新一代產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范及其在我國(guó)軸承行業(yè)推廣應(yīng)用的必要性

杜曉宇，鈔仲凱，張旭，張博文

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；4.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specification，GPS)是重要的基礎(chǔ)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用涉及機(jī)械、電子、儀器、汽車、家電、航空、航天等諸多領(lǐng)域。20世紀(jì)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(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，或稱為第一代GPS，其特點(diǎn)是概念簡(jiǎn)單易懂，但不能適應(yīng)制造業(yè)信息化生產(chǎn)的發(fā)展和CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAQ(計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理)、CAT(計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試)等的實(shí)用化進(jìn)程[1-2]。而基于計(jì)量學(xué)的新一代GPS是面向21世紀(jì)的技術(shù)語(yǔ)言，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)信息化生產(chǎn)的重要保障，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視。

由于第一代GPS的局限性，其沒有應(yīng)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(guó)軸承行業(yè)推廣應(yīng)用新一代GPS十分必要。

1 新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 新一代GPS基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1996年組建了ISO/TC 213“尺寸規(guī)范和幾何產(chǎn)品規(guī)范及檢驗(yàn)技術(shù)委員會(huì)”，開展對(duì)新一代GPS的研究和標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)145項(xiàng)，在研標(biāo)準(zhǔn)21項(xiàng)，P成員國(guó)(積極成員國(guó))25個(gè)，O成員國(guó)(觀察員國(guó))28個(gè)。

我國(guó)于1999年組建了與ISO/TC 213對(duì)口的SAC/TC 240“全國(guó)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”，負(fù)責(zé)跟蹤研究新一代GPS體系的基礎(chǔ)理論及重要標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)將有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。截至2018年7月，SAC/TC 240現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)127項(xiàng)。

根據(jù)ISO 14638:2015 Geometrical product specifications (GPS)-matrix model，新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)體系包括尺寸、距離、形狀、方向、位置、跳動(dòng)、輪廓表面組織、區(qū)域表面組織和表面缺陷9個(gè)方面的內(nèi)容，且每一方面還涵蓋符號(hào)和標(biāo)注、特性要求、特性特征、一致性、測(cè)試、測(cè)試設(shè)備和校準(zhǔn)等內(nèi)容。

目前，我國(guó)新一代GPS基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系已基本完善，但仍存在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化速度較慢，對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)理解不夠透徹，以及未能充分推廣應(yīng)用等問題。

1.2 滾動(dòng)軸承專用GPS標(biāo)準(zhǔn)

2008年9月，滾動(dòng)軸承領(lǐng)域和GPS領(lǐng)域的專家在奧地利維亞納舉行了研討會(huì)，共商滾動(dòng)軸承公差體系和新一代GPS體系的協(xié)調(diào)問題，從此拉開了新一代GPS在滾動(dòng)軸承領(lǐng)域應(yīng)用的序幕[3]。ISO 1101,ISO 14405-1,ISO/TS 17863等標(biāo)準(zhǔn)一起構(gòu)成了滾動(dòng)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(fā)布，標(biāo)志著新一代GPS開始正式應(yīng)用于滾動(dòng)軸承公差體系。目前，ISO/TC 4歸口涉及公差的標(biāo)準(zhǔn)有22項(xiàng)，其中8項(xiàng)已采用了新一代GPS，另有6項(xiàng)修訂中的標(biāo)準(zhǔn)也將采用新一代GPS。

2018年5月1日，等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 307.1—2017《滾動(dòng)軸承 向心軸承 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)和公差值》和GB/T 307.4—2017《滾動(dòng)軸承 推力軸承 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)和公差值》正式實(shí)施。目前，正在修訂的GB/T 305《滾動(dòng)軸承 外圈上的止動(dòng)槽和止動(dòng)環(huán) 尺寸、產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)和公差值》和GB/T 12764《滾動(dòng)軸承 無(wú)內(nèi)圈沖壓外圈滾針軸承 外形尺寸、產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)和公差值》也將采用新一代GPS。

2 在滾動(dòng)軸承行業(yè)應(yīng)用新一代GPS的益處

2.1 消除公差標(biāo)注的歧義

新一代GPS公差標(biāo)注相比傳統(tǒng)公差標(biāo)注更為清晰、準(zhǔn)確，從而最大限度地消除了公差標(biāo)注的歧義。僅以軸承尺寸公差為例予以說(shuō)明。

角接觸球軸承內(nèi)圈單一寬度偏差ΔBs的標(biāo)注(傳統(tǒng)標(biāo)注)如圖1所示，其最大的問題在于未考慮套圈的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。目前廣泛使用的ΔBs測(cè)量方法如圖2所示，其在測(cè)量時(shí)無(wú)法將套圈端面的非對(duì)稱區(qū)域考慮在內(nèi)，故可能出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果合格，卻無(wú)法保證內(nèi)圈端面與軸肩接觸性質(zhì)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(biāo)注(傳統(tǒng)標(biāo)注)Fig.1 Indication(traditional indication) of ΔBs for angular contact ball bearing

圖2 角接觸球軸承ΔBs的測(cè)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(biāo)注(GPS標(biāo)注)Fig.3 Indication(GPS indication) of ΔBs for angular contact ball bearing

圖4 角接觸球軸承內(nèi)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(nèi)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造

傳統(tǒng)幾何技術(shù)規(guī)范基于幾何學(xué)，已不能支持CAD，CAM，CAQ，CAT等數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展。新一代GPS實(shí)現(xiàn)了幾何學(xué)到計(jì)量學(xué)的飛躍，使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)基于同一技術(shù)平臺(tái)，可提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保證交貨周期，提高客戶滿意度。

2.3 國(guó)際通用的技術(shù)語(yǔ)言

就傳統(tǒng)軸承公差標(biāo)注而言，軸承用戶必須查閱軸承專用公差標(biāo)準(zhǔn)后才能理解。且傳統(tǒng)軸承公差規(guī)范多以文字形式進(jìn)行定義，在涉及國(guó)際貿(mào)易時(shí)，語(yǔ)言障礙很可能會(huì)影響供需雙方對(duì)公差規(guī)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(biāo)準(zhǔn)，即可理解軸承公差標(biāo)注。新一代GPS是國(guó)際通用的技術(shù)語(yǔ)言，其必將為各國(guó)、各行業(yè)之間的技術(shù)交流帶來(lái)便利。

3 在我國(guó)滾動(dòng)軸承行業(yè)推廣應(yīng)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(yōu)越性。無(wú)論是為追趕國(guó)外先進(jìn)企業(yè)，還是出于我國(guó)企業(yè)自身需求，在我國(guó)滾動(dòng)軸承行業(yè)推廣應(yīng)用新一代GPS都十分必要。

國(guó)外先進(jìn)企業(yè)在新一代GPS的應(yīng)用上已領(lǐng)先我國(guó)企業(yè)。舍弗勒公司和斯凱孚公司作為在ISO滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)體系中采用新一代GPS的推動(dòng)者，對(duì)新一代GPS理論和應(yīng)用都理解得較為透徹，舍弗勒公司已在其公開發(fā)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(yè)對(duì)新一代GPS跟進(jìn)也很迅速，日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1514-1:2017[8]和JIS B 1514-2:2017[9]已發(fā)布實(shí)施；日本光洋(KOYO)也在其產(chǎn)品樣本中納入了新一代GPS。

就我國(guó)軸承企業(yè)自身需求來(lái)看，應(yīng)用新一代GPS也勢(shì)在必行。一方面，隨著SAC/TC 240不斷將新一代GPS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越多的主機(jī)廠將會(huì)采用新一代GPS體系，軸承企業(yè)只有緊跟新一代GPS體系，才能有更好發(fā)展；另一方面，我國(guó)軸承企業(yè)需要以應(yīng)用新一代GPS為契機(jī)，全面提升設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)的數(shù)字化、精細(xì)化水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的彎道超車。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于滾動(dòng)軸承公差的特殊性，其沒有采用第一代GPS體系；而現(xiàn)在要跨過第一代GPS，直接融入新一代GPS體系，這實(shí)際上是要一次實(shí)現(xiàn)“采用GPS”和“采用新一代GPS”這兩大跨越，對(duì)于整個(gè)軸承行業(yè)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為加快新一代GPS在我國(guó)軸承行業(yè)的推廣應(yīng)用，應(yīng)做好以下兩方面的工作：

1)繼續(xù)完善我國(guó)的新一代GPS基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前ISO/TC 213標(biāo)準(zhǔn)修訂頻繁，新制定標(biāo)準(zhǔn)也很多，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化速度難以跟上，且對(duì)一些基礎(chǔ)理論理解不夠深刻。例如，ISO 1101近年來(lái)歷經(jīng)了2004年版、2012年版和2017年版，但我國(guó)現(xiàn)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(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)更新，國(guó)內(nèi)主機(jī)企業(yè)廣泛應(yīng)用了新一代GPS，才能推動(dòng)我國(guó)軸承行業(yè)加快應(yīng)用新一代GPS。

2)加強(qiáng)對(duì)新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)的宣貫力度。全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC98)要繼續(xù)積極宣貫GB/T 307.1和GB/T 307.4等標(biāo)準(zhǔn)，各大專院校也應(yīng)及時(shí)向?qū)W生教授最新的GPS知識(shí)。