軸承組件配合間隙的數字化公差分析

趙艷平，魏康，談蕊

(洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009)

1 前言

隨著光電系統綜合技術的不斷發展，高精度穩瞄技術和傳動系統已成為現階段發展的必然趨勢，為保證光電系統準確地捕獲、瞄準和跟蹤目標，對光電系統的回轉軸系提出了很高的指標要求，軸系精度的高低取決于軸承、軸系結構形式及裝配精度。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構形式，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，此軸系回轉精度要求角偏回轉誤差不大于10″，徑向回轉誤差不大于0.01 mm。為保證軸系的精度及便于拆卸，軸承組件設計時要求嚴格控制軸承內圈與軸承內座、軸承外圈與軸承外座的配合間隙，而根據傳統的尺寸鏈計算只能計算出尺寸公差對配合間隙的影響情況，無法計算出尺寸公差和形位公差對配合間隙的綜合影響，可以運用數字化公差分析軟件EM-Tolmate對軸承組件進行公差分析，達到合理分配軸承內、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結構設計

軸承組件2的結構如圖2所示，主要由角接觸球軸承、軸承內座、軸承外座、軸承內壓圈、軸承外壓圈及內、外壓圈連接螺釘組成。其裝配精度要求：內圈與軸承內座、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—內壓圈連接螺釘；4—軸承內座；5—軸承內壓圈；6—角接觸球軸承；7—外壓圈連接螺釘

圖3 軸承內座零件圖

圖4 軸承外座零件圖

對軸承組件2的結構進行簡化，只保留對配合間隙有影響的內座、軸承和外座3個零件，簡化后的結構如圖5所示。

圖5 簡化后模型

3 配合間隙的數字化公差分析

數字化公差分析可以創建一個三維數字模型來對制造過程進行仿真。該數字模型包括對幾何圖形、產品公差、裝配、過程偏差(順序、裝配附件的定義、工裝)和測量結果的綜合描述。在制造物理零件或實際加工之前，該模型被用于預測是否會有裝配建造問題。該模型還可以識別造成建造問題的根本原因，在產品開發過程的早期對設計、公差以及裝配過程進行優化[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、公差以及裝配關系，并將尺寸鏈中的關注環節定義成測量，然后運行蒙特卡洛仿真，并生成仿真結果報告，從報告中可以看出裝配合格率以及各個特征公差(尺寸公差和形位公差)對裝配結果的貢獻百分比；根據仿真結果可以優化特征公差，即對特征公差進行修正，并重新運行仿真程序，直到獲得滿意的結果[2]。下面對軸承組件2配合間隙進行數字化公差分析。

3.1 定義特征

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

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

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

依據圖4中軸承外座的尺寸和形位公差及其與軸承的裝配關系，軸承外座需要定義的特征為：(1)基準面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

依據軸承內座與外座原設計，對配合間隙有影響的尺寸與公差進行公差的定義。

根據軸承型號及參數，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)軸承內徑的尺寸公差定義為702 DIA +0-0.002 5;(4)軸承內徑軸線對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 定義裝配順序和測量

定義裝配操作的定義基準有面配合、中心對齊、邊界對齊等。根據裝配時定位的先后順序，定義裝配操作時，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 定義測量

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

3.5 仿真分析

設置仿真次數3 000，MEAS1仿真結果如圖9所示。從圖9可以看出，按照原設計的軸承內座各項公差，軸承內座與軸承實際的配合間隙為：-0.001 8～0.003 9 mm。圖中，2個短豎線范圍為配合間隙目標值分布范圍；2個長豎線范圍為實際配合間隙分布范圍，長豎線均不在短豎線范圍內，則表明配合間隙均不滿足目標值要求。

圖9 MEAS1仿真結果

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

3.6 公差調整

圖10 公差調整后的MEAS1仿真結果

同理，對MEAS2進行仿真分析，調整公差，直到合理地分配零件的公差，避免了裝配時的返修。

4 結束語

通過EM-Tolmate軟件對軸承組件進行數字化公差分析，根據公差貢獻分析的結果，修改尺寸公差和形位公差即能滿足配合精度要求。應用數字化公差分配和分析能夠使工藝規劃人員在早期設計階段就全面地評估工藝協調方案，從而減少由于尺寸公差問題帶來的工程更改。