第1匹配條件和第2匹配條件、第3匹配條件。

軸承組件2中，軸承內(nèi)座與軸承的裝配操作定義如圖7所示，軸承與軸承外座的裝配操作定義如圖8所示。

圖7 定義軸承內(nèi)座與軸承的裝配操作

圖8 定義軸承外座與軸承的裝配操作

3.4 定義測(cè)量

軸承組件2公差分析的目標(biāo)是:軸承內(nèi)座與內(nèi)圈的配合間隙和軸承外座與外圈的配合間隙。將軸承內(nèi)座與內(nèi)圈的配合間隙定義為MEAS1，目標(biāo)值為0.005～0.01 mm；將軸承外座與外圈的配合間隙定義為MEAS2，目標(biāo)值為0.005～0.01 mm。

3.5 仿真分析

設(shè)置仿真次數(shù)3 000，MEAS1仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，按照原設(shè)計(jì)的軸承內(nèi)座各項(xiàng)公差，軸承內(nèi)座與軸承實(shí)際的配合間隙為：-0.001 8～0.003 9 mm。圖中，2個(gè)短豎線范圍為配合間隙目標(biāo)值分布范圍；2個(gè)長(zhǎng)豎線范圍為實(shí)際配合間隙分布范圍，長(zhǎng)豎線均不在短豎線范圍內(nèi)，則表明配合間隙均不滿足目標(biāo)值要求。

圖9 MEAS1仿真結(jié)果

公差貢獻(xiàn)分析得到影響測(cè)量值MEAS1的最主要公差和貢獻(xiàn)。軸承內(nèi)座(4012-07-2)PIN 703, PER;DIA0.01;A，貢獻(xiàn)比重為53%；軸承內(nèi)座(4012-07-2)PIN 703, DIA-0.005 -0.01，貢獻(xiàn)比重為25%。

3.6 公差調(diào)整

圖10 公差調(diào)整后的MEAS1仿真結(jié)果

同理，對(duì)MEAS2進(jìn)行仿真分析，調(diào)整公差，直到合理地分配零件的公差，避免了裝配時(shí)的返修。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過EM-Tolmate軟件對(duì)軸承組件進(jìn)行數(shù)字化公差分析，根據(jù)公差貢獻(xiàn)分析的結(jié)果，修改尺寸公差和形位公差即能滿足配合精度要求。應(yīng)用數(shù)字化公差分配和分析能夠使工藝規(guī)劃人員在早期設(shè)計(jì)階段就全面地評(píng)估工藝協(xié)調(diào)方案，從而減少由于尺寸公差問題帶來的工程更改。