韋 聯(lián)

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

輥式矯直機(jī)是軋制件連續(xù)通過多個(gè)交錯(cuò)排列轉(zhuǎn)動(dòng)著的矯直輥，在矯直輥壓下力作用下，產(chǎn)生彈塑性變形，軋制件經(jīng)過多個(gè)矯直輥的作用后，彎曲曲率逐步減少，最終達(dá)到規(guī)定的平面度要求。在矯直過程中，分配到每一個(gè)矯直輥上的壓力約為1000 kN，一個(gè)矯直輥的壓力又通過6根支承輥共同提供，按設(shè)計(jì)計(jì)算，如果有1根支承輥與矯直輥的輥面間隙不符合要求，其它支承輥承受壓力將急劇增加，導(dǎo)致無法提供可靠矯直力，同時(shí)加速支承輥軸承失效[1]。因此，該矯直機(jī)上下輥?zhàn)b配中最核心內(nèi)容是如何通過裝配尺寸鏈計(jì)算分析，在零件制造和裝配過程中，對(duì)各組成環(huán)公差進(jìn)行有效控制，最終矯直輥與支承輥間的輥面間隙滿足設(shè)計(jì)要求。

1 尺寸鏈分析一般方法

1.1 極值法

采用極值公式進(jìn)行公差計(jì)算[2]，即：

T=T1+T2+T3+…+Tn

(1)

優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)零件完全互換，公差計(jì)算簡(jiǎn)單直接。

缺點(diǎn)：沒有考慮零件制造公差概率分布，導(dǎo)致與實(shí)際加工情況差異較大，對(duì)于組成環(huán)較多時(shí)，要保證封閉環(huán)精度要求，各組成環(huán)公差要求很高，容易造成加工成本浪費(fèi)。

1.2 均方根法

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析理論方法和實(shí)際制造驗(yàn)證，推導(dǎo)出來的公差計(jì)算公式，即：

(2)

優(yōu)點(diǎn)：考慮零件制造公差符合正態(tài)分布，使零件公差計(jì)算更符合實(shí)際制造情況，一定程度上反映了真實(shí)制造水平。

缺點(diǎn)：不適應(yīng)非線性裝配尺寸鏈分析，同時(shí)只適用于滿足公差符合正態(tài)分布情況，對(duì)于其它分布不適用。

1.3 蒙特卡洛模擬法

蒙特卡羅模擬方法[3]是將誤差統(tǒng)計(jì)與合成思想綜合運(yùn)用于裝配公差分析?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況自定義各組成環(huán)的偏差分布模型，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)隨機(jī)試驗(yàn)抽取指定數(shù)量的零件樣本進(jìn)行模擬裝配，最后通過對(duì)裝配后定義的測(cè)量目標(biāo)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到測(cè)量目標(biāo)值的分布柱狀圖。

相對(duì)于極值法和均方根法，蒙特卡洛模擬法能夠?qū)θ我恢付ǖ墓罘植歼M(jìn)行分析，由于采用基于三維公差模型的抽樣仿真分析，很好地對(duì)三維尺寸鏈、非線性尺寸鏈進(jìn)行公差分析，因此，理論上是研究復(fù)雜裝配公差分析的理想方法。

2 矯直機(jī)下輥?zhàn)b配尺寸鏈

2.1 下輥?zhàn)考Y(jié)構(gòu)

下輥?zhàn)?見圖1)由輥?zhàn)?、矯直輥系、支承輥系組成，支承輥系包括24根支承輥組成。矯直輥系包括6根矯直輥組成。

2.2 下輥?zhàn)b配技術(shù)要求

下輥?zhàn)b配中，最主要的是支承輥和矯直輥輥面間隙精度，要求不大于0.05 mm，該封閉環(huán)相關(guān)組成環(huán)尺寸鏈環(huán)主要包括：

(1)下輥?zhàn)c支承輥軸承座把合面的平面度公差；

(2)支承輥軸承座軸承孔中心距；

(3)支承輥軸承座軸承孔中心高；

(4)支承輥軸承座底部裝配把合面平面度公差；

(5)支承輥輥面外圓直徑；

(6)矯直輥軸承座軸承孔中心距。

2.3 下輥?zhàn)鹘M成環(huán)公差值

優(yōu)化前，下輥?zhàn)考b配尺寸鏈各組成環(huán)公差初值見表1。

1—矯直輥系 2—支承輥系 3—輥?zhàn)?/p>

表1 優(yōu)化前下輥?zhàn)M成環(huán)公差值(單位：mm)

3 建立3DCS公差分析仿真模型

3DCS是基于CATIA V5三維數(shù)模平臺(tái)的產(chǎn)品裝配三維尺寸鏈仿真分析軟件，其公差分析原理是基于蒙特卡洛模擬法，通過該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件設(shè)計(jì)公差和產(chǎn)品裝配工藝過程的綜合仿真分析，最后輸出檢測(cè)目標(biāo)的公差值對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分布柱狀圖，使用6西格瑪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該統(tǒng)計(jì)分布柱狀圖進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件公差分配方案和裝配工藝過程合理性的仿真判斷，通過優(yōu)化零件公差值大小進(jìn)行反復(fù)仿真分析，最后確定滿足要求的公差設(shè)計(jì)方案和裝配工藝方案。

3.1 在3DCS中定義零件裝配

3.1.1 支承輥輥?zhàn)雍椭С休佪S承座裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進(jìn)行裝配定位，分別選擇支承輥軸承外圓面和軸承內(nèi)圈端面作為支承輥輥?zhàn)拥亩ㄎ幻孢M(jìn)行裝配。

3.1.2 矯直輥輥?zhàn)雍统C直輥軸承座裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進(jìn)行裝配定位，分別選擇矯直輥軸承外圓面和軸承內(nèi)圈端面作為矯直輥輥?zhàn)拥亩ㄎ幻孢M(jìn)行裝配。

3.1.3 支承輥輥系裝配件與輥?zhàn)b配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進(jìn)行裝配定位，分別選擇支承輥軸承座底平面和定位鍵的定位面作為定位面進(jìn)行裝配。

3.1.4 矯直輥輥系裝配件裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進(jìn)行裝配定位，分別選擇矯直輥軸承座兩側(cè)面和矯支輥軸承座底面作為定位面進(jìn)行裝配。

3.2 在3DCS中定義零件公差

3DCS公差定義包括尺寸公差定義和形位公差定義，公差定義均采用基于特征“Feature Tolerance”方式進(jìn)行定義。

3.2.1 定義尺寸公差

均使用“size only”選項(xiàng)進(jìn)行定義，尺寸公差分布設(shè)置為正態(tài)分布。

3.2.2 定義形位公差

3DCS中所有形位公差均通過兩類公差實(shí)現(xiàn)，分別為輪廓度“profile”和位置度“position”。分析中，所有平面度公差使用“profile”定義，公差分布設(shè)置為正態(tài)分布。軸承孔中心距和軸承孔中心高使用“position”定義，position中變量“Rand#1”為位置度公差大小，設(shè)置為正態(tài)分布。“Rand#2”為位置度公差方向向量，對(duì)于軸承孔中心距，該方向向量設(shè)置為水平方向；軸承孔中心高，該方向向量設(shè)置為豎直方向。

3.3 在3DCS中定義檢測(cè)目標(biāo)

通過基于特征“Feature Measure”方式定義測(cè)量目標(biāo)，分別選擇支承輥輥面和矯直輥輥面作為特征面，在間隙要求中設(shè)置公差值合格范圍為0.05 mm。

4 仿真結(jié)果及分析

下輥?zhàn)b配后，輥面間隙值仿真分析結(jié)果如圖2所示。圖2中Runs為各組成環(huán)按初定公差值及公差分布要求，總共選擇5000個(gè)模擬樣本進(jìn)行仿真。Nominal為輥面間隙理論值。Pp為過程能力指數(shù)，是實(shí)際制造能力與實(shí)際要求比值，該值越大，說明實(shí)際制造能力越強(qiáng)，越能滿足要求。圖2中該值為0.48，遠(yuǎn)小于1，說明實(shí)際能力還不足以滿足要求。LSL和USL區(qū)間為輥面間隙認(rèn)定為合格的公差范圍。-3STD和3STD區(qū)間為按初定公差要求制造零件，通過3DCS軟件對(duì)零件公差進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到輥面間隙值公差范圍。Tot-OUT%為統(tǒng)計(jì)出按5000個(gè)樣本進(jìn)行仿真分析，輥面間隙值總共超差率為26.2%。

圖2 輥面間隙值分布圖

表2 各組成環(huán)貢獻(xiàn)度

圖3 輥面間隙值分布圖

表3 優(yōu)化后組成環(huán)公差值(單位：mm)

按圖2分析，過程能力指數(shù)Pp和超差率Tot-OUT%都不滿足要求，因此考慮對(duì)原組成環(huán)初定公差值進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

5 公差優(yōu)化改進(jìn)

各組成環(huán)貢獻(xiàn)度見表2。通過表2可知，對(duì)輥面間隙值的大小影響最大的是支承輥軸承孔中心高，貢獻(xiàn)度為44.59%，其次為矯直輥軸承孔中心距和下輥?zhàn)S承座把和面平面度，貢獻(xiàn)度分別為18.26%和16.05%?？紤]首先將上述組成環(huán)公差值減小，提高其制造精度，經(jīng)過多次對(duì)組成環(huán)公差精度進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行仿真計(jì)算，最后得到滿足要求的公差分布圖，如圖3。由圖可以看出，總超差率Tot-OUT%為0，過程能力指數(shù)Pp為1.05，大于1，基本滿足一次裝配即合格的要求，避免反復(fù)多次對(duì)零件進(jìn)行分組和修配。優(yōu)化后各組成環(huán)制造公差要求如表3所示。

6 結(jié)語

(1)使用3DCS軟件對(duì)下輥?zhàn)b配的輥面間隙進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示輥面間隙總超差率為26.2%，與實(shí)際情況基本相符。

(2)通過仿真，得到各組成環(huán)公差對(duì)輥面間隙值大小影響的貢獻(xiàn)度分布圖，依據(jù)貢獻(xiàn)度大小，有針對(duì)性地對(duì)各組成環(huán)公差調(diào)整，經(jīng)過多次仿真，得到輥面間隙超差率為零對(duì)應(yīng)的公差設(shè)計(jì)方案，按該公差方案進(jìn)行制造，能滿足一次裝配即合格的要求。

(3)在仿真分析中，未考慮軸承游隙對(duì)最終裝配精度影響，關(guān)于該組成環(huán)的影響，可以在支承輥部件與輥?zhàn)b配時(shí)，對(duì)支承輥軸承座進(jìn)行前、后竄動(dòng)來調(diào)整輥面間隙滿足要求[4]。由于只有這一個(gè)組成環(huán)存在變化性，相對(duì)來說最后裝配時(shí)修配難度和工作量將大大降低。

(4)可以將3DCS公差仿真分析方法推廣應(yīng)用于其它大型高精度非標(biāo)產(chǎn)品公差分析，使三維復(fù)雜裝配尺寸鏈、非線性裝配尺寸鏈的前期理論分析計(jì)算成為可能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)該類產(chǎn)品制造前期的公差方案虛擬評(píng)估和優(yōu)化，減少制造過程中出現(xiàn)問題可能性，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和成本合理把控。