基于知識模塊化管理視角的輕工產(chǎn)品壓鑄件的設計質(zhì)量控制

周國基，易小明

（1.廣州市科學技術交流館有限公司，廣州 510180；2.廣州安遼安防科技有限公司，廣州 511430）

1 前言

輕工產(chǎn)品涉及三十多個行業(yè)門類，涵蓋家電、五金制品、家具、玩具和輕工機械等品類。壓鑄件是諸多輕工產(chǎn)品的基本構件，也是輕工產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。壓鑄、沖壓和注塑被認為是最重要的三大材料成型體系，其中壓鑄是指熔融金屬在高壓下高速充型并在壓力下凝固成形的鑄造方法，其具有成型性能好和綜合成本低等多方面的優(yōu)點，且擁有更復雜的工藝要素組合。壓鑄件對輕工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)效益的影響巨大，如某五金鎖具產(chǎn)品頭部企業(yè)2021 年壓鑄車間的生產(chǎn)成本（含鋅合金材料、直接人工成本和壓鑄車間電能消耗等）占全廠變動成本的37.4%。輕工產(chǎn)品的設計人員，只有掌握壓鑄件開發(fā)所需的專業(yè)知識，才能通過合適的壓鑄件設計，使輕工產(chǎn)品的創(chuàng)新與改進更加高效。

應用于輕工產(chǎn)品的壓鑄件（以下簡稱輕工產(chǎn)品壓鑄件），按照不同的用途，可以分成裝飾性為主的壓鑄件和結構功能為主的壓鑄件；依據(jù)材質(zhì)的不同，還可以分成鋅合金壓鑄件、鋁合金壓鑄件、鎂合金壓鑄件和銅合金壓鑄件等。不同的壓鑄件類別具有不同的特性和應用環(huán)境，在設計方面也有不同的要求和技巧。但目前輕工產(chǎn)品行業(yè)中，真正受過壓鑄工藝和壓鑄件設計的完整培訓，全面了解壓鑄件設計知識及要求的產(chǎn)品開發(fā)人員并不多。因此，將輕工產(chǎn)品壓鑄件的設計所需的知識進行梳理和總結，并使其模塊化，形成系統(tǒng)的壓鑄件設計知識管理模型，可為壓鑄件的設計提供具體的方法論，這對于輕工產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義和現(xiàn)實緊迫性。

2 壓鑄件設計的理論和方法論研究簡介

2.1 設計中的實體特征要求

現(xiàn)有的壓鑄件設計的主要理論依據(jù)是機械設計、金屬材料和計算機仿真技術等。1）設計的具體知識和方法主要包括：①基本結構設計；②尺寸精度；③幾何公差；④表面粗糙度及重量公差；⑤加工余量設計；⑥合金材質(zhì)的選擇等。其中，基本結構設計又包括壁厚、脫模斜度、圓角、鑄孔、鑲嵌件和凹凸紋等。2）設計的規(guī)范包括機械設計實體特征要求、國家/行業(yè)標準、產(chǎn)品整體的配合要求和性能要求等。3）設計的工具包括設計軟件和仿真軟件等。

實體產(chǎn)品設計都需要考慮結構、性能指標和成本約束等，故部件的設計也會面臨制造工藝選擇的決策。比如，輕工產(chǎn)品常用的鋁合金部件的制造工藝包括鍛打、機加工、型材、液態(tài)金屬壓鑄和半固態(tài)金屬壓鑄等，若選擇壓鑄工藝，那么在鋁合金部件的設計上與其他工藝就會有明顯的區(qū)別，包括壁厚、機械強度、零件基體的缺陷量，以及是否可以運用熱處理增加部件的強度等。[1]

2.2 設計中的工藝要求

進行壓鑄件的設計時，需要選擇適當?shù)闹圃旃に?；當選擇了工藝后，又必須因應工藝對產(chǎn)品本身的設計進行審視，確保工藝能夠符合產(chǎn)品實體特征設計的要求?，F(xiàn)有壓鑄件設計的方法中，將壓鑄工藝作為關鍵要素之一，特別是對壓鑄模具的考量，即在設計前期就考慮工藝對壓鑄件實體設計的約束，包括模具結構的改進、分型面的選擇、澆道的順暢性、合金從液體到固態(tài)轉(zhuǎn)變時的收縮規(guī)律、可以達到的精度等級、潛在的缺陷種類及形成機理等。

相對于其他成形工藝，壓鑄具有成形特征復雜和尺寸精度較高的優(yōu)點，但這種優(yōu)點也受制于生產(chǎn)技術，比如模具的質(zhì)量和壓鑄機的參數(shù)合理性，這會直接影響到壓鑄工藝的成本。因此，現(xiàn)有研究方法也關注壓鑄的生產(chǎn)總成本。壓鑄件的總成本包括壓鑄的材料費（Raw Material Cost）、轉(zhuǎn)形成本（Transformation Process Cost）、附加操作的成本（Accessory Operations Cost）、生產(chǎn)調(diào)機成本（Set-up Operation Cost）等方面，基于實際樣板的核算結果顯示這4 項成本的比例分別約是64.5%～84.5%，12.53%～23.53%，0.4%～3.2%，2.5%～14.71%。[2]

2.3 現(xiàn)有設計方法體系的不足和實踐改善需求

現(xiàn)有的壓鑄件設計理論和方法體系，存在重實體結構設計和模具，而忽視壓鑄工藝選擇和參數(shù)適配性的問題，且也不重視并行工程的運用。如鋁合金壓鑄件的設計中，不同結構和不同工藝可以達到的尺寸精度，目前并沒有系統(tǒng)性的知識工具，這就要求設計者應具備一定的經(jīng)驗性隱性知識。

不同專業(yè)的技術人員需要不同的知識模塊。在知識應用領域，如企業(yè)的技能評估和知識管理等，往往存在知識欠缺和知識沒有被共享的問題。因此，對壓鑄件的設計，以及由設計帶出的工藝和質(zhì)量控制知識，需要進行專業(yè)知識評估和模塊化管理。壓鑄件設計的知識模塊評估，包括知識中間態(tài)的多個維度：掌握度（企業(yè)應該培養(yǎng)出能夠應用知識并付諸行動的有能力的員工，提升他們的專業(yè)精通度）、擴散度（企業(yè)需要保證知識傳遞到任何有需要的員工的手里）、編碼度（盡量通過程序、文件和培訓資料等方式將壓鑄件設計的知識顯性化）等。[3]只有基于專業(yè)知識評估，才能持續(xù)推動壓鑄技術知識在企業(yè)內(nèi)的不斷創(chuàng)新，從而提升相關產(chǎn)品的設計質(zhì)量。

3 輕工產(chǎn)品壓鑄件設計的知識模塊分類總結

3.1 市場需求分析和設計輸入管理的知識

無論是整體產(chǎn)品的設計構想，還是具體的壓鑄件設計，都需要在明確客戶或市場的需求的前提下進行。設計要求的分類包括：①產(chǎn)品定位；②目標市場；③價格或成本范圍；④設計風格類型；⑤技術創(chuàng)新程度；⑥供應鏈與項目時間；⑦標準等級和規(guī)范性；⑧材質(zhì)性；⑨環(huán)保性；⑩與現(xiàn)有產(chǎn)品線或市場類似產(chǎn)品的差異化程度等。

明確設計的要求和規(guī)范后，應運用產(chǎn)品設計輸入文件的方式，將要求列入項目的檔案，并進行詳細的功能性分析。輕工產(chǎn)品設計輸入的管理流程和基本分析方法，如圖1 所示。

圖1 輕工產(chǎn)品開發(fā)項目的設計輸入管理流程

3.2 款式要求和外觀設計的知識

在重視產(chǎn)品“顏值”的時代背景下，外觀設計顯得尤為重要。而這個產(chǎn)品開發(fā)領域的重要因素，過去曾被眾多產(chǎn)品設計人員所忽視。隨著市場的競爭越來越激烈，除在結構設計和可靠性等質(zhì)量指標方面發(fā)力外，輕工行業(yè)的領先企業(yè)也開始重視產(chǎn)品的工業(yè)設計（包括款式、外觀、功能等）。中國五金（鎖具）行業(yè)的10 家頭部企業(yè)的專利數(shù)據(jù)（共2377 項有效專利，數(shù)據(jù)截止日期為2022 年10 月30 日）顯示（見圖2），外觀設計專利的數(shù)量最多，占全部專利的比例高達45.90%。

圖2 中國五金（鎖具）行業(yè)10 家頭部企業(yè)專利的分類及占比

符合現(xiàn)代理念的工業(yè)產(chǎn)品設計，需要包含以下要素：①形制（形態(tài)和構造）；②色彩（色彩的性質(zhì)與色彩的心理效應）；③品質(zhì)（性質(zhì)、質(zhì)量、檔次）；④以人為本的操作功能。而通常所說的外觀設計，屬于工業(yè)設計的重要內(nèi)容，但不代表工業(yè)設計的全部。外觀設計一般包括產(chǎn)品的形態(tài)、色彩，以及外觀形態(tài)所展示的品質(zhì)感知等，而壓鑄因其成形方面的優(yōu)點，對于外觀設計具有良好的支撐作用。

輕工產(chǎn)品的壓鑄件，特別是外觀壓鑄件，其設計需要達到整體產(chǎn)品賦予的功能上的要求并符合審美要求，因此界定這些要求并在設計前進行分析是必要的步驟。外觀設計的要求可以分為設計前有清晰的設計要求和無清晰的設計要求兩種情況。清晰的外觀設計要求可以分成三部分：①外部的要求（明確的客戶輸入、市場風格）；②企業(yè)內(nèi)部的要求（市場部門或者管理層的要求、現(xiàn)有產(chǎn)品線的一致性、新產(chǎn)品的外觀風格目標）；③內(nèi)外混合要求。沒有清晰的設計要求時，設計人員需要自行考慮的因素至少包括：①產(chǎn)品的定位；②產(chǎn)品的系列化；③目標市場的風格；④材質(zhì)和成形工藝的制約；⑤成本方面的制約等。[4-5]

3.3 相關技術標準（成品、材質(zhì)、檢測等）的知識

除整體產(chǎn)品的設計需要考慮相關的技術標準外，在壓鑄件的設計中，也需要執(zhí)行這些標準，使之落到實處。關于壓鑄件設計的技術標準，至少應包括以下方面：①輕工產(chǎn)品的成品技術標準；②壓鑄合金材質(zhì)的技術標準；③壓鑄件的技術標準；④壓鑄工藝要素（如模具）的技術標準；⑤通用的產(chǎn)品質(zhì)量或技術標準。表1 列出了壓鑄件設計應該參考的一些國家標準，包括不同類型壓鑄件標準，以及與壓鑄件相關的合金材質(zhì)標準等。在進行具體的設計之前，設計人員需要掌握并參照這些標準。需要特別提出的是，不同產(chǎn)品目標市場的相關標準往往存在差異，比如美標和歐標，就與我國國家標準有所不同，因此研究目標市場的相關標準也是必不可少的設計步驟。

不同類型壓鑄合金在輕工產(chǎn)品中的應用與發(fā)展各具不同的特點。常用的壓鑄合金主要有四種：①壓鑄鋅合金：熔點低、流動性好、壓鑄性能優(yōu)良、易電鍍，大量應用于衛(wèi)浴、鎖具、玩具、建筑五金等行業(yè)；②壓鑄鋁合金：比強度大，具有良好的耐蝕耐磨性、導電導熱性和切削性能，可加工成各種型材，在輕量化和環(huán)保要求日益提高的當下，廣泛應用于汽車、家電、航空、機械、電子等諸多行業(yè)；③壓鑄鎂合金：輕質(zhì)高強，具備較高的剛性、減震性、尺寸穩(wěn)定性及電磁屏蔽性，主要應用于交通運輸、電子產(chǎn)品、航空航天和生物醫(yī)藥等領域；④壓鑄銅合金：力學性能優(yōu)良，具有良好的耐蝕性、耐磨性和導電導熱性，普遍應用于機械、造船、電氣、化學等行業(yè)。表2 列出了該四種合金材質(zhì)的主要性能對比情況，可作為設計壓鑄件時甄選材質(zhì)的參考。

表2 四種應用較廣的壓鑄合金主要性能對照

輕工產(chǎn)品品類眾多，但各品類產(chǎn)品相關標準的專業(yè)化程度較高，在進行產(chǎn)品的質(zhì)量和性能檢測時，需要分類查找和對標對表，如GB/T 2828 計數(shù)抽樣檢驗程序系列標準、GB/T 5121 銅及銅合金化學分析方法系列標準、GB/T 228 金屬材料拉伸試驗系列標準等。企業(yè)在需要時（如壓鑄件出口），可在國標/行標的基礎上制定更高技術要求的自控標準。

3.4 結構設計中實體特征的設計知識

3.4.1 壁厚和加強筋的設計要求

當明確了壓鑄件的設計標準和輸入要求，并選擇合適的材質(zhì)（或者在產(chǎn)品的整體結構設計方案中已充分考慮材質(zhì)的選擇）后，就可以進行具體的結構設計。壓鑄件的幾何特征設計（Design of Geometric Features），包括壁厚、加強筋、孔、槽、圓角、斜度、螺紋、齒輪、柱、凸和凹、紋路、齒、標志、文字、圖案、鑲件和臺階等。[6-7]如圖3 所示，這是一種由多種幾何特征復合而成的鋅合金鎖具面板，具有集成度高、成型簡單、強度好和成本低等優(yōu)點。

圖3 具有多種幾何圖形要素的外觀件（電子鎖鋅合金面板）

壓鑄件的壁厚和加強筋，應盡量做到整體均衡，每個零件的主要面的最大壁厚和最小壁厚之比，不應超過3∶1，加強筋的厚度為產(chǎn)品壁厚的2/3～3/4，具體的設計參考值如表3 所示。[6-8]此類設計應充分考慮壓鑄時金屬液流動的順暢性、合金材料的特性和工藝能力（如壓射比壓和模具的性能）等。在壁厚過大的地方，需要通過挖孔/槽的方法減少壁厚，以降低成本并提高設計的工藝性。加強筋的設計需要考慮以下因素：①盡量做到對稱，使受力均勻，讓壓鑄時的金屬液流動更合理；②筋上盡量不增加其他幾何特征（如果需要增加螺絲孔等，應在螺絲孔位置增加筋的寬度，以保證其截面積沒有大的變化）；③考慮外觀的要求（壁厚變動而導致的外表面質(zhì)量影響）；④筋的走向需與壓鑄成型時的金屬液的流動一致；⑤加強筋通常沒有裝配方面的配合要求，故應適當增加其脫模斜度；⑥加強筋的寬度要參考其所連接的壁厚并依據(jù)經(jīng)驗值選取，特別是外觀面背面的加強筋，若其寬度與壁厚相差太大，將影響外觀面的壓鑄質(zhì)量；⑦盡量避免加強筋直接交錯，且加強筋底部應有圓角。

表3 壓鑄件的壁厚設計參考值（以鎖具面板為例）

加強筋設計對于壓鑄件質(zhì)量的影響非常明顯，除增加強度以滿足機械性能外，還可以改善壓鑄工藝效果，提升壓鑄件表面質(zhì)量。但是，加強筋的設計若不遵循上述設計指南，可能會導致壓鑄件的加工困難和成本增加，甚至出現(xiàn)壓鑄件缺陷。而為了糾正加強筋的設計錯誤，需要投入大量時間、精力和資源去調(diào)查、分析和改正，會使企業(yè)遭受各種顯性和隱形損失。如圖4 所示，這是一張帶加強筋的鎖具面蓋設計圖，其加強筋設計的不合理之處包括：①加強筋之間有交錯；②底部沒有圓角；③脫模斜度的設計較??；④加強筋的寬度比壁厚大較多。

圖4 加強筋設計不合理的鎖具壓鑄件設計圖

3.4.2 圓角和倒角的設計要求

圓角和倒角的具體作用是可以改善壓鑄充型時金屬液的流動性，增強排氣效果，減少型腔中的渦流，避免應力集中，并增加幾何特征連接處的機械強度，從而大大改善壓鑄件的性能。外露面的倒角，還可有效增加模具的壽命，有利于壓鑄件的表面處理和后加工。但需要注意的是，壓鑄模具的分型面上不能有圓角（分型面通常為壓鑄件的最大投影面積的面）。

圓角R 值的選擇，與其連接的兩個面的壁厚（h1，h2）有關，壁厚越大，則R 值越大。當h1和h2都等于h 時，R 值選擇的計算見公式（1）。其中，壓鑄件為鋅合金材質(zhì)時，k 值為1/4；壓鑄件為鋁合金、鎂合金、銅合金材質(zhì)時，k 值為1/2。而當h1和h2不相等時，R 值選擇的計算見公式（2）。

3.4.3 孔和槽的設計要求

機械設計中的孔一般包括通孔和盲孔兩種類型。根據(jù)其他分類方法還可以將孔分成：大孔和小孔；直通孔和階梯孔；圓柱孔和錐孔；攻絲的有螺孔和底孔；淺孔和深孔；裝配孔和工藝孔等。槽的幾何形狀通常為鍵槽、腰形槽、T 型槽和錐形槽四種類型。

由于壓鑄工藝的成形優(yōu)點，壓鑄件能夠以較高的精度將各種形狀的孔/槽直接一次成形。在設計壓鑄件的孔/槽時，需要關注孔的直徑、深度和距離零件邊界的距離等主要技術參數(shù)。工藝技術視角下的壓鑄件孔徑設計規(guī)范，如表4 所示。

表4 壓鑄件的孔徑和孔深設計技術規(guī)范

雖然利用壓鑄一次成形工藝有成本和質(zhì)量方面的優(yōu)點，但如果超過技術界限，則應該考慮利用機加工等手段，以保證配合尺寸的精度。為節(jié)省成本，可以利用壓鑄工藝做成初步成形的孔/槽，再利用后加工提高精度。孔和槽離邊界的距離，在保證脫模斜度的前提下，可以參照壁厚的設計規(guī)格。

3.4.4 脫模斜度的設計要求

為了使壓鑄件可以順利從模具中脫離出來而不會變形，也為了延長模具的壽命和防止壓鑄件表面因為脫模而劃傷，需要在壓鑄件的脫模面設計一定的斜度（以分型面為界）。脫模斜度的大小取決于多種因素，包括：①需要脫模的面的深度，深度越大則需要的脫模斜度越大；②零件的結構的復雜性，結構越復雜要求的脫模斜度也越大；③合金材料的屬性，如鋅合金的壓鑄工藝性相對較好；④模具的設計和加工質(zhì)量。

當配合尺寸要求的精度非常高，已超出壓鑄工藝的能力時，需要在設計壓鑄件的毛坯尺寸中預留加工余量，以便通過后加工處理，確保最終產(chǎn)品的尺寸精度符合規(guī)定要求。推薦的壓鑄件脫模斜度設計下限值，如表5 所示。

表5 推薦的壓鑄件脫模斜度設計下限值

3.4.5 其他結構特征的設計要求

由于壓鑄模具加工凹陷的形體相對容易，壓鑄件上的各種凸紋、網(wǎng)紋、文字、標志和圖形等應盡量使用外凸式的設計。為獲得較好的效果，壓鑄件上這些凸起形體應至少高出基準面0.3 mm。各種凸起特征的設計，還需要考慮脫模方向，并與之平行。

螺紋的壓鑄需要考慮精度和成形的難度，以及模具和壓鑄生產(chǎn)的成本。壓鑄件齒輪的最小模數(shù)m 為：鋅合金0.3，鋁/鎂合金0.5，銅合金1.5。壓鑄件齒輪同樣需要參照脫模斜度的規(guī)范進行設計，且若要求的齒形精度較高，則需要進行后加工（留有0.2 mm～0.3 mm的加工余量）。而對于鑲件的壓鑄，在設計時則需要考慮包圍鑲件的最小壁厚（與鑲件的大小有關，通常為1 mm 以上，鑲件的直徑越大則包圍鑲件的壁厚也越大，但不成正比）。

關于產(chǎn)品設計中遇到的特殊需求，如實心的大拉手壓鑄件，其壁厚和圓角等因為使用要求而不能按照上述規(guī)范進行設計，此時需要適當犧牲工藝性能并充分考慮生產(chǎn)的工藝成本。

3.5 配合尺寸精度與公差要求及后加工的知識

壓鑄件的尺寸精度主要取決于壓鑄工藝，相關因素包括：①模具的加工精度；②分型面設計和鎖模力；③合金材料的體收縮率；④合金材料的成分；⑤壓鑄設備的溫度控制和環(huán)境溫度；⑥模具的磨損情況；⑦模具安裝平臺的精度等。

壓鑄件的尺寸精度依其尺寸的性質(zhì)不同也會有所差異。壓鑄件線尺寸的公差帶優(yōu)先選對稱分布，按照GB/T 6414—2017《鑄件 尺寸公差、幾何公差與機械加工余量》的要求，批量生產(chǎn)中鋅合金的基本尺寸公差等級為DCTG4～DCTG6，鋁/鎂合金的基本尺寸公差等級為 DCTG4～DCTG7，而銅合金的基本尺寸公差等級為DCTG6～DCTG8。

關于壓鑄件的形位公差（直線度、平面度、圓度、平行度和垂直度、同軸度和對稱度等），需要參照GB/T 6414 和產(chǎn)品的配合精度要求進行選擇。

當壓鑄工藝難以保證要求的尺寸精度時，壓鑄件的設計圖檔將需要分成坯件圖和成品圖兩種，且坯件圖需要預留適當?shù)募庸び嗔?。另外，如果線性尺寸會受分型面的影響，還需要將設計與實際的脫模樣板檢驗結果進行校準。壓鑄坯件加工余量的設計，需要滿足加工工藝的技術性和經(jīng)濟性要求。不同大小的尺寸，其加工余量的設計會存在差異?；境叽绮淮笥?0 mm 的，預留加工余量為0.2 mm～0.3 mm；基本尺寸為40 mm～63 mm 的，其加工余量為0.3 mm；基本尺寸為63 mm～100 mm 的，其加工余量為0.4 mm～0.5 mm；基本尺寸為100 mm～160 mm 的，其加工余量為0.5 mm～0.8 mm。需要特別指出的是，設計加工余量時，需要考慮脫模斜度，因為加工余量要確保去除脫模斜度。[9]

在壓鑄件的設計過程中，還需進行零件的多步驟評價，包括初步設計評價、設計特征的初評價、特征的詳細評價和設計完成后的總體評價等，這是伴隨設計過程的必要活動。[10]評價的依據(jù)可以參照相關的標準和壓鑄件的上述設計知識。

3.6 表面粗糙度和表面處理方法的知識

外觀壓鑄件的表面質(zhì)量要求一般包括：①無表面的外觀缺陷；②符合設計要求的粗糙度；③坯件需要保證能夠進行電鍍等后續(xù)表面處理。壓鑄坯件表面的水紋和氣泡等是常見的表面外觀缺陷。為滿足表面質(zhì)量的要求，需要從壓鑄件的設計階段就予以考慮。依據(jù)GB/T 6060.1—2018《表面粗糙度比較樣塊 第1 部分：鑄造表面》，壓鑄件的表面粗糙度設計參考值，如表6 所示。

表6 壓鑄件的表面粗糙度設計參考值

壓鑄件做表面處理可以提升外觀質(zhì)量和增強耐腐蝕性能等。輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方法包括化學轉(zhuǎn)化處理、陽極氧化處理、電鍍、噴涂、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）和電泳漆（Electrophoresis，EP）等。為了獲得較好的表面處理效果，在表面處理之前，還需要進行預處理。預處理方法可分為機械預處理和化學預處理兩類。其中，機械預處理包括磨光、拋光、噴砂、震研等，化學預處理包括脫脂、酸洗、堿洗等。此外，某些壓鑄件要承擔嚴苛的密封和耐壓的功能，需對其進行浸滲處理，即將浸滲劑沖填入壓鑄件中并進行固化，使壓鑄件具備更高的密封和耐壓能力。表7 列出了輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方式，以供參考。

表7 輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方法及對比

4 壓鑄件開發(fā)的綜合評審知識

4.1 壓鑄件DFM 的基本要求

在傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，從產(chǎn)品的設計到制造再到銷售過程的流程是串行的，項目管理的流程一般也是單向的。這種模式下的設計人員因為知識或者職責理解上的局限，往往只考慮產(chǎn)品的結構和功能要求，而未能充分考慮設計產(chǎn)品的可制造性。具體表現(xiàn)為在產(chǎn)品應用階段，還需要在產(chǎn)品設計和實體模具上進行較多修改。實踐中，某企業(yè)因產(chǎn)品設計修改和工藝改善，甚至出現(xiàn)過壓鑄模具修改高達6 次以上的現(xiàn)象，造成巨大的浪費。另外，壓鑄件在制造過程中需要進行質(zhì)量檢測，包括外觀、金相、化學成分、無損探傷、耐壓、耐腐和尺寸等多個方面，針對的缺陷也多種多樣，而此類檢測（即產(chǎn)品設計的可測試性）也屬于產(chǎn)品可制造性的范疇，應在產(chǎn)品設計的前期就予以考慮[11]。

可制造性設計（Design for Manufacture，DFM）是并形工程的關鍵技術，強調(diào)在產(chǎn)品設計階段就考慮制造工藝的技術要求，在設計初始就對可能出現(xiàn)的制造方面的問題進行分析。狹義的DFM 只是針對產(chǎn)品的制造工藝，而廣義的DFM 指設計過程中就考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)、品質(zhì)控制、銷售和維護保養(yǎng)等全生命周期的管理。作為設計與制造協(xié)作的橋梁，DFM 是發(fā)揮企業(yè)綜合潛力和提高創(chuàng)新能力的有效途徑[12]，具有縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢。DFM 管理模式的核心就是要保證設計出的產(chǎn)品易于制造和裝配，這對于效率、速度和高生產(chǎn)率都至關重要。因此，DFM 越來越受到各大企業(yè)的關注和重視，華為公司就明確要求其結構設計工程師必須掌握DFM 的方法和工具，諸多跨國企業(yè)如Dell、Intel、BMW 和Ford 等，也均有應用DFM 的要求。

DFM 應用的基本準則包括：①簡化零部件形狀設計以降低加工難度；②在可行的范圍內(nèi)盡量減少加工量以節(jié)省加工成本；③選擇便于加工的材料；④在保證質(zhì)量的前提下降低或去掉不必要的要求；⑤設計時盡量采用標準零部件，提高產(chǎn)品的可維修性；⑥優(yōu)先考慮綠色環(huán)保的生產(chǎn)工藝，并選用環(huán)保材料。

4.2 壓鑄件DFM 的應用和評審

壓鑄件的具體結構設計直接影響壓鑄模具的設計、壓鑄工藝的難易程度、生產(chǎn)效率的高低和生產(chǎn)設備的經(jīng)濟壽命等。如果在壓鑄件的產(chǎn)品設計階段就提前考慮到可制造性，則可以在后續(xù)的產(chǎn)品實現(xiàn)時，獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。壓鑄件的DFM 評審包括壓鑄件生產(chǎn)實現(xiàn)的技術手段約束和企業(yè)的生產(chǎn)資源約束兩個方面，相關指標可以具體分成：①模具適用性（盡量避免分型面上的圓角、避免模具局部過薄或出現(xiàn)尖銳部件、避免出現(xiàn)互相交叉的不通孔、避免內(nèi)側(cè)凹，充分考慮脫模和抽芯等）[13]；②工藝技術能力（需要的關鍵工藝技術和難度）；③資源容量（產(chǎn)能和生產(chǎn)效率）；④經(jīng)濟性（成本效率、材質(zhì)選擇、精度設定的合理性、標準件的比例、零件的可替換性等）；⑤安全性和環(huán)保性（生產(chǎn)的安全性、產(chǎn)品使用的安全性、環(huán)保材料和環(huán)保工藝的使用情況）等。

在DFM 評審的過程中，設計失效模式及影響分析（Design Failure Mode and Effect Analysis，DFMEA）和過程失效模式及影響分析（Process Failure Mode and Effect Analysis，PFMEA）是發(fā)現(xiàn)潛在工藝問題和設計問題的有效工具。進行上述各種指標的評價時，可以通過分析DFMEA 和PFMEA 結果的合理性來發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風險，以確保指標評價的準確性。為使DFM 在產(chǎn)品開發(fā)中落到實處，企業(yè)可以制定相關的標準作業(yè)程序，發(fā)揮其知識顯性化和規(guī)范運作的作用。在整個產(chǎn)品開發(fā)流程中，DFM 發(fā)揮最大作用的階段是項目的前期，特別是產(chǎn)品設計定型前的綜合評審階段。

4.3 基于質(zhì)量視角的壓鑄件設計

4.3.1 壓鑄件的質(zhì)量設計評審

狹義的質(zhì)量觀認為質(zhì)量是滿足標準/要求的程度，但其對標準/要求的定義上往往過于寬泛和虛化，不利于在產(chǎn)品開發(fā)中進行具體應用。因此在產(chǎn)品設計中，需要參考廣義的質(zhì)量觀從不同維度對產(chǎn)品的質(zhì)量特征進行合理分類和分析，將“質(zhì)量是設計出來的”理念落到實處。

基于產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量維度涵蓋多個方面，質(zhì)量設計評審需要對其進行全面考量。表8 列出了壓鑄件的相關質(zhì)量維度的評審依據(jù)，這些質(zhì)量維度還可以進一步細化為具體的質(zhì)量指標[14]。

表8 基于質(zhì)量維度的壓鑄件質(zhì)量設計評審

4.3.2 壓鑄件的生產(chǎn)質(zhì)量管控設計

針對壓鑄件質(zhì)量設計的評審結果，是其生產(chǎn)質(zhì)量管控設計的輸入。在產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)前的開發(fā)階段，對質(zhì)量管控的設計范圍包括：①相關產(chǎn)品質(zhì)量特征要求的設計；②如何將產(chǎn)品質(zhì)量標準/要求落實到生產(chǎn)、銷售、售后服務和維修保養(yǎng)等各個領域的規(guī)劃；③參照的技術標準和符合性檢查的設置；④相關技術條件和資源的設置（如檢具、工具、設備）等。[15]

壓鑄件的質(zhì)量管控設計，除了運用上述的質(zhì)量維度方法，還可以參考壓鑄件常見的質(zhì)量問題。具體包括：①表面缺陷（水紋、毛刺及印痕、飛邊、凹陷、起泡、沖蝕、拉傷、粘模損傷、劃痕/碰傷等）；②內(nèi)部缺陷（氣孔、縮孔/縮松、夾渣、氧化等）；③形狀和尺寸缺陷（欠鑄、變形、尺寸超差等）；④力學性能缺陷（強度低、脆性大、形成硬質(zhì)點等）；⑤基體不連續(xù)（冷隔、分層、裂紋等）；⑥化學成分不合格；⑦致密性不夠。[16]

另外，壓鑄件的質(zhì)量管控設計，需要遵循以下原則：①事前預防優(yōu)先；②設計余量和經(jīng)濟性的平衡；③客戶滿意度與質(zhì)量成本相結合；④文件化和規(guī)范化（如在受控圖紙上標注重要尺寸就是該原則的一種體現(xiàn)）。

4.4 壓鑄件設計的綜合評審

廣義的DFM 評審包括了大部分質(zhì)量評審的知識要素，但兩者還是存在一定差別。因此，在壓鑄件的綜合評審知識領域，依然需要綜合兩者進行系統(tǒng)考慮，特別是從企業(yè)的知識管理角度。壓鑄件設計的綜合評審，可以劃分為工藝參數(shù)考慮、質(zhì)控參數(shù)考慮、設計的經(jīng)濟性評估、安全性評估和環(huán)境考慮等方面的知識模塊。

5 關于輕工產(chǎn)品壓鑄件的模塊化知識管理模型

5.1 輕工產(chǎn)品壓鑄件設計的知識模塊

在壓鑄件對經(jīng)營業(yè)績具有明顯影響的輕工企業(yè)，只有進行系統(tǒng)化的壓鑄件設計知識管理，才能有效提升整體的產(chǎn)品創(chuàng)新能力。厘清所需知識并進行模塊化管理，可以參照以下分類方法：市場需求和設計輸入分析、結構設計、款式和外觀設計、材質(zhì)選擇、部件或成品的技術標準、尺寸和公差的規(guī)范、表面要求和處理、壓鑄工藝、加工和后處理、檢測技術、綜合評審（包括DFM 和質(zhì)量等方面）?？蛇\用輸入—過程—輸出的模式，將壓鑄件設計相關知識進行模塊化設置（見圖5），并將其作為企業(yè)實踐應用時的指導。

圖5 基于開發(fā)流程的輕工產(chǎn)品壓鑄件設計的知識模塊

該知識模塊的范圍不僅包括顯性知識（如文件化、程序化和實體化的壓鑄件設計知識），也包括存在于技術人員個體層面的隱性知識。隱性知識顯性化是企業(yè)提升核心競爭力的關鍵要素，它與企業(yè)的管理實踐息息相關。[17]因此，企業(yè)管理者需要意識到隱性知識管理的重要性，并掌握相關的管理技巧，充分發(fā)揮隱性知識對提高企業(yè)創(chuàng)新能力、強化產(chǎn)品質(zhì)量控制、推動新產(chǎn)品研發(fā)設計的巨大作用。

5.2 輕工產(chǎn)品壓鑄件設計的知識管理模型

開發(fā)輕工產(chǎn)品壓鑄件的過程，也是知識管理的過程。為提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和壓鑄件設計能力，需要將產(chǎn)品設計的過程與知識管理的流程進行融合，形成如圖6 所示的知識管理框架模型。

圖6 基于知識管理視角的輕工產(chǎn)品壓鑄件設計的基本模型

6 總結與建議

壓鑄件是輕工產(chǎn)品的重要構成部件，其設計需要遵循一系列的技術要求和標準規(guī)范。就目前而言，諸多輕工產(chǎn)品設計人員對于壓鑄件的相關專業(yè)知識和技能的掌握方面還有不少欠缺，這成為制約該行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一大瓶頸。因此，建議企業(yè)管理層和相關責任部門，綜合運用前文所述方法體系，建立系統(tǒng)的壓鑄件設計知識管理模型，輔以針對性的培訓，盡快提升相應人員的輕工產(chǎn)品壓鑄件的設計能力，進一步改進壓鑄件在輕工產(chǎn)品行業(yè)中的應用效果。將壓鑄件的設計技能和壓鑄工藝的管控要點融合起來，并運用知識管理的方法將其體系化、顯性化，是值得推廣的輕工制造企業(yè)的質(zhì)量管理創(chuàng)新。