面向制造與裝配的DFMA技術及其應用實例分析

李慧靜 趙繼榮

（博世電動工具（中國）有限公司，浙江 杭州 310052）

1 DFMA概述

DFMA是杰弗里·布斯羅伊德博士在20世紀70年代初期創立的方法論，它包括面向制造的設計（DFM）和面向裝配的設計（DFA）。DFA主要關注在組件設計時，減少連接/緊固件的數量，使零件總數最小化；理想情況下，良好的DFA約可降低25%的產品生產費用。DFM主要包含最優加工過程選擇、材料選用、公差設計和過程優化[1-2]。一般來說，DFA會先于DFM進行。DFMA技術的運用，可以縮短新產品的制造及上市周期。它通過降低產品的復雜程度、減少零件數量等，來減少裝配時間、降低零件成本、提升制造過程的可靠性，從而有效避免了產品開發后期由制造和裝配所帶來的質量問題，使得制造成本的最優化成為可能。

2 DFMA技術的應用

放眼國際，DFMA在汽車、飛機、計算機、機床生產、模具開發、通信產品、儀器儀表設計及制造領域都得到了較為廣泛的應用；但是，目前國內除小部分大企業在使用之外，DFMA的應用普及水平尚有待提升[3-4]。

本文基于DFMA在某國際知名公司的實施，對DFMA技術的應用做了如下實踐探討。

2.1 應用DFMA的時間及其影響

可以說，在產品的整體開發階段都可以應用DFMA技術，但在不同時間應用DFMA所帶來的產品糾錯費用的差異是巨大的。最佳的應用DFMA時間是在產品的概念研究階段，設計開始之前。到了產品的A樣例階段，也就是說等到具體的設計方案都基本確定的情況下，DFMA的應用對設計的影響就非常有限了。

圖1示出了DFMA在概念設計、原型試制、生產過程中的應用及糾錯費用變化趨勢。早期的良好設計，對應的成本支出低；若生產過程中及產品售后發現質量缺陷，則糾錯費用就開始以數量級增加。

圖1 DFMA在產品設計制造過程中的應用及產品糾錯費用變化趨勢

2.2 應用DFMA的前提

2.2.1 建立DFMA團隊

對應一個新的產品開發項目，在項目啟動之初就應組建DFMA團隊。這個團隊一般會由新產品設計開發人員、項目經理、裝配和生產計劃人員、項目采購、質量保證、精益專家、樣品試制、銷售及工業工程（時間方法研究/人機工程學）等職能人員組成。

2.2.2 建立DFMA的設計準則

DFMA的設計準則應包括但不限于以下十個方面[5]。產品的設計與制造應當：

1）支持使用中斷最少的、高可用性的制造流程；

2）支持使用內嵌式、可擴展的流程（批處理，避免分組和配套）；

3）允許使用簡單的諸如抓取、跨越、連接、運輸等作業流程，而不會給產品帶來損壞、纏繞或丟失的風險；

4）確保能夠在源頭識別產品缺陷并立即采取補救措施（質量控制回路短）；

5）要充分考慮防呆、防錯的方法，避免諸如部件缺失或雙部件、位置錯誤、型號錯誤、操作錯誤、調整錯誤等的出現；

6）能夠通過簡單的產品構造來避免錯誤的產生，例如采用很少的組件、簡單的組件幾何體、很少的流程或很少的部件差異等；

7）避免不靈活（有工具約束）的制造流程，例如鍛造、模具鑄造，可以通過任務分割以及手動和自動組件的組裝來實現靈活的工作內容；

8）通過使用模塊化的產品結構，在無須磨合和改進偏差的情況下，實現不同產品生產間的快速調機、換線；

9）能夠控制整個產品層面、生產線或工廠層面的風險，例如避免物料運輸中混料的風險；

10）支持使用久經考驗的工藝或核心技術以及具有良好質量歷史的批處理方案。

2.2.3 建立DFMA的評價準則

DFMA要針對產品制造的每一單個過程進行評價。評價主要圍繞產品設計是否可靠，制造過程是否穩定，以及生產是否精益展開[5]。

1）如果產品的設計包含以下幾點，則可以認為設計是可靠的：（1）產品的制造可以使用可靠且精益的流程，流程簡單且流程支持設計；（2）產品的幾何結構及部件結構復雜程度較低；（3）設計有防呆、防錯的方案；（4）產品的公差范圍可以覆蓋不同產品間由于材料波動、工具磨損、環境變化（如溫濕度的波動等）以及夾緊、熱處理等加工所帶來的尺寸改變。

2）當產品制造的過程符合以下標準時，則可認定過程是穩定的：（1）過程能力CP＞2.0（6個西格瑪）；（2）產品及關鍵外協件的質量，可以達到0公里投訴＜10×10-6，且沒有懸而未決的關鍵及主要缺陷投訴。

3）如果產品的制造過程符合以下標準，則可認為過程是精益的：（1）實現了連續流，不存在孤島作業；（2）使用了防呆、防錯的技術裝備；（3）設備檢測到故障后，會自動停機（自動化）；（4）缺陷的響應時間足夠短，即包含缺陷探測時間、反應時間以及執行改變時間之和的質量控制回路足夠短；（5）工序過程之間無浪費。

2.3 實施DFMA研討的主要步驟

在某一新產品項目DFMA專題研討會開始之前，需要拿到過去類似產品或該產品前期研討會的結論、平臺產品的定義、技術圖紙和零件清單。另外，初步裝配或生產的順序，有關標準組件或部件的信息以及標準的制造過程等也是需要提前準備好的。

一般情況下，一個完整的DFMA專題研討會主要步驟如下：

1）設定新產品項目的預期，比如產量、生產地點、產品的變化趨勢、項目的時間框架、關鍵的里程碑事件與時間節點（比如產品設計定稿的截止時間、加工設備的規格型號及采購到貨時間等）。

2）對產品的新穎度、變化幅度、零部件的自制或外購等進行詳細分析。

3）定義產品的工藝流程及每個工序的工步，畫出詳細的加工過程序列圖。將所有工序排列成行（主線），每個工序的多個工步（包含給料動作）上、下平行排列（分支），分別以綠、黃、紅三色標識區分那些有價值增值的、輔助支持的（比如測試）以及無價值增值的工序或工步。

4）將加工過程順序圖轉化為DFMA工作表。依據建立的DFMA設計與評價準則，以小組頭腦風暴的形式，對每個過程進行詳細分析與評估，并制定改進措施。

5）確認產品最終的加工工藝流程，并將DFMA的問題解決清單納入項目管理文件，定期追蹤、回顧，直至結案實施。

需要指出的是，DFMA不是孤立的，它與PFMEA（過程失效模式與影響分析）以及DRBFM（基于失效模式的設計評估）都是相互關聯的。

3 DFMA在某一集成開關設計中的應用實例

3.1 項目背景

H公司為某型號的電動工具配套開發了一款新型的集成開關SW。在這款開關的A樣例前期，H公司在客戶的幫助下，開展了DFMA的專題改善活動。

3.2 DFMA的研討過程

下面舉例說明設計優化的過程（未包括產品完整的工藝流程）。

首先，H公司組建了跨部門的DFMA團隊，并確定了開關產品DFMA的設計與評價準則。之后，大家又圍繞集成開關SW開展了DFMA的專題研討。在研討期間，團隊成員一起對集成開關SW的設計進行了詳細分析，明確了產品的構造與自制、外購部件的組成等等。然后，根據以往的開關制造經驗，繪制了集成開關SW詳細的加工過程序列圖。團隊成員又基于開關的設計與評價準則，對制造每個過程對應的產品設計都進行了詳細分析與評估（部分示例如表1所示）。對評估后認定需要改進的項目，安排了相應的責任人，確定了完成時間，對產品設計進行了優化。

3.3 DFMA的輸出成果

DFMA團隊對SW集成開關的所有54個工步做了詳細分析與評估，共認定了28個改善機會。其中7條與設計的穩健性相關，21條與過程的精益程度相關，如圖2所示。

圖2 SW集成開關的DFMA評估結果

對認定的每一個問題，團隊都制定了具體的改進措施以優化設計。此集成開關DFMA之后的部分設計優化方案以及優化后能帶來的直接收益如表2所示。

表2 SW集成開關的部分設計優化方案

SW設計優化之后，團隊成員又對開關進行了再次的DFMA評估。評估分數由之前的36分下降為16分，評估結果顯示優化后設計所帶來的制程風險已大大降低，這樣的設計是可以接受的。

DFMA的應用給SW集成開關項目帶來了明顯的成效：產品總零件數平均減少5%，裝配時間平均減少18%，按當年的產量計算，年成本平均節約了近50萬元。

4 結束語

面向制造與裝配的DFMA理念在控制技術質量、降低成本等方面具有明顯的優勢。隨著工業4.1“零缺陷”愿景的提出，DFMA技術將逐步融入智能制造體系，在提質、增效、升級中發揮更大的作用，體現更多的實際價值。