基于3DCS的矯直機裝配公差仿真及優(yōu)化

韋 聯(lián)

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

輥式矯直機是軋制件連續(xù)通過多個交錯排列轉(zhuǎn)動著的矯直輥，在矯直輥壓下力作用下，產(chǎn)生彈塑性變形，軋制件經(jīng)過多個矯直輥的作用后，彎曲曲率逐步減少，最終達到規(guī)定的平面度要求。在矯直過程中，分配到每一個矯直輥上的壓力約為1000 kN，一個矯直輥的壓力又通過6根支承輥共同提供，按設(shè)計計算，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，同時加速支承輥軸承失效[1]。因此，該矯直機上下輥座裝配中最核心內(nèi)容是如何通過裝配尺寸鏈計算分析，在零件制造和裝配過程中，對各組成環(huán)公差進行有效控制，最終矯直輥與支承輥間的輥面間隙滿足設(shè)計要求。

1 尺寸鏈分析一般方法

1.1 極值法

采用極值公式進行公差計算[2]，即：

T=T1+T2+T3+…+Tn

(1)

優(yōu)點：能實現(xiàn)零件完全互換，公差計算簡單直接。

缺點：沒有考慮零件制造公差概率分布，導(dǎo)致與實際加工情況差異較大，對于組成環(huán)較多時，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。

1.2 均方根法

采用數(shù)理統(tǒng)計分析理論方法和實際制造驗證，推導(dǎo)出來的公差計算公式，即：

(2)

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

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

1.3 蒙特卡洛模擬法

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

相對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，很好地對三維尺寸鏈、非線性尺寸鏈進行公差分析，因此，理論上是研究復(fù)雜裝配公差分析的理想方法。

2 矯直機下輥座裝配尺寸鏈

2.1 下輥座部件結(jié)構(gòu)

下輥座(見圖1)由輥座、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 下輥座裝配技術(shù)要求

下輥座裝配中，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)下輥座與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 下輥座各組成環(huán)公差值

優(yōu)化前，下輥座部件裝配尺寸鏈各組成環(huán)公差初值見表1。

1—矯直輥系 2—支承輥系 3—輥座

表1 優(yōu)化前下輥座組成環(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，通過該軟件可以實現(xiàn)對零件設(shè)計公差和產(chǎn)品裝配工藝過程的綜合仿真分析，最后輸出檢測目標的公差值對應(yīng)的統(tǒng)計分布柱狀圖，使用6西格瑪標準對該統(tǒng)計分布柱狀圖進行評估，實現(xiàn)對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行反復(fù)仿真分析，最后確定滿足要求的公差設(shè)計方案和裝配工藝方案。

3.1 在3DCS中定義零件裝配

3.1.1 支承輥輥子和支承輥軸承座裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進行裝配定位，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子的定位面進行裝配。

3.1.2 矯直輥輥子和矯直輥軸承座裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進行裝配定位，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子的定位面進行裝配。

3.1.3 支承輥輥系裝配件與輥座裝配

在軟件中采用基于特征“Feature Move”方式進行裝配定位，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”方式進行定義。

3.2.1 定義尺寸公差

均使用“size only”選項進行定義，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?！癛and#2”為位置度公差方向向量，對于軸承孔中心距，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中定義檢測目標

通過基于特征“Feature Measure”方式定義測量目標，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

下輥座裝配后，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個模擬樣本進行仿真。Nominal為輥面間隙理論值。Pp為過程能力指數(shù)，是實際制造能力與實際要求比值，該值越大，說明實際制造能力越強，越能滿足要求。圖2中該值為0.48，遠小于1，說明實際能力還不足以滿足要求。LSL和USL區(qū)間為輥面間隙認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軟件對零件公差進行疊加運算，得到輥面間隙值公差范圍。Tot-OUT%為統(tǒng)計出按5000個樣本進行仿真分析，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，因此考慮對原組成環(huán)初定公差值進行調(diào)整、優(yōu)化。

5 公差優(yōu)化改進

各組成環(huán)貢獻度見表2。通過表2可知，對輥面間隙值的大小影響最大的是支承輥軸承孔中心高，貢獻度為44.59%，其次為矯直輥軸承孔中心距和下輥座軸承座把和面平面度，貢獻度分別為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)過多次對組成環(huán)公差精度進行調(diào)整并進行仿真計算，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)多次對零件進行分組和修配。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軟件對下輥座裝配的輥面間隙進行仿真分析，仿真結(jié)果顯示輥面間隙總超差率為26.2%，與實際情況基本相符。

(2)通過仿真，得到各組成環(huán)公差對輥面間隙值大小影響的貢獻度分布圖，依據(jù)貢獻度大小，有針對性地對各組成環(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應(yīng)的公差設(shè)計方案，按該公差方案進行制造，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座裝配時，對支承輥軸承座進行前、后竄動來調(diào)整輥面間隙滿足要求[4]。由于只有這一個組成環(huán)存在變化性，相對來說最后裝配時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算成為可能，進而實現(xiàn)對該類產(chǎn)品制造前期的公差方案虛擬評估和優(yōu)化，減少制造過程中出現(xiàn)問題可能性，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量和成本合理把控。