產(chǎn)品外形尺寸指標容差設計

周志東

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

關鍵詞：設計需求;指標容差設計;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）應達到的技術要求和依據(jù)。

質(zhì)量特性指裝備經(jīng)過設計和研制、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)預期的需求，簡單來說，就是按技術文件所規(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）設定上限值，如紋波≤50 mV、負載效應≤1%等，要求測量結(jié)果小于等于某個值;（3）設定下限值，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，那么指標容差在設計時應該盡可能縮小。

3 指標容差設計實例

通常設備的設計任務自整機開始，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設計。

3.1? ? 輸入需求指標

設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? ? 設計樣品試制

設計人員根據(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型設備，按設計圖紙進行加工，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)品設計階段的符合性檢測，不能只記錄通過或不通過，還應記錄質(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)量成本風險。要降低產(chǎn)品質(zhì)量風險，只能引進更高加工精度的設備，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? ? 容差設計驗證

容差設計以確定各個參數(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，容差設計階段既要考慮進一步減少參數(shù)設計后產(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，設計人員通過使用高精度加工設備專門制造尺寸（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、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)和設計容差做更高要求的調(diào)整。

4 結(jié)語

產(chǎn)品設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)品設計提供生產(chǎn)制造的可行性驗證和指標容差設定參考。通過實例可知，指標容差設計一般是經(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)量標準盲目設定指標參數(shù)容差，會造成成本增加，容差設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計方案，通過合理的容差設計，可以減少產(chǎn)品質(zhì)量波動產(chǎn)生的損失。

參數(shù)設計和容差設計是相輔相成的，產(chǎn)品設計在滿足參數(shù)設計要求的同時，設計人員應充分考慮產(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，通過容差設計科學、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.容差分析和設計方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.