產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則、設定依據以及參數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，說明容差設計在產品研制及其質量控制、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;質量控制;質量成本

0 引言

一般要描述裝備的性能如何，需要對裝備進行質量評價，而質量評價離不開相應的質量標準。

裝備質量標準是產品指標、要求、方法等的集合，是規定裝備質量特性（指數、規格等）應達到的技術要求和依據。

質量特性指裝備經過設計和研制、制造過程后所穩定呈現的固有特性，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量信息。

固有特性通常以量化指標參數的形式表達，通過考核其常規指標參數的符合程度，來衡量產品質量是否達到或者實現預期的需求，簡單來說，就是按技術文件所規定的方法對研制生產的產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

指標通常是指產品性能、功能、物理特性等達到的預期規格、標準，一般用數據標識，是衡量產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，要求測量結果在某個值的正負多少范圍內;（2）設定上限值，如紋波≤50 mV、負載效應≤1%等，要求測量結果小于等于某個值;（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量特性值的波動范圍，是質量標準的重要組成因素。從質量管理角度來講，為了保證交付顧客的最終產品質量波動盡可能少，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，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。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

設計人員根據輸入指標需求進行制圖、選材并加工，為了控制產品質量，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，實際生產制造的5件樣品加工偏差分布情況如表1所示。

產品設計階段的符合性檢測，不能只記錄通過或不通過，還應記錄質量特性的具體數值;不能只給出不合格率，還要按照質量損失理論，制定科學的統計方法來給出體現質量水平的數據。通過記錄質量特性的具體數值，可以采集到被測樣品偏差分布數據，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據，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%，存在較高質量成本風險。要降低產品質量風險，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單位進行加工，這樣無疑會增加生產成本。

3.3? ? 容差設計驗證

容差設計以確定各個參數合適的容差范圍為目的，基本思想如下：根據各參數的波動對產品質量特性影響的大小，從經濟性角度考慮有無必要對影響大的參數給予較小的容差（例如用較高質量等級的元件代替較低質量等級的元件），這樣一方面可以進一步減少質量特性波動，提高產品穩定性，減少質量損失，另一方面，由于提高了元件的質量等級，產品成本有所提高。因此，容差設計階段既要考慮進一步減少參數設計后產品仍存在的質量損失，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和設計容差調整到（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，產品合格率僅為60%，不合格品的產生會增加質量成本。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，則現有生產制造能力完全可以保證產品的合格率。

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、環境溫度試驗考核，試驗過程中未見異常現象，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和設計容差做更高要求的調整。

4 結語

產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，為產品設計提供生產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過對產品質量和生產經濟性進行綜合考慮，也就是對質量與成本進行綜合考量后確認的。為提高質量標準盲目設定指標參數容差，會造成成本增加，容差設計的目的在于確定各指標參數的最合理容差，使總損失（質量與成本之和）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，可以減少產品質量波動產生的損失。

參數設計和容差設計是相輔相成的，產品設計在滿足參數設計要求的同時，設計人員應充分考慮產品實際生產質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、合理地確定產品的指標容差范圍，作為產品質量控制的依據。

[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.