新一代產品幾何技術規范及其在我國軸承行業推廣應用的必要性

杜曉宇，鈔仲凱，張旭，張博文

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

產品幾何技術規范(Geometrical Product Specification，GPS)是重要的基礎性技術標準，其應用涉及機械、電子、儀器、汽車、家電、航空、航天等諸多領域。20世紀所使用的包括極限與配合、幾何公差和表面粗糙度等，基本上是以幾何學為基礎的傳統技術標準，或稱為第一代GPS，其特點是概念簡單易懂，但不能適應制造業信息化生產的發展和CAD(計算機輔助設計)、CAM(計算機輔助制造)、CAQ(計算機輔助質量管理)、CAT(計算機輔助測試)等的實用化進程[1-2]。而基于計量學的新一代GPS是面向21世紀的技術語言，是實現制造業信息化生產的重要保障，已經引起了國內外的高度重視。

由于第一代GPS的局限性，其沒有應用于軸承公差體系。但隨著新一代GPS的不斷完善，軸承公差體系正在與其“并軌”，在我國軸承行業推廣應用新一代GPS十分必要。

1 新一代GPS標準體系

1.1 新一代GPS基礎標準體系

國際標準化組織(ISO)于1996年組建了ISO/TC 213“尺寸規范和幾何產品規范及檢驗技術委員會”，開展對新一代GPS的研究和標準制定工作。ISO/TC 213在ISO中占有重要地位，截至2018年7月，TC 213現行標準145項，在研標準21項，P成員國(積極成員國)25個，O成員國(觀察員國)28個。

我國于1999年組建了與ISO/TC 213對口的SAC/TC 240“全國產品幾何技術規范標準化技術委員會”，負責跟蹤研究新一代GPS體系的基礎理論及重要標準，并及時將有關國際標準轉化為國家標準。截至2018年7月，SAC/TC 240現行標準127項。

根據ISO 14638:2015 Geometrical product specifications (GPS)-matrix model，新一代GPS標準體系包括尺寸、距離、形狀、方向、位置、跳動、輪廓表面組織、區域表面組織和表面缺陷9個方面的內容，且每一方面還涵蓋符號和標注、特性要求、特性特征、一致性、測試、測試設備和校準等內容。

目前，我國新一代GPS基礎標準體系已基本完善，但仍存在國際標準轉化速度較慢，對國際標準理解不夠透徹，以及未能充分推廣應用等問題。

1.2 滾動軸承專用GPS標準

2008年9月，滾動軸承領域和GPS領域的專家在奧地利維亞納舉行了研討會，共商滾動軸承公差體系和新一代GPS體系的協調問題，從此拉開了新一代GPS在滾動軸承領域應用的序幕[3]。ISO 1101,ISO 14405-1,ISO/TS 17863等標準一起構成了滾動軸承公差體系與新一代GPS體系并軌的基石，并在隨后幾年得到不斷更新[4-6]。

2014年7月，ISO 199:2014 Rolling bearings-thrust bearings-geometrical product specification (GPS) and tolerance values和ISO 492:2014 Rolling bearings-radial bearings-geometrical product specifications (GPS) and tolerance values發布，標志著新一代GPS開始正式應用于滾動軸承公差體系。目前，ISO/TC 4歸口涉及公差的標準有22項，其中8項已采用了新一代GPS，另有6項修訂中的標準也將采用新一代GPS。

2018年5月1日，等同采用國際標準的GB/T 307.1—2017《滾動軸承 向心軸承 產品幾何技術規范(GPS)和公差值》和GB/T 307.4—2017《滾動軸承 推力軸承 產品幾何技術規范(GPS)和公差值》正式實施。目前，正在修訂的GB/T 305《滾動軸承 外圈上的止動槽和止動環 尺寸、產品幾何技術規范(GPS)和公差值》和GB/T 12764《滾動軸承 無內圈沖壓外圈滾針軸承 外形尺寸、產品幾何技術規范(GPS)和公差值》也將采用新一代GPS。

2 在滾動軸承行業應用新一代GPS的益處

2.1 消除公差標注的歧義

新一代GPS公差標注相比傳統公差標注更為清晰、準確，從而最大限度地消除了公差標注的歧義。僅以軸承尺寸公差為例予以說明。

角接觸球軸承內圈單一寬度偏差ΔBs的標注(傳統標注)如圖1所示，其最大的問題在于未考慮套圈的非對稱結構。目前廣泛使用的ΔBs測量方法如圖2所示，其在測量時無法將套圈端面的非對稱區域考慮在內，故可能出現測量結果合格，卻無法保證內圈端面與軸肩接觸性質的情況。而新一代GPS體系可以較好地解決這一問題。

圖1 角接觸球軸承ΔBs的標注(傳統標注)Fig.1 Indication(traditional indication) of ΔBs for angular contact ball bearing

圖2 角接觸球軸承ΔBs的測量方法Fig.2 Testing method of ΔBs for angular contact ball bearing

圖3 角接觸球軸承ΔBs的標注(GPS標注)Fig.3 Indication(GPS indication) of ΔBs for angular contact ball bearing

圖4 角接觸球軸承內圈寬度最小外接尺寸的示意圖Fig.4 Diagram of minimum circumscribed size for inner ring width of angular contact ball bearing

圖5 撓曲內圈寬度的最小外接尺寸Fig.5 Minimum circumscribed size for width of bent inner ring

圖6 局部尺寸Fig.6 Local size

2.2 有利于實現數字化制造

傳統幾何技術規范基于幾何學，已不能支持CAD，CAM，CAQ，CAT等數字技術的快速發展。新一代GPS實現了幾何學到計量學的飛躍，使設計、生產和檢驗基于同一技術平臺，可提升產品質量，降低生產成本，保證交貨周期，提高客戶滿意度。

2.3 國際通用的技術語言

就傳統軸承公差標注而言，軸承用戶必須查閱軸承專用公差標準后才能理解。且傳統軸承公差規范多以文字形式進行定義，在涉及國際貿易時，語言障礙很可能會影響供需雙方對公差規范的理解。而軸承公差體系與新一代GPS并軌后，軸承用戶只需掌握通用的新一代GPS標準，即可理解軸承公差標注。新一代GPS是國際通用的技術語言，其必將為各國、各行業之間的技術交流帶來便利。

3 在我國滾動軸承行業推廣應用新一代GPS的必要性

新一代GPS體系已較為完備，且具有巨大的優越性。無論是為追趕國外先進企業，還是出于我國企業自身需求，在我國滾動軸承行業推廣應用新一代GPS都十分必要。

國外先進企業在新一代GPS的應用上已領先我國企業。舍弗勒公司和斯凱孚公司作為在ISO滾動軸承標準體系中采用新一代GPS的推動者，對新一代GPS理論和應用都理解得較為透徹，舍弗勒公司已在其公開發行的《精密軸承樣本(2016)》和《外球面球軸承單元樣本(2017)》中納入了新一代GPS。日本軸承行業對新一代GPS跟進也很迅速，日本國家標準JIS B 1514-1:2017[8]和JIS B 1514-2:2017[9]已發布實施；日本光洋(KOYO)也在其產品樣本中納入了新一代GPS。

就我國軸承企業自身需求來看，應用新一代GPS也勢在必行。一方面，隨著SAC/TC 240不斷將新一代GPS國際標準轉為我國國家標準，越來越多的主機廠將會采用新一代GPS體系，軸承企業只有緊跟新一代GPS體系，才能有更好發展；另一方面，我國軸承企業需要以應用新一代GPS為契機，全面提升設計、生產和檢驗的數字化、精細化水平，實現對國外先進企業的彎道超車。

4 結束語

由于滾動軸承公差的特殊性，其沒有采用第一代GPS體系；而現在要跨過第一代GPS，直接融入新一代GPS體系，這實際上是要一次實現“采用GPS”和“采用新一代GPS”這兩大跨越，對于整個軸承行業來說都是一個巨大的挑戰。為加快新一代GPS在我國軸承行業的推廣應用，應做好以下兩方面的工作：

1)繼續完善我國的新一代GPS基礎標準體系。目前ISO/TC 213標準修訂頻繁，新制定標準也很多，我國標準轉化速度難以跟上，且對一些基礎理論理解不夠深刻。例如，ISO 1101近年來歷經了2004年版、2012年版和2017年版，但我國現行的GB/T 1182—2008等同采用的仍是2004年版的ISO 1101(目前GB/T 1182正在修訂，將直接采用2017年版的ISO 1101)。只有基礎標準及時更新，國內主機企業廣泛應用了新一代GPS，才能推動我國軸承行業加快應用新一代GPS。

2)加強對新一代GPS標準的宣貫力度。全國滾動軸承標準化技術委員會(SAC/TC98)要繼續積極宣貫GB/T 307.1和GB/T 307.4等標準，各大專院校也應及時向學生教授最新的GPS知識。