產(chǎn)品外形尺寸指標(biāo)容差設(shè)計(jì)

周志東

摘要：以某模塊殼體的尺寸指標(biāo)容差設(shè)計(jì)為例，闡述了指標(biāo)容差設(shè)計(jì)的規(guī)則、設(shè)定依據(jù)以及參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。通過具體案例分析，以設(shè)計(jì)樣件的制作、檢測(cè)以及試驗(yàn)驗(yàn)證情況，說明容差設(shè)計(jì)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(jì)需求;指標(biāo)容差設(shè)計(jì);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(duì)裝備進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，而質(zhì)量評(píng)價(jià)離不開相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

裝備質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品指標(biāo)、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(dá)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(jì)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(xiàng)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(cè)量采集到基本質(zhì)量信息。

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

1 指標(biāo)概述

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

性能指標(biāo)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(cè)量結(jié)果在某個(gè)值的正負(fù)多少范圍內(nèi);（2）設(shè)定上限值，如紋波≤50 mV、負(fù)載效應(yīng)≤1%等，要求測(cè)量結(jié)果小于等于某個(gè)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(cè)量結(jié)果大于等于某個(gè)值。

在表述該類指標(biāo)的時(shí)候，通常會(huì)在指標(biāo)中心值基礎(chǔ)上加上指標(biāo)容差范圍，指標(biāo)的中心值是理想情況下的目標(biāo)值，而實(shí)際制造檢測(cè)的結(jié)果，與目標(biāo)值會(huì)存在偏差，就是所謂的指標(biāo)容差。

2 指標(biāo)容差設(shè)計(jì)

指標(biāo)容差是指允許被度量對(duì)象質(zhì)量特性值的波動(dòng)范圍，是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)盡可能少，那么指標(biāo)容差在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能縮小。

3 指標(biāo)容差設(shè)計(jì)實(shí)例

通常設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)自整機(jī)開始，向下逐層進(jìn)行分解到分機(jī)、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(gè)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(jì)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(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

3.1? ? 輸入需求指標(biāo)

設(shè)計(jì)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(gè)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(biāo)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(jì)樣品試制

設(shè)計(jì)人員根據(jù)輸入指標(biāo)需求進(jìn)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(jì)指標(biāo)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(jì)圖紙進(jìn)行加工，通過樣件試制，實(shí)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(jì)階段的符合性檢測(cè)，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(jì)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(cè)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(biāo)分散是疊加了加工誤差、測(cè)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(biāo)容差設(shè)計(jì)參考，可得出模塊殼體的實(shí)測(cè)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(cè)量，模塊殼體的尺寸指標(biāo)合格率為60%，重量指標(biāo)符合率100%。同時(shí)，H指標(biāo)達(dá)邊界值的比例為60%，L指標(biāo)達(dá)邊界值的比例為40%，存在較高質(zhì)量成本風(fēng)險(xiǎn)。要降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，只能引進(jìn)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(jìn)行加工，這樣無疑會(huì)增加生產(chǎn)成本。

3.3? ? 容差設(shè)計(jì)驗(yàn)證

容差設(shè)計(jì)以確定各個(gè)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(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性影響的大小，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮有無必要對(duì)影響大的參數(shù)給予較小的容差（例如用較高質(zhì)量等級(jí)的元件代替較低質(zhì)量等級(jí)的元件），這樣一方面可以進(jìn)一步減少質(zhì)量特性波動(dòng)，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(jí)，產(chǎn)品成本有所提高。因此，容差設(shè)計(jì)階段既要考慮進(jìn)一步減少參數(shù)設(shè)計(jì)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(huì)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(jìn)一步控制殼體尺寸的波動(dòng)范圍，可將模塊殼體的指標(biāo)參數(shù)和設(shè)計(jì)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(jìn)行評(píng)價(jià)，產(chǎn)品合格率僅為60%，不合格品的產(chǎn)生會(huì)增加質(zhì)量成本。如果將電源模塊殼體的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(yàn)證模塊殼體尺寸極限值可能會(huì)對(duì)單元配裝造成影響，設(shè)計(jì)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?xì)んw樣件，通過單元配裝并進(jìn)行物理力學(xué)、環(huán)境溫度試驗(yàn)考核，試驗(yàn)過程中未見異常現(xiàn)象，可以證實(shí)樣件符合單元實(shí)際使用需求。

設(shè)計(jì)人員通過對(duì)單元樣件進(jìn)行摸底試驗(yàn)情況驗(yàn)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(shí)際使用需求，不需要將模塊殼體的指標(biāo)參數(shù)和設(shè)計(jì)容差做更高要求的調(diào)整。

4 結(jié)語

產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件和研制樣件是互為標(biāo)準(zhǔn)和參考的，研制樣件在綜合了文件資料、加工條件、管理?xiàng)l件后，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供生產(chǎn)制造的可行性驗(yàn)證和指標(biāo)容差設(shè)定參考。通過實(shí)例可知，指標(biāo)容差設(shè)計(jì)一般是經(jīng)過對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，也就是對(duì)質(zhì)量與成本進(jìn)行綜合考量后確認(rèn)的。為提高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)盲目設(shè)定指標(biāo)參數(shù)容差，會(huì)造成成本增加，容差設(shè)計(jì)的目的在于確定各指標(biāo)參數(shù)的最合理容差，使總損失（質(zhì)量與成本之和）達(dá)到最佳或最小。因此，要尋求使總損失最小的容差設(shè)計(jì)方案，通過合理的容差設(shè)計(jì)，可以減少產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)產(chǎn)生的損失。

參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)是相輔相成的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在滿足參數(shù)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮產(chǎn)品實(shí)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(jì)科學(xué)、合理地確定產(chǎn)品的指標(biāo)容差范圍，作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

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