DCC在某舰炮炮闩撞击精度设计中的应用

李耀东，王卫，汪永忠，张建斌，常海涛

（1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.重庆诚智鹏科技有限责任公司，重庆 400015）

0 引言

舰炮炮闩撞击精度会直接影响到击发的成功率，是舰炮精度设计中重要的性能控制指标。在实际生产中，由于零部件的加工误差不可避免，且这些误差会在产品装配中累积，从而对舰炮的最终质量性能造成影响。因此，提升精度设计的质量对舰炮性能质量保障意义重大[1]。同时，在舰炮设计过程中对装配精度进行校核分析，可以在设计阶段提前暴露尺寸公差引起的装备质量性能隐患，并指导相关的精度设计[2]。另外，舰炮的结构复杂、设计精度高、零件数量多、加工周期长；具有长身管、弹药运动路径长、中间转换机构多、双丝杆并行驱动机构精度要求高等特点。而传统的手工计算存在局限性[3]，无法计算像柔性体、传动侧隙回空、空间形位公差等问题。当前，利用计算机辅助技术进行精度设计已经成为国内外研究的重点和热门技术之一[4-5]，计算机辅助精度设计软件在精度设计中的应用已经成为趋势。本文将通过某型舰炮炮闩撞击精度设计案例，探讨计算机辅助精度设计软件DCC在舰炮精度设计中的应用。

1 尺寸链的分析方法

尺寸链是由产品技术规范或零件工艺要求决定的某一尺寸和对该尺寸有直接影响的全部尺寸，形成的封闭尺寸组[6]。

1.1 尺寸链的建模

运用尺寸链对质量性能目标进行分析，首先要建立尺寸链模型，具体方法如下：

1）确定该尺寸链的封闭环。对装配尺寸链来说，产品的设计要求或性能目标为封闭环[7]。对于工艺尺寸链来说，封闭环是加工过程完成之后间接获得的尺寸[8]。

2）查找组成环，根据设备的各个零部件之间的尺寸和装配工艺关系，找出对封闭环有直接影响的所有尺寸和形位误差，就是尺寸链的组成环。

3）从封闭环的一端开始用带箭头的线段依次连接这些组成环，即完成了尺寸链的建模。

1.2 尺寸链的计算

尺寸链的计算主要分为公差分配（设计计算）、公差分析（验证计算）两大类[9]。

1）公差分配是指根据封闭环的允许尺寸偏差，求解尺寸链各组成环的尺寸及允许偏差的过程，也称为反计算[10]，是产品精度设计中的常用手段。运用公差分配进行精度设计过程中有时候也会用到中间计算，即根据封闭环和某些组成环的尺寸及偏差，求解某一组成环的尺寸和允许偏差。

2）公差分析也是精度设计过程中的重要方法，用来验算当前精度设计的合理性。公差分析也称为正计算，是根据各组成环的尺寸和偏差，求解封闭环的尺寸和偏差的过程。

1.3 尺寸链的解算方法

尺寸链的解算方法主要有：极值法（完全互换法）、概率法（大数互换法）、分组互换法、修配法和调整法。随着机床精度的提高及企业对后期维护和互换性的要求越来越高，目前在进行尺寸链计算时大多采用极值法[11]和概率法；分组互换法、修配法和调整法只在当前加工精度无法保障的情况下会使用。同时随着信息技术的应用，基于蒙特卡洛的仿真分析被应用到计算机辅助精度设计中。本文主要介绍极值法、概率法、蒙特卡洛仿真法的解算方法。

1.3.1 极值法计算

极值法也被称为完全互换法，该方法根据各组成环的极限尺寸进行计算，而不考虑各组成环实际尺寸的分布情况[12]。即当增环均为最大极限尺寸，减环均为最小极限尺寸时，求解得到封闭环最大极限尺寸；当增环均为最小极限尺寸，减环均为最大极限尺寸时，求解得到封闭环最小极限尺寸，基本公式如下。

闭环基本尺寸为

式中：ξ为组成环传递系数；下角标“0”表示闭环；“i”为组成环序号；ES为上偏差；EI为下偏差；1～n为增环；n+1～m为减环。

1.3.2 概率法计算

概率法计算是将各组成环的实际尺寸看作是随机变量，并且假设这些变量服从某种确定的分布规律。比如在大批量且工艺过程稳定的生产中，实际尺寸往往出现在公差带中间的概率较大，出现在极限尺寸附近的概率较小，实际尺寸呈现接近于正态分布的状况。概率法根据某一给定的置信概率互换要求，求得封闭环尺寸的分布情况（公差）[13]。在封闭环公差不变的情况下，通过概率法计算的各组成环公差会被放大，因而具有明显的技术经济性。同时由于该方法只能满足给定置信概率的互换要求，不能保证完全互换，所以也被称为大数互换[14]。

在零件加工中，根据实际尺寸分布情况的不同，通常运用相对分布系数k表示尺寸分布的分散情况；用相对不对称系数e表示分布的不对称程度。比较典型的分布状态如表1所示。

表1 尺寸分布曲线与e、k值

式中：ES0为上极限偏差；EI0为下极限偏差。

1.3.3 蒙特卡洛仿真法

蒙特卡洛仿真法和概率法一样，都基于概率统计理论。概率法是基于各零件尺寸服从某个理想的分布状态的假定进行求解，而实际上由于机床、加工环境、人员素质等因素，实际的分布情况往往会存在一定的偏差，这将使得概率法对公差的预测结果与实际结果并不相符[15]。蒙特卡洛仿真法是采用随机模拟和统计实验的方法，将各组成环的尺寸当作一个随机变量来处理，这样就将求解封闭环尺寸公差问题转化为统计随机变量的求解问题来处理。利用蒙特卡洛仿真法随机数发生器得到随机值，是更接近于实际生产数据的概率统计方法，因而更具有统计学的意义，根据此方法求解的封闭环公差会更趋近于实际的生产装配情况。本文中所采用的DCC尺寸链计算及公差分析软件还支持将实际加工数据作为随机变量，得到更接近生产实际的分析结果。

2 计算机辅助公差软件在舰炮击发可靠性中的应用

舰炮炮闩撞击精度是舰炮正常击发的关键。由于装配误差累积，炮闩击针的突出量会存在偏差。当炮弹底火相对于弹底的凹陷深度过大，就可能导致击针无法接触底火，击发失败。本文已知击针突出量误差在（1.25±0.1）mm，求解炮弹可以100%击发的底火允许极限深度。

炮弹装载后的结构如图1所示。

图1 炮弹击发状态结构简图

舰炮击发时，炮闩闭锁面与炮箱闭锁面贴合，炮弹与弹膛贴合，同时炮闩弹底窝抽壳机构抓住炮弹底部凹槽部位。要保证炮弹100%击发，则必须保证当炮弹底部与击针距离最远时，击针可以正常压入底火触发引爆。即底火极限凹陷深度须小于击针与弹底的最小过盈距离（注：此处不考虑击针压入底火的距离要求）。因此，可以根据击发状态击针与弹底的最小过盈距离来求解底火的允许极限深度。

由局部放大结构（如图2）可知，当炮弹底部台阶面和炮闩弹底窝抽壳机构端面接触时，炮弹底部距离击针最远。

计算步骤如下：

1）确定封闭环。本案例中要求解保证100%击发，炮弹底火的允许极限深度以击发时弹底与击针的最小过盈量为参考，极限深度须小于最小过盈量。所以本案例中以击发时弹底与击针的最小过盈量为封闭环，假设为X。

2）确定各组成环。如图2所示，当炮弹底部台阶面和炮闩弹底窝抽壳机构端面接触时，由抽壳机构槽宽C、炮弹底部台阶高度A、击针突出量B与封闭环构成一个封闭的尺寸链。其中A、B、C为尺寸链的组成环，各组成环的尺寸参数如表2所示。

图2 局部放大结构简图

表2 各组成环尺寸参数

3）尺寸链建模。根据各组成环和封闭环的装配关系，从封闭环的一端按顺序依次绘制各组成环形成封闭尺寸链如图3所示。其中M1为炮弹底部凸台端面跳动。

图3 尺寸链图

4）计算结果。极值法计算弹底与击针的最小过盈量为0.16 mm，各组成环增减性和传递系数及贡献率如图4所示。概率法计算弹底与击针的最小过盈量为0.33 mm，（取置信概率99.73%）。各组成环增减性和传递系数及贡献率如图5所示。

图4 极值法计算结果

图5 概率法计算结果

蒙特卡洛仿真法计算弹底与击针的最小过盈量为0.28 mm，所以底火极限深度不能超过0.28 mm（取抽样5000次），如图6所示。

图6 蒙特卡洛仿真法计算结果

5）结果分析。根据各种计算方法的特点，对弹底与击针的最小过盈量进行了计算，获得了不同的计算结果。本文案例是要确保100%的击发，所以炮弹底火极限深度应该取极值法计算结果为参考，即底火极限深度不能超过0.16 mm。

3 结语

在设计阶段通过尺寸链计算及公差分析对装配精度进行校核，可以大幅消除公差累积引起的质量性能隐患，避免失效、运行不顺畅等质量问题，提高舰炮的可靠性。本文介绍了尺寸链计算的规范和计算方法，并针对传统手工计算效率低、局限大、形位公差处理易出错等问题。运用计算机辅助精度设计软件DCC代替手工对某型号舰炮的炮闩撞击精度设计进行校核分析。综合运用极值法、概率法、蒙特卡洛仿真法三种方法，得出了保证舰炮正常击发的底火极限深度，计算准确性和效率大幅提高。特别是形位公差的智能化处理，解决了形位公差种类多、标准复杂、与测量关联性大导致的分析不准确问题。总之，计算机辅助精度设计可以大幅提升精度设计的能级、效率及准确性。在设计阶段推广应用计算机辅助精度设计软件对保障舰炮精度设计的可靠性至关重要。