基于尺寸工程技術的降成本方法

摘 要：為降低發動機生產成本，提高產品競爭力，從產品設計、加工、裝配等環節分析降低產品成本的方法，利用幾何公差正向設計、精準設計、公差分析、公差分配、尺寸鏈計算等尺寸工程技術實現設計與工藝的平衡、精度與成本的平衡，并以某柴油機信號盤為例進行驗證。結果表明：在保證滿足信號盤功能要求的前提下，應用尺寸工程技術并對公差進行優化后，單件成本減低15元，該方法在降低成本和廢品率等方面效果顯著。

關鍵詞：尺寸工程技術；降成本；幾何公差；結構設計；加工工藝；測量檢驗

中圖分類號：TK406文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0089-07

引用格式：徐慶增，張洋洋，徐俊義，等. 基于尺寸工程技術的降成本方法［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（4）：89-95.

XU Qingzeng，ZHANG Yangyang，XU Junyi，et al.Cost reduction method based on dimensional engineering technology［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：89-95.

0 引言

隨著經濟全球化與同質化競爭的加劇，各汽車主機廠以及配件廠承受的生產成本壓力越來越大，如何在保證產品質量的前提下降低成本成為重要研究方向。產品零部件公差的合理性是提高產品質量和降低成本的源頭。在產品開發中應用尺寸工程，可在設計前期有效識別和管理制造偏差，最大限度地消除“無法制造”問題［1-2］，并給整個設計團隊提供快速、并行的交流，大大降低制造和裝配變動對產品功能要求的影響，進而減少從概念設計到投入市場的時間、提高質量和降低成本［3-4］。如何利用尺寸工程技術降低成本在我國發動機行業處于探索階段，具有廣闊的研究前景。

1 相關概念

1.1 尺寸工程技術

尺寸工程以既定或預期的制造能力為出發點，合理分配和制定公差要求，并設計恰當的加工、裝配工藝，使產品達到既定的匹配和功能要求；并且通過應用尺寸鏈分析和公差虛擬仿真分析技術，對尺寸設計和尺寸要求進行風險評估和預防［5-6］。

尺寸工程技術基于并行工程概念［7］，以尺寸閉環管理為主線，是貫穿產品全生命周期的系統化工程，采用它可以在新項目詳細設計階段提前識別并解決與功能尺寸相關的風險，實現公差正向設計、公差正向分配、公差工藝最優化，最終實現設計與加工工藝的平衡、設計與裝配工藝的平衡、精度與成本的平衡。

尺寸工程技術發展30多年以來，已在乘用車、汽車零部件、航空航天、電子電器、軍工裝備、醫療設備等領域取得了成熟發展與廣泛應用，成為汽車等制造企業正向研發中不可或缺的核心技術。

1.2 幾何尺寸和公差

幾何尺寸和公差是尺寸工程技術的核心與基礎。幾何尺寸和公差是在設計、制造和檢測過程中用于描述零件的尺寸、形狀、位置和定位策略等特征的一種精準的工程技術語言。應用幾何尺寸和公差可以降低產品制造成本、提質增效［8-9］。通常公差越大產品制造成本越低。

2 尺寸工程技術在降低產品成本中的應用

2.1 設計意圖落地控制模型

尺寸工程工作圍繞產品設計意圖落地展開。產品設計意圖可總結為用最低的成本制造出最優秀的產品。在數字化智能制造時代，尺寸工程技術對設計意圖落地產生的影響越來越大。本文中基于尺寸工程技術與幾何公差規范提煉出的設計意圖落地控制技術模型如圖1所示。

產品設計過程用來表達設計意圖，產品加工過程用來實現設計意圖，產品測量過程用來檢測設計意圖，產品裝配過程用來驗證設計意圖。

該模型以設計意圖表達為核心，同時兼顧工藝可行性、測量可行性、裝配可行性；以幾何公差規范作為內部邏輯實現設計意圖傳遞；以尺寸工程技術作為外部驅動實現尺寸閉環管理。

2.2 基于設計的降成本方法

2.2.1 成本影響因素分析

產品成本的影響因素較多，各因素占比對生產成本影響的分析如表1所示［10］。由表1可知，對產品成本影響最大的是設計過程，設計水平直接影響工藝可行性、工藝路線選擇、工藝過程設計、檢驗方案策劃、檢驗方案實施、裝配工藝設計與裝配效率、裝配效果等過程，進而影響產品的成本。

2.2.2 降成本邏輯

設計過程決定了產品和零部件的結構形式、公差設計方案、材料選擇、熱處理工藝、加工工藝等，進而決定產品的成本。本文中重點探討在產品設計過程中，應用尺寸工程技術降低產品成本的方法，特別是幾何公差正向設計、幾何公差精準設計、公差分析、公差分配在產品研發與生產過程中的應用。

現有制造業生產模式如圖2所示。結構設計方案制定以后，進行零部件圖紙繪制工作。現階段，圖紙中幾何公差設計方案是否滿足要求、公差是否合適等均缺少專業分析。公差設計方案依賴下游生產環節（加工、測量、裝配）的驗證，在生產環節發現零部件干涉或無法保證功能尺寸等問題后，將這些問題反饋給研發端的設計部門，設計部門根據問題現象分析原因，進行相應優化，再繼續進行生產環節的驗證，反復循環，直到生產環節不再繼續暴露同樣問題。

在“研發設計—生產驗證—研發優化—生產驗證……”循環過程中，產生時間、人工和成本的浪費，其中成本浪費主要有以下幾類：1）公差系統設計不合理，原工藝無法滿足要求，需更改工藝，造成模具新開或修改浪費；2）公差設計偏嚴，導致零部件加工難度大、合格率低、廢品率高、返修率高，導致綜合成本高（如工裝成本高、夾具成本高、刀具成本高）；3）公差設計偏松，導致零部件裝配困難、裝配干涉，或裝配后功能尺寸超差概率高、功能尺寸批量失效、零部件報廢及裝配驗證資源的浪費等問題；4）幾何公差基準設計不合理，導致工藝基準轉換過多，進而引起加工過程公差累積偏大；5）結構或幾何公差設計不合理，導致設計方案反復優化，進而導致生產環節相應反復優化；6）公差設計不合理，直接影響測量方案的制定，導致檢具和檢驗資源浪費等。

理想制造業生產模式如圖3所示。理想制造業生產模式下［11］，在制定結構設計方案的同時，同步開展尺寸工程分析以及公差設計、公差分析、公差分配等工作，在設計階段充分考慮功能尺寸的可達性、關鍵尺寸與公差的工藝可行性、關鍵尺寸與公差的測量方案可行性、裝配工藝可行性等，然后將形成的最優幾何公差設計方案向下游傳遞，在滿足設計意圖的前提下使零件的幾何公差最大，實現精度與成本的平衡。通過尺寸工程技術的應用，在研發階段盡量對更多的問題進行預判并解決，減少傳遞到生產環節的問題，降低反復設計造成的成本浪費。

綜上，現有制造業生產模式缺少與結構設計同步的尺寸工程分析工作，設計過程中存在幾何公差設計偏小導致加工難度大、廢品率高、成本高，或幾何公差設計偏大導致功能失效等風險。在設計階段應用尺寸工程技術進行問題預判與分析、封閉，可有效平衡公差精度與生產成本，并保證產品質量，避免進入生產環節后，因公差工藝可行性差引起的試制浪費，進而大大減少因設計不合理與設計方案反復帶來的生產浪費。

2.2.3 基于幾何公差設計降成本的方法

2.2.3.1 幾何公差正向設計

幾何公差正向設計指的是零部件所有幾何公差的設計方案都應有理有據，不能通過參考經驗值、參考相近類似零件、參考工藝能力等方式制定。

幾何公差設計應在遵循滿足功能要求的前提下盡量放松原則［12］，而非數值越嚴越好、要求越多越好。幾何公差正向設計方法可總結為四步法：1）定功能，即確定零部件功能、精度要求、約束關系、結構特點、工藝特點等；2）定基準，即基于約束關系與功能，第一基準支撐零件，第二基準對齊零件，第三基準限制移動；3）定幾何公差，即根據設計意圖，按需選取，寧缺毋濫；4）定公差，應首先滿足功能要求，其次兼顧工藝，寧松毋嚴。

2.2.3.2 幾何公差精準設計

幾何公差精準設計，指的是在正向設計基礎上，充分利用幾何公差規范更精準地表達設計意圖。

幾何公差正向設計過程中，還應輔以最大實體要求、最小實體要求、基準偏移、包容原則、可逆要求、雙向公差、組合公差、復合公差、未規定偏置量的偏置公差帶設計原則、規定偏置量的偏置公差帶設計原則等幾何公差規范進行精準設計。最大實體要求與可逆要求的應用案例如圖4所示。

2.2.3.3 幾何公差正向分析

公差分析以尺寸鏈計算為基礎，將分析對象尺寸作為封閉環，將現有設計方案中所有相關零部件的尺寸作為組成環，通過尺寸鏈的建立與計算，得出組成環的上、下偏差，進而將該偏差與分析對象的設計要求作對比，用于判斷現有設計是否能夠滿足設計意圖。

按照不同分類維度，尺寸鏈有如下幾種類型：1）按尺寸鏈各環的幾何特征和所處空間位置，可分為直線尺寸鏈、角度尺寸鏈、平面尺寸鏈、空間尺寸鏈；2）按尺寸鏈相互聯系，可分為獨立尺寸鏈、并聯尺寸鏈；3）按尺寸鏈的應用范圍，可分為設計尺寸鏈、工藝尺寸鏈、裝配尺寸鏈。直線、獨立、裝配尺寸鏈示意如圖5所示。

如果現有設計不滿足設計意圖，則應結合各組成環的貢獻度與敏感度，通過優化結構與幾何公差設計方案使封閉環的上、下偏差平移或減小或平移并減小，達到封閉環的上、下偏差的設計要求。

如果現有設計滿足設計意圖，且封閉環上下偏差的分布范圍相對設計意圖有明顯的設計余量，則可以對部分組成環的公差進行放松、或對部分組成環的公差的過程控制能力要求進行放松，進而在保證設計意圖的前提下，降低這些零部件的設計要求，進而降低成本。

2.2.3.4 幾何公差正向分配

公差分配是指對相關零部件之間或同一個零部件內部進行幾何公差的協同設計與優化。在公差分析過程中，基于尺寸鏈計算，結合相關零部件結構特點、加工工藝、加工難度等，對有配合關系的多個特征的公差進行分配。

公差分配實現了精度與成本的平衡，對優化結構設計、公差設計、工藝設計起到決定性作用，且開展公差分配，有利于保證和提高產品的一致性。

對于孔、軸配合的零部件，在同等條件下，孔的加工難度大于軸的加工難度，所以公差分配首選推薦方案為孔公差大于軸公差，如Φ10H7孔與Φ10m6軸形成過渡配合配合，Φ10E8孔與Φ10m7軸形成間隙配合。

2.3 基于工藝的降成本方法

工藝環節是設計意圖落地的實現過程，從工藝方面降成本涉及內容比較廣泛，本文中只分析尺寸工程及幾何公差對成本的影響。

2.3.1 合理設計工裝、夾具的精度

合理設計定位工裝與夾具的精度是降成本的有效方法之一［13］。定位工裝與夾具的精度不僅是某定位銷直徑的精度，更重要的是需要從公差配合、邊界求解、定位銷布置位置（降低定位銷位置的敏感度）角度綜合分析，系統地確定精度，提高產品的合格率與一致性。

2.3.2 工藝基準與設計基準統一

理想狀態下工藝基準與設計基準應完全統一［14］，但是受限于設計水平、零件結構、各生產企業工藝設計經驗、認知水平、讀圖能力、操作習慣、設備選擇等，很多零部件實際加工過程中會發生工藝基準與設計基準不統一的問題；更有甚者，部分生產企業的工藝人員沒有工藝尺寸鏈概念，在進行工藝設計時比較隨意，導致累積公差較大，最終導致投入產出比較低，或者按照圖紙檢驗時合格率較低。

2.3.3 正確理解公差

部分生產企業對幾何公差理解錯誤，或幾何公差設計存在錯誤但是工藝人員未能識別，導致生產企業按照自己的理解進行了錯誤的工藝設計。如某平面要求區域平面度為0.1/（100×100），但是某生產企業錯誤的以為該平面整體平面度為0.1，導致工藝過設計。

2.4 基于測量檢驗的降成本方法

測量環節是對設計意圖是否落地的驗證過程。從測量方面降成本主要包括測量項制定、測量方案制定、測量方法制定、測量設備選擇等方面的優化［15］。

測量方法錯誤直接導致綜合成本上升：1）合格品被誤判為廢品，導致廢品率升高，直接影響成本；2）廢品被誤判為合格品，導致廢品被裝配到產品上，加大了裝配干涉與功能尺寸失效的風險，甚至引起產品報廢、客戶抱怨、產品市場口碑下滑等嚴重問題。

測量環節中功能檢具的合理設計與使用也會產生降成本效果，功能檢具測量效率高，可以節省三坐標測量儀的使用以及節省工人工時。反之，功能檢具設計錯誤，可導致嚴重誤判風險和檢具報廢造成的成本浪費。

3 實例分析

3.1 原信號盤設計方案現狀

某柴油機信號盤原設計方案加工工藝為普通走絲線切割，對應產品合格率只有67%，高廢品率導致成本增加。原信號盤幾何公差設計方案如圖6所示。由圖6可知：信號盤齒頂圓相對中間止口的同軸度為Φ0.05，齒側角度公差為±0.1°。

3.2 信號盤優化

3.2.1 分析步驟

1）識別影響信號盤合格率的關鍵因子；2）在三維公差仿真軟件中建模，分析原有設計方案對應的信號齒角度偏差；3）放松關鍵因子的公差，判斷發動機讀取信號精度是否超出要求；4）判斷該公差工藝可行性；5）迭代循環上述步驟，最后得出滿足信號精度要求且工藝可行前提下的關鍵因子的公差。

3.2.2 優化結果

公差分析模型樹如圖7所示。由圖7可知：裝配約束關系為凸輪軸裝配到機體軸承孔內，前端蓋一面兩銷裝配到機體前端，信號盤、轉速傳感器均通過孔軸間隙配合安裝到凸輪軸和前端蓋上；信號齒用于判斷凸輪軸轉速及相位，其周向精度應滿足要求，而齒頂圓同軸度與齒側角度是影響該周向精度的重要因素。

對各組成環零部件特征進行公差轉化及尺寸鏈計算， 采用相關軟件對20 000個原信號盤信號齒徑向角度偏差進行分析，結果如圖8所示。由圖8可知：信號齒與轉速傳感器在徑向方向角度偏差有99.7%（即3σ）的概率分布在（-1.02°，0.78°）。計算原信號盤的過程能力指數Cpk為1.95，遠高于不小于1.33的要求［16］，屬于過設計，可適當放寬要求，降低成本。

對影響信號盤合格率的齒頂圓同軸度、齒側角度公差進行優化，信號盤的齒頂圓同軸度公差由Φ0.05優化為Φ0.20、齒側角度公差由±0.1°優化為±0.5°，且無需更改加工工藝。優化后的幾何公差設計方案如圖9所示。優化后信號盤信號齒徑向角偏差分布為（-1.51°，1.38°），Cpk為1.35，滿足設計要求。按優化后信號盤方案進行生產，產品合格率提高到99%，單件成本可降低15元。

4 結束語

基于尺寸工程技術的降成本方法研究涵蓋了設計意圖落地、結構設計、定位精度設計與分析、公差設計、公差分析、公差分配、尺寸鏈計算、過程能力控制、加工工藝研究、測量技術研究、裝配驗證等領域。所有問題的分析與解決都是從人-機-料-法-環-測各個方面進行綜合分析，最終實現問題的系統解決以及降成本方案的系統提供。

尺寸工程技術與幾何公差標準作為正向設計與降成本的有效工具，在提高發動機生產一致性、降低成本等方面發揮重要作用。

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Cost reduction method based on dimensional engineering technology

XU Qingzeng1，2， ZHANG Yangyang1，2， XU Junyi1，2， FU Xiaolei1，2

1.State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061， China;

2.Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：To reduce engine production costs and improve product competitiveness， methods for reducing product costs are analyzed from product design， processing， assembly， and other aspects. Dimensional engineering techniques such as geometric tolerance forward design， precision design， tolerance analysis， tolerance allocation， and dimension chain calculation are used to achieve a balance between design and process， accuracy and cost. A diesel engine signal panel is used as an example for verification. The results show that， while ensuring the functional requirements of the signal panel are met， the application of dimensional engineering technology and optimization of tolerances can reduce the cost of a single piece by 15 yuan. This method has significant effects in reducing costs and scrap rates.

Keywords：dimension engineering technology; cost reduction; geometric tolerancing; structure design; processing technology; measurement and inspection

（責任編輯：臧發業）