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      產(chǎn)品外形尺寸指標容差設(shè)計

      2020-11-23 07:32:54周志東
      機電信息 2020年29期
      關(guān)鍵詞:質(zhì)量成本質(zhì)量控制

      周志東

      摘要:以某模塊殼體的尺寸指標容差設(shè)計為例,闡述了指標容差設(shè)計的規(guī)則、設(shè)定依據(jù)以及參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計之間的關(guān)系。通過具體案例分析,以設(shè)計樣件的制作、檢測以及試驗驗證情況,說明容差設(shè)計在產(chǎn)品研制及其質(zhì)量控制、成本控制中的影響和作用。

      關(guān)鍵詞:設(shè)計需求;指標容差設(shè)計;加工誤差;質(zhì)量控制;質(zhì)量成本

      0 引言

      一般要描述裝備的性能如何,需要對裝備進行質(zhì)量評價,而質(zhì)量評價離不開相應(yīng)的質(zhì)量標準。

      裝備質(zhì)量標準是產(chǎn)品指標、要求、方法等的集合,是規(guī)定裝備質(zhì)量特性(指數(shù)、規(guī)格等)應(yīng)達到的技術(shù)要求和依據(jù)。

      質(zhì)量特性指裝備經(jīng)過設(shè)計和研制、制造過程后所穩(wěn)定呈現(xiàn)的固有特性,如重量、尺寸、各項電性能等,是可以通過相應(yīng)方法使用特定儀器、儀表、量具等測量采集到基本質(zhì)量信息。

      固有特性通常以量化指標參數(shù)的形式表達,通過考核其常規(guī)指標參數(shù)的符合程度,來衡量產(chǎn)品質(zhì)量是否達到或者實現(xiàn)預(yù)期的需求,簡單來說,就是按技術(shù)文件所規(guī)定的方法對研制生產(chǎn)的產(chǎn)品指標要求進行測量,并判斷其是否符合使用要求。

      1 指標概述

      指標通常是指產(chǎn)品性能、功能、物理特性等達到的預(yù)期規(guī)格、標準,一般用數(shù)據(jù)標識,是衡量產(chǎn)品是否符合需求的單位或方法。

      性能指標的表述一般有以下幾種情況:(1)設(shè)定中心值和范圍值,如尺寸(30±0.1)cm×(20±0.1)cm×(2±0.1)cm、重量(1.1±0.05)kg等,要求測量結(jié)果在某個值的正負多少范圍內(nèi);(2)設(shè)定上限值,如紋波≤50 mV、負載效應(yīng)≤1%等,要求測量結(jié)果小于等于某個值;(3)設(shè)定下限值,如絕緣電阻≥10 MΩ、工作電流≥5 A等,要求測量結(jié)果大于等于某個值。

      在表述該類指標的時候,通常會在指標中心值基礎(chǔ)上加上指標容差范圍,指標的中心值是理想情況下的目標值,而實際制造檢測的結(jié)果,與目標值會存在偏差,就是所謂的指標容差。

      2 指標容差設(shè)計

      指標容差是指允許被度量對象質(zhì)量特性值的波動范圍,是質(zhì)量標準的重要組成因素。從質(zhì)量管理角度來講,為了保證交付顧客的最終產(chǎn)品質(zhì)量波動盡可能少,那么指標容差在設(shè)計時應(yīng)該盡可能縮小。

      3 指標容差設(shè)計實例

      通常設(shè)備的設(shè)計任務(wù)自整機開始,向下逐層進行分解到分機、單元、模塊、零部件等,在有限的物理空間內(nèi),往往需要集成多個功能模塊,如電源模塊、控制模塊、接口模塊等。內(nèi)部模塊的設(shè)計方案必須滿足單元分配尺寸及重量的需求,只有明確需求才能進行相應(yīng)設(shè)計。

      3.1? ? 輸入需求指標

      設(shè)計人員通過建立單元的仿真模型加入所用材料、比重等因素,分配各個組成模塊的尺寸和重量參數(shù)。以電源模塊殼體尺寸、重量為例,通過分解,電源模塊殼體的輸入需求指標為尺寸:(30±0.1)cm×(20±0.1)cm×(2±0.1)cm、重量:(1.1±0.03)kg。

      3.2? ? 設(shè)計樣品試制

      設(shè)計人員根據(jù)輸入指標需求進行制圖、選材并加工,為了控制產(chǎn)品質(zhì)量,把本模塊殼體的設(shè)計指標定為尺寸:(30±0.05)cm×(20±0.05)cm×(2±0.05)cm、重量:(1.1±0.03)kg。

      選擇加工精度為0.01 cm的A型設(shè)備,按設(shè)計圖紙進行加工,通過樣件試制,實際生產(chǎn)制造的5件樣品加工偏差分布情況如表1所示。

      產(chǎn)品設(shè)計階段的符合性檢測,不能只記錄通過或不通過,還應(yīng)記錄質(zhì)量特性的具體數(shù)值;不能只給出不合格率,還要按照質(zhì)量損失理論,制定科學(xué)的統(tǒng)計方法來給出體現(xiàn)質(zhì)量水平的數(shù)據(jù)。通過記錄質(zhì)量特性的具體數(shù)值,可以采集到被測樣品偏差分布數(shù)據(jù),獲得偏差的分散范圍,試制樣件的尺寸、重量指標分散是疊加了加工誤差、測量誤差等因素的結(jié)果。以上述分散范圍作為尺寸、重量指標容差設(shè)計參考,可得出模塊殼體的實測數(shù)據(jù),H尺寸誤差范圍:-0.06~0.05 cm,L尺寸誤差范圍:-0.05~0.06 cm,W尺寸誤差范圍:0.02~0.04 cm,重量誤差范圍:0.01~0.02 kg。

      經(jīng)樣件試制并測量,模塊殼體的尺寸指標合格率為60%,重量指標符合率100%。同時,H指標達邊界值的比例為60%,L指標達邊界值的比例為40%,存在較高質(zhì)量成本風(fēng)險。要降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險,只能引進更高加工精度的設(shè)備,或者選擇具有加工條件的外協(xié)單位進行加工,這樣無疑會增加生產(chǎn)成本。

      3.3? ? 容差設(shè)計驗證

      容差設(shè)計以確定各個參數(shù)合適的容差范圍為目的,基本思想如下:根據(jù)各參數(shù)的波動對產(chǎn)品質(zhì)量特性影響的大小,從經(jīng)濟性角度考慮有無必要對影響大的參數(shù)給予較小的容差(例如用較高質(zhì)量等級的元件代替較低質(zhì)量等級的元件),這樣一方面可以進一步減少質(zhì)量特性波動,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性,減少質(zhì)量損失,另一方面,由于提高了元件的質(zhì)量等級,產(chǎn)品成本有所提高。因此,容差設(shè)計階段既要考慮進一步減少參數(shù)設(shè)計后產(chǎn)品仍存在的質(zhì)量損失,又要考慮縮小一些元件容差將會增加成本,權(quán)衡兩者的利弊得失,采用最佳決策。

      如果選擇進一步控制殼體尺寸的波動范圍,可將模塊殼體的指標參數(shù)和設(shè)計容差調(diào)整到(30±0.05)cm×(20±0.05)cm×(2±0.05)cm,通過樣件加工的誤差分散范圍進行評價,產(chǎn)品合格率僅為60%,不合格品的產(chǎn)生會增加質(zhì)量成本。如果將電源模塊殼體的設(shè)計指標定為尺寸:(30±0.1)cm×(20±0.1)cm×(2±0.1)cm、重量:(1.1±0.05)kg,則現(xiàn)有生產(chǎn)制造能力完全可以保證產(chǎn)品的合格率。

      為了驗證模塊殼體尺寸極限值可能會對單元配裝造成影響,設(shè)計人員通過使用高精度加工設(shè)備專門制造尺寸(30+0.1)cm×(20+0.1)cm×(2+0.1)cm及尺寸(30-0.1)cm×(20-0.1)cm×(2-0.1)cm的參考殼體樣件,通過單元配裝并進行物理力學(xué)、環(huán)境溫度試驗考核,試驗過程中未見異?,F(xiàn)象,可以證實樣件符合單元實際使用需求。

      設(shè)計人員通過對單元樣件進行摸底試驗情況驗證,模塊殼體樣件在尺寸極限容差值為(30±0.1)cm×(20±0.1)cm×(2±0.1)cm的情況下可滿足單元實際使用需求,不需要將模塊殼體的指標參數(shù)和設(shè)計容差做更高要求的調(diào)整。

      4 結(jié)語

      產(chǎn)品設(shè)計文件和研制樣件是互為標準和參考的,研制樣件在綜合了文件資料、加工條件、管理條件后,為產(chǎn)品設(shè)計提供生產(chǎn)制造的可行性驗證和指標容差設(shè)定參考。通過實例可知,指標容差設(shè)計一般是經(jīng)過對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟性進行綜合考慮,也就是對質(zhì)量與成本進行綜合考量后確認的。為提高質(zhì)量標準盲目設(shè)定指標參數(shù)容差,會造成成本增加,容差設(shè)計的目的在于確定各指標參數(shù)的最合理容差,使總損失(質(zhì)量與成本之和)達到最佳或最小。因此,要尋求使總損失最小的容差設(shè)計方案,通過合理的容差設(shè)計,可以減少產(chǎn)品質(zhì)量波動產(chǎn)生的損失。

      參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計是相輔相成的,產(chǎn)品設(shè)計在滿足參數(shù)設(shè)計要求的同時,設(shè)計人員應(yīng)充分考慮產(chǎn)品實際生產(chǎn)質(zhì)量承受各種因素影響(如加工誤差)的能力,通過容差設(shè)計科學(xué)、合理地確定產(chǎn)品的指標容差范圍,作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的依據(jù)。

      [參考文獻]

      [1] 魏文博.容差分析和設(shè)計方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

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