面向制造和装配的产品设计-第六部分-公差分析

DFMA面向制造和装配的产品设计公差分析 2023 ChiShui.DFMA目录公差的定义及产生公差的本质公差和成本公差分析的常见错误方法公差分析的步骤极值法与均方根法的差异公差设计的三大原则DFMA八、DFMA-公差的定义和产生公差的定义：公差就是零件尺寸所允许的偏差值，设定零件的公差即设定零件制造时尺寸允许的偏差范围。公差的产生：设计值与实测值公差是如何产生的加工制程的差异：设备/模具本身存在精度 不同批次的材料特性不同 加工条件的不同 操作员的熟练程度 模具的磨损装配制程的差异:装备设备本身存在精度 工具、夹具的制造精度DFMA八、DFMA-公差的本质公差的本质：公差是产品设计工程师和制造工程师沟通的桥梁和纽带，是保证产品以优异的质量、优良的性能和较低的成本进行制造的关键。在产品设计中，应当合理选择和设定零件和产品的公差；公差的设计既要满足产品的功能和质量要求，又要满足产品制造成本的要求。制造费用装配费用制造方法选择机器夹具检验不良率返工率定义产品规格定义产品规格精密 宽松功能性能外观可装配性设计限制稳健性设计设计意图产品质量客户满意公差公差是机械设计和制造之间的博弈和纽带DFMA八、DFMA-公差和成本公差与成本：零件公差越严格，零件制造成本就越高；但并不是公差越严格，产品的质量越高。严格的零件公差要求意味着：u更高的模具费用；u更精密的设备和仪器；u额外的加工程序；u更长的生产周期；u更高的不良率和返工率；u要求更熟练的操作员和对操作员更多的培训；u更高的原材料质量要求及其产生的费用。DFMA八、DFMA-宽松的零件公差要求设计合理的间隙：u防止零件过约束，避免对零件尺寸的不必要的公差要求，不合理的零件间隙设计会带来对零件不合理的公差要求简化产品装配关系，缩短装配尺寸链：u对于重要的装配尺寸，在产品最初设计阶段就要重点加以关注，简化产品的装配关系，避免重要装配尺寸涉及更多的零件，从而减少尺寸链中尺寸的数目，达到减少累积公差的目的，产品设计于是能够允许零件宽松的公差要求使用定位特征：u在零件的装配关系中增加可以定位的特征，例如定位柱等，定位特征能够使得零件准确的装配在产品之中，产品设计只需要对定位特征相关的尺寸公差进行制程管控，对其他尺寸就可以允许宽松的公差要求使用点或线或小平面与平面配合代替平面与平面配合：u使用点或线与平面配合的方式代替平面与平面的配合方式，避免平面的变形或者平面较高的粗糙度阻碍零件的顺利运动，从而可以对零件的平面度和粗糙度允许宽松的公差DFMA八、DFMA-公差分析公差分析：是指在满足产品功能、性能、外观和可装配性等要求的前提下，合理定义和分配零件和产品的公差，优化产品设计，以最小的成本和最高的质量制造产品。公差分析的目的：u合理设定零件和产品的公差，以降低产品制造和装配成本。u判断零件的可装配性，判断零件是否会在装配过程中发生干涉。u判断零件装配后产品关键尺寸是否满足外观、质量以及功能等要求。u预测产品不良率。u当产品的装配尺寸不符合要求时，可以通过公差分析来分析制造和装配过程中出现的问题，寻找问题的根本原因。u优化产品的设计。DFMA八、DFMA-公差分析的常见错误方法公差分析的错误方法：最常见的是遇见可靠性问题就降低公差。典型公差分析的错误做法示例：上盖底座O型圈第一步，定义O型圈压缩量的尺寸链，并把各个尺寸的正负、名义值和公差输入到公差分析Excel表格中(O型圈的压缩比为压缩量与直径的比值，通过公差分析计算出压缩量，再转化为表格中的压缩比;此处采用极值法模型进行计算和判断)第二步，由第一步的公差分析结果显示，按照极值法计算的0型圈的最小压缩量为9.09%，小于15%，说明产品存在防水失败的可能性，因此，将尺寸链中的各个尺寸公差做如下调整:尺寸A:从0.15调整为0.10;B:从0.05调整为0.03;C:从0.05调整为0.03;D:从0.15调整为0.10；E:从0.05调整为0.03;F:从0.05调整为0.03。将调整后的尺寸公差输入到公差分析Excel计算表格计算出的O型圈的最小压缩量为14.37%，依然小于15%，继续调整各尺寸公差:尺寸A:从0.10保持为0.10;B:从0.03调整为0.02;C:从0.03调整为0.02;D:从0.10保持为0.10;E:从0.03保持为0.03;F:从0.03调整为0.02。将调整后的尺寸公差输入到公差分析Excel计算表格，计算出的O型圈的最小压缩量为15.18%，大于15%，产品设计符合要求，公差分析顺利完成。DFMA八、DFMA-公差分析的常见错误方法典型公差分析的错误做法示例：前述公差分析的计算过程是正确的，但该公差分析的思路大部分是错误的，其错误之处包括:在产品详细设计完成后才开始进行公差分析：公差分析应该从产品概念设计阶段就开始，在产品概念设计阶段就应当根据产品的功能、外观和可靠性等要求判断出哪些装配尺寸是关键尺寸，并通过优化的设计方法，例如缩短尺寸链、使用定位特征等来确保关键尺寸符合要求。在产品详细设计完成之后才开始进行公差分析为时已晚，此时如果发现产品设计有不符合要求之处需要修改，但产品详细设计已经完成，再来修改设计则会浪费大量的时间和精力。没有缩短尺寸链的长度：尺寸链越长，公差累积越多，公差分析的结果越不容易满足要求。实例中的尺寸链不是最优的尺寸链，可将尺寸C、D、E合并成一个尺寸。公差的设定没有考虑零件制程能力：在公差分析中，零件尺寸的公差并不是可以随意设定和修改的，它们取决于零件制程能力。例如对于尺寸49.40，其公差0.15比较合理，普通的注射工艺即可达到该级别;但将公差调整为0.10、甚至0.05，普通的注射工艺就很难满足该级别。如果公差设定超过了零件制程能力，零件实际制造尺寸满足不了公差设定的要求，那么即使公差分析的结果满足要求，产品还是会发生失效。计算模型采用极值法：极值法存在很多缺陷，一方面是极值法与产品真实制造状况并不符合;另一方面是极值法对零部件的公差要求比较严格，产品成本高。因此，在进行公差分析时，极值法并不是一个最好的计算模型，除非在对产品品质要求非常高、零缺陷的场合。美、日、公制O型圈线径公差表AS568AJIS B2401(P系列)公制1.780.081.90.0710.070.071.5，20.082.620.082.73.530.103.50.102.5，30.090.1540.105.330.135.76.990.158.40.1550.13DFMA八、DFMA-公差分析的常见错误方法典型公差分析的错误做法示例：该示例公差分析的计算过程是正确的，但该公差分析的思路大部分是错误的，其错误之处包括:公差的设定没有考虑到成本：即使设定的公差在零件制程能力之内，但严格的公差要求高精度的设备和治具、要求严格的制程管控，同时会造成零件不良率上升，继而造成产品成本增加。从产品成本角度来说，公差的设定必须考虑到产品成本，越宽松越好。当公差分析结果不满足要求时，没有通过优化设计的方法，而是通过提高零件尺寸精度要求的方法：如缩短尺寸链、使用定位特征、调整尺寸值等。对尺寸公差没有进行二维图标注：尺寸链中的各个尺寸公差都需要进行管控，必须在二维图中进行标注。对尺寸公差没有进行制程管控：尺寸链中的公差设定是假设零件制造时的尺寸差异，只有当零件实际制造情况与公差设定一致时，公差分析的结果才可能与真实产品装配后的情况一致，所以必须对尺寸链中的每一个尺寸公差进行制程管控。如果不进行制程管控，零件实际制造时的公差大于尺寸链中的设定公差，则可能会导致产品在以后的测试或使用过程中出现功能、质量和可靠性等问题。零件制造后，没有利用真实的零件制程能力来验证设计阶段的公差分析：公差分析的过程是一个模拟和假设的过程，当零件制造后，需要通过真实的零件制程能力来进行验证，确保公差分析的结果与实际一致。制造工艺能力公差分析中的公差设定二维图零件公差标注零件尺寸制程管控DFMA八、DFMA-公差分析的步骤定义公差分析的管夹尺寸及其公差：定义尺寸链：判断尺寸链中尺寸的正负：u零件的装配间隙u外观零件的配合间隙u零件之间的功能、性能和可靠性等配合尺寸u尺寸链，是指在产品的装配关系中，由互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组；u尺寸链两大特点:一是封闭性，尺寸链是由多个尺寸首尾相连的;二是关联性，组成尺寸链的每个尺寸都与目标尺寸有关联，尺寸链中每个尺寸的精度会影响到目标尺寸的精度；u如果公差分析计算出的目标尺寸名义值与设计值不相等，则说明尺寸定义错误X是目标尺寸，A、B、C、D、E和X组成目标尺寸的尺寸链uX是目标尺寸，A、B、C、D、E和X组成目标尺寸的尺寸链；u使用“箭头法”确定尺寸的正负：从目标尺寸的任一端开始起画单向箭头，顺着整个尺寸链一直画下去，包括目标尺寸，直到最后一个形成闭合回路，然后按照箭头方向进行判断，凡是箭头方向与目标尺寸箭头同向的尺寸为负(-)，反的为正(+)；u如右图所示，从目标尺寸X的一端开始画单向箭头，B、C、D、E与X同向，为“-”；A与X相反，为“+”。DFMA八、DFMA-公差分析的步骤将非双向对称公差转换为双向对称公差：公差分析的计算：极值法示例，计算目标尺寸X的名义值和公差尺寸尺寸和公差X的尺寸和公差A54.000.20X=0.500.65B12.000.10C13.000.10D16.000.15E12.500.10u极值法：X的名义值DX=DA+DB+DC+DE =54.00+(-12.00)+(-13.00)+(-16.00)+(-12.50)=0.50X的公差TX=TA+TB+TC+TD+TE =0.20+0.10+0.10+0.15+0.10 =0.65均方根法示例，计算目标尺寸X的名义值和公差尺寸尺寸和公差X的尺寸和公差A54.000.20X=0.500.30B12.000.10C13.000.10D16.000.15E12.500.10DFMA八、DFMA-极值法与均方根法的差异极值法与均方根法的差异：计算方法极值法均方根法模型差异对计算模型的假设不同所有尺寸都在公差范围内1、尺寸链中的各个零件尺寸呈正态分布；2、尺寸正态分布没有偏差，即测试数据中心值与设计值一致；3、制程能力满足Cpk1.33，即4水平计算结果不同针对相同的目标尺寸，极值法计算的结果大于均方根法的计算结果；尺寸链中尺寸的数量越多，差异越大对设计要求不同在相同的目标尺寸公差要求下，极值法要求严格的尺寸公差，故采用极值法的产品成本更高局部与全局的差异1、是从产品设计局部性进行考虑的计算方法；2、满足某一方面的设计要求时，可能造成另一方面的要求很难达到1、是产品设计全局性考虑的计算方法；2、更容易实现两个对立的设计要求适用范围的差异1、对零件制造工艺不了解的场合2、批量较小的场合3、对品质要求很高、不允许出现缺陷的场合1、对零件制造工艺充分了解的场合2、大批量生产的场合3、允许出现缺陷的场合风险1、要求较小的公差，不良率高2、成本高如果尺寸或公差的平方根假设是无效的，可靠性会降低DFMA八、DFMA-公差分析的三大原则宽松的零件公差要求：u公差越严格，成本越高u避免对零件尺寸提出严格的公差要求公差的一致性：u零件的制造工艺能力决定了公差分析中的公差设定，不是随意设定的u二维图纸中公差标注与公差分析中的公差一致u对公差分析中的尺寸进行制程管控当公差设计的结果不满足要求时：u不推荐的做法：调整尺寸链中的尺寸公差大小增加关键尺寸的公差u推荐的做法：调整尺寸链中尺寸的大小较少尺寸链的长度使用定位特征制造工艺能力公差分析中的公差设定二维图零件公差标注零件尺寸制程管控DFMA谢谢