李珊 周少雄 胡貴生

摘要：通過(guò)分析傳統(tǒng)機(jī)加制造的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)與制造的脫節(jié)，以及傳統(tǒng)人工可制造性檢查的滯后性和不一致性，研究了自動(dòng)化DFM技術(shù)在機(jī)加領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程及實(shí)現(xiàn)前景。分析提出了基于MBD模型的機(jī)加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化DFM實(shí)現(xiàn)路徑和規(guī)則庫(kù)迭代優(yōu)化方法，有利于在機(jī)加領(lǐng)域通過(guò)自動(dòng)化DFM技術(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提升的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；DFM；自動(dòng)化；MBD模型；并行開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）07-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.022

0? ? 引言

20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界制造業(yè)市場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了全球大市場(chǎng)的形成，世界市場(chǎng)由傳統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定逐步演變?yōu)閯?dòng)態(tài)多變。為適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，真正提高競(jìng)爭(zhēng)能力，DFM（Design For Manufacture）技術(shù)，即面向制造的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

DFX（Design For X），即面向產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)概念于20世紀(jì)90年代由SMTA提出，此后在汽車、國(guó)防、航空、計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、醫(yī)療設(shè)備等多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，關(guān)于DFM的應(yīng)用研究不斷拓展，如蔣祖華等人[2]分析了DFM技術(shù)應(yīng)用在擺線針輪減速器設(shè)計(jì)上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論了產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)、零件特征造型、裝配分析和DFM評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)，并描述了制造資源庫(kù)和加工方法庫(kù)等的建立過(guò)程。李峰等人[3]提出了并行工程環(huán)境下面向制造的設(shè)計(jì)方法（DFM），并且以鈑金零件為實(shí)例，建立了原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Bühler等人[4]則闡述了DFM方法在模擬/數(shù)字混合設(shè)計(jì)和深亞微米技術(shù)等方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)分析和優(yōu)化。段福斌[5]以回轉(zhuǎn)類零件為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了零件可制造性分析系統(tǒng)，研究產(chǎn)品可制造性評(píng)價(jià)策略，從而明確了開(kāi)發(fā)實(shí)用化DFM系統(tǒng)的功能要求和關(guān)鍵技術(shù)。Shing[6]描述了通過(guò)開(kāi)發(fā)專門的計(jì)算機(jī)程序來(lái)快速估計(jì)成型零件可制造性，識(shí)別顯著增加制造成本的制造相關(guān)特征或設(shè)計(jì)屬性，從而可以避免昂貴的特征，達(dá)到降低零件成本的目的。Kjeldsen[7]認(rèn)為近年來(lái)面向制造與裝配的設(shè)計(jì)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)使用Boothroyd和Dewhurst方法，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)特征進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)特征的可制造性數(shù)值評(píng)級(jí)，直接量化設(shè)計(jì)的可制造性。在電子設(shè)計(jì)方面，陳正浩[8]提出“設(shè)計(jì)要為制造而設(shè)計(jì)”，強(qiáng)化電路的可制造性，使電路設(shè)計(jì)按照規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，是電路可制造性設(shè)計(jì)的主要要求。同時(shí)，集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域也是會(huì)較早實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化DFM分析評(píng)估的領(lǐng)域，自動(dòng)化DFM思路對(duì)機(jī)加工領(lǐng)域有很強(qiáng)的借鑒性。Wazziki等人[9]使用DFMA軟件，通過(guò)改變投影面積來(lái)估計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吆吞摂M模具的模具成本，從而實(shí)現(xiàn)模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中的先期評(píng)估。羅振璧等人[10]提出了一種產(chǎn)品零件可制造性（DFM）和可裝配性（DFA）及產(chǎn)品的制造過(guò)程控制的并行過(guò)程方法，利用公理設(shè)計(jì)中的獨(dú)立公理及其相關(guān)定理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行系統(tǒng)可制造性設(shè)計(jì)。王家弟等人[11]研究了并行工程中面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)及其在鑄造中的研究和應(yīng)用情況，在產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)過(guò)程早期階段引入面向制造設(shè)計(jì)的DFM評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，從可鑄造性和經(jīng)濟(jì)性角度評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)特征，改進(jìn)不合理設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低成本和縮短生產(chǎn)周期的目的。

從上述研究中可以看出，DFM在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中應(yīng)用廣泛，且逐步向程序化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。

1? ? DFM技術(shù)在數(shù)控機(jī)加領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程

傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造串聯(lián)進(jìn)行，即在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)完成后再開(kāi)始制造工藝路線設(shè)計(jì)，串聯(lián)進(jìn)行的過(guò)程導(dǎo)致設(shè)計(jì)與制造過(guò)程脫節(jié)。隨著機(jī)械零件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提升，在生產(chǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，對(duì)于串聯(lián)進(jìn)行的過(guò)程，反復(fù)的設(shè)計(jì)修改不僅增加了成本、浪費(fèi)了材料，也嚴(yán)重增加了項(xiàng)目時(shí)間?，F(xiàn)代產(chǎn)品并行開(kāi)發(fā)過(guò)程則要求設(shè)計(jì)與可制造性評(píng)估同步進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段閉環(huán)解決，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)設(shè)計(jì)修改迭代。兩種開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖1所示。

在機(jī)械加工領(lǐng)域，加工時(shí)間、材料選擇、裝夾設(shè)計(jì)以及特殊造型均會(huì)帶來(lái)可制造性風(fēng)險(xiǎn)，因此十分有必要對(duì)機(jī)加過(guò)程開(kāi)展系統(tǒng)化的可制造性研究。通過(guò)對(duì)機(jī)加領(lǐng)域開(kāi)展全面化DFM，能夠在設(shè)計(jì)階段確定更合理的坯料，避免坯料浪費(fèi)；優(yōu)化細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，避免特殊刀具和復(fù)雜裝夾方式，縮減加工時(shí)間；確定合理的制造公差和結(jié)構(gòu)壁厚，優(yōu)化可制造性。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

傳統(tǒng)過(guò)程中分析機(jī)加零件可制造性，主要依賴人工在結(jié)構(gòu)圖紙完成后檢查各個(gè)特征設(shè)計(jì)是否符合工藝規(guī)則，存在檢查疏漏以及人員熟練度問(wèn)題，DFM的一致性和實(shí)用性存疑，且多數(shù)問(wèn)題只能延后到實(shí)際生產(chǎn)中才能發(fā)現(xiàn)。在生產(chǎn)過(guò)程中更改設(shè)計(jì)成本極高，且會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的時(shí)間浪費(fèi)。當(dāng)前DFM正在向設(shè)計(jì)前期和客觀自動(dòng)化發(fā)展，因此可在機(jī)加領(lǐng)域進(jìn)行基于MBD模型的自動(dòng)化DFM審查，實(shí)行過(guò)程如下：輸入產(chǎn)品MBD模型，DFM軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)特征識(shí)別，按照特征參數(shù)、特征關(guān)系以及材料選擇，依據(jù)設(shè)定的特征判斷規(guī)則，進(jìn)行可制造性評(píng)價(jià)，并輸出判斷結(jié)果，人工只需要進(jìn)行二次判斷和確認(rèn)。

實(shí)施DFM過(guò)程需要從設(shè)計(jì)端貫穿到制造端，設(shè)計(jì)端按照標(biāo)準(zhǔn)MBD設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證設(shè)計(jì)模型的幾何信息、材料屬性信息和裝配信息完整，這是系統(tǒng)化DFM設(shè)計(jì)實(shí)施的基礎(chǔ)。

實(shí)施全面系統(tǒng)化DFM最關(guān)鍵的是特征規(guī)則庫(kù)的建立和維護(hù)更新，特征規(guī)則庫(kù)是指將影響可制造性的設(shè)計(jì)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，形成一系列有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)要求。只有建立了可信、可量化的可制造性評(píng)估特征規(guī)則庫(kù)，自動(dòng)化DFM工具才能基于機(jī)械加工零件的模型設(shè)計(jì)特征進(jìn)行所需特征的讀取識(shí)別，之后基于量化規(guī)則進(jìn)行判斷?？尚?、可量化的規(guī)則庫(kù)建立需要制造和設(shè)計(jì)的協(xié)同，同時(shí)也要借助設(shè)計(jì)仿真工具。

全面系統(tǒng)化DFM的實(shí)施缺少不了仿真工具的輔助，首先，利用有限元仿真工具可以輔助制造端明確工藝要求與設(shè)計(jì)量化要求之間的聯(lián)系，有助于將工藝要求轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確量化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，便于可制造性評(píng)估特征規(guī)則庫(kù)的建立，相關(guān)的仿真工具有諸如ABAQUS進(jìn)行銑削仿真、DEFORM進(jìn)行熱處理和鑄造仿真以及Magics進(jìn)行3D打印結(jié)構(gòu)支撐仿真。

其次，可以使用仿真工具在DFM評(píng)估修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行產(chǎn)品加工的工藝加工工序步驟虛擬仿真，從而具象化產(chǎn)品的加工過(guò)程，對(duì)比分析進(jìn)行可制造性評(píng)估前后的差異，從而延伸出加工時(shí)間和加工成本的DFC（面向成本的設(shè)計(jì)）評(píng)估。此類型可以具象化加工過(guò)程的仿真軟件有諸如UG IPW模塊和鑄造Moldflow等工具。

最后，自動(dòng)化DFM工具識(shí)別模型特征并遍歷對(duì)比可制造性評(píng)估特征規(guī)則庫(kù)之后所得出的對(duì)比結(jié)論還需要人工介入進(jìn)行二次判斷。人工判斷是針對(duì)特征識(shí)別的準(zhǔn)確性和用于判別該類特征規(guī)則的適配性，從而保證自動(dòng)化審查的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)模型的引入，能夠分析判斷某一類型特征規(guī)則自動(dòng)判斷結(jié)論與人工判斷的一致性程度，從而使得規(guī)則庫(kù)的維護(hù)處于動(dòng)態(tài)更新過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有誤或容易出現(xiàn)特征識(shí)別錯(cuò)誤的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)規(guī)則庫(kù)迭代優(yōu)化。這也是自動(dòng)化DFM評(píng)估實(shí)施前期或規(guī)則庫(kù)發(fā)生變更之后不可或缺的環(huán)節(jié)。

2? ? 自動(dòng)化DFM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

圖3所示零件為框體，深色區(qū)域?yàn)殇X鎂合金材質(zhì)，灰色部分為PC塑料材質(zhì)。工藝上需要先進(jìn)行模內(nèi)注塑，形成鐵塑結(jié)合體，之后進(jìn)行細(xì)節(jié)特征銑削。從圖中可以看出，細(xì)節(jié)特征繁多且復(fù)雜，在建模過(guò)程中極易忽視注塑拔模方向和拔模角，以及銑削內(nèi)圓角和T形槽深高比。通過(guò)將自動(dòng)化DFM軟件（本文采用基于CATIA的DFM PRO軟件）部署到三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中，在設(shè)計(jì)完成注塑特征后，即可選擇注塑特征可制造性特征評(píng)估規(guī)則庫(kù)，對(duì)注塑特征進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別，并輸出與規(guī)則庫(kù)特征限定范圍的比較報(bào)告，之后人工復(fù)查報(bào)告；同樣地，在設(shè)計(jì)完成銑削特征后，選擇銑削規(guī)則庫(kù)，檢查銑削內(nèi)直角、封閉腔體和微小平面等特征，在設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)進(jìn)行模型可制造性優(yōu)化，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

圖4為鈑金零件，該零件涉及沖裁、折彎和打凸三種特征，為避免鈑金件應(yīng)力集中，并提升鈑金成型模具的強(qiáng)度，各類鈑金特征均有相應(yīng)的硬性合計(jì)要求，諸如折彎半徑、打凸尺寸、凸包距離邊緣距離、凸包距離折彎距離、鈑金特征與鈑金厚度關(guān)系等，設(shè)計(jì)要求繁多。因此，可以通過(guò)建立各類鈑金特征尺寸、距離與厚度之間的關(guān)系方程，將其設(shè)置到DFM PRO軟件當(dāng)中，在鈑金零件設(shè)計(jì)完成后，調(diào)用鈑金零件特征可制造性評(píng)估規(guī)則庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈑金零件的特征優(yōu)化。

其他各類機(jī)械加工零件，均可對(duì)應(yīng)工藝分類在實(shí)踐中形成可制造性特征評(píng)估規(guī)則庫(kù)，諸如裝配規(guī)則庫(kù)，用于實(shí)現(xiàn)裝配體干涉檢查和孔位對(duì)中檢查優(yōu)化；車削規(guī)則庫(kù)，用于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件根部圓角、最小壁厚以及回轉(zhuǎn)軸對(duì)中等的檢查優(yōu)化。目前已有各種自動(dòng)化DFM工具，通過(guò)實(shí)際案例分析可知，越早進(jìn)行自動(dòng)化DFM評(píng)估，越能提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。但是目前的自動(dòng)化DFM工具也存在相應(yīng)的不足，比如無(wú)法反向指導(dǎo)設(shè)計(jì)，需要人工參與等。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能化、系統(tǒng)化的可制造性DFM評(píng)估應(yīng)用前景必將更為廣闊。

3? ? DFM技術(shù)在數(shù)控機(jī)加領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在機(jī)加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用DFM技術(shù)，顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)在于識(shí)別某一產(chǎn)品的可制造性，避免制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)變更，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。隱形的優(yōu)勢(shì)在于在產(chǎn)品全生命周期中開(kāi)展DFM，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品系列間的可制造性迭代，從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)范化設(shè)計(jì)。例如不斷優(yōu)化材料選擇，從而將制造加工時(shí)間與產(chǎn)品材料相結(jié)合，從根本上把控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期。而零件特征的分割與合并，更是極大地影響著產(chǎn)品的坯料成本與裝配關(guān)系。通過(guò)DFM技術(shù)的應(yīng)用及迭代，逐步規(guī)范化模型設(shè)計(jì)，不但提升了產(chǎn)品的可制作性，也保證了產(chǎn)品之間的復(fù)用程度和延續(xù)性，最終能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本降低、開(kāi)發(fā)周期縮短、競(jìng)爭(zhēng)力提升的目的。

同時(shí)，隨著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的迭代優(yōu)化更新，DFM也在更近更深程度地扎根進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。比如現(xiàn)在越來(lái)越多的設(shè)計(jì)工具都嵌入了可制造性評(píng)估模塊，直接實(shí)現(xiàn)了DFM過(guò)程與設(shè)計(jì)工具的無(wú)縫集成。因此，在機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)嵤┤嫦到y(tǒng)化的可制造性評(píng)估，需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具與自動(dòng)化DFM工具的集成兼容性，從而最大化減少中間轉(zhuǎn)換流程，避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征信息在不同工具中轉(zhuǎn)換丟失的現(xiàn)象。其次，也要提前考慮到智能化大數(shù)據(jù)模型的部署，隨著時(shí)代的發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征數(shù)據(jù)成為寶貴的數(shù)據(jù)財(cái)富，積累下來(lái)的可制造性評(píng)估特征規(guī)則庫(kù)也同等重要，智能化的大數(shù)據(jù)模型的部署，有助于在設(shè)計(jì)階段分析預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問(wèn)題并進(jìn)行提示，從而進(jìn)一步將DFM過(guò)程前移，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

DFX是一種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的優(yōu)化方法、手段和工具，體現(xiàn)了并行工程的思想，即在設(shè)計(jì)階段盡早地考慮產(chǎn)品生命周期各階段的各種要求。借助計(jì)算機(jī)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的DFX工具，可以有效輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師按照DFX進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。當(dāng)今隨著競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的日漸嚴(yán)峻，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短能夠極大地提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，因此必須保證制造端可以一次性通過(guò)，將制造過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)提前在設(shè)計(jì)端進(jìn)行優(yōu)化規(guī)避。本文研究了DFM技術(shù)在機(jī)加產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)價(jià)值，同步分析了自動(dòng)化DFM技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程，認(rèn)為在機(jī)加領(lǐng)域推行自動(dòng)化DFM技術(shù)，不但有助于提升模型設(shè)計(jì)的可制造性，而且有助于規(guī)范化設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品延續(xù)性和迭代性，實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。同時(shí)，也展望了基于智能化數(shù)據(jù)模型優(yōu)化DFM評(píng)估實(shí)施階段的可能前景。

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收稿日期：2023-12-27

作者簡(jiǎn)介：李珊（1992—），女，陜西人，工程師，研究方向：機(jī)械加工仿真模擬。