面向制造和装配的产品设计之公差分析

DFMADFMA第4部分公差分析第4部分：公差分析ToleranceAnalysisToleranceAnalysis钟元钟元2013/03/302013/03/30DFMADFMA内容：一．常见的公差分析做法二．公差分析公差分析的算步骤三．公差分析的计算步骤四公差分析的计算方法四．公差分析的计算方法五．公差分析的三大原则六．产品开发中的公差分析2DFMADFMA一.常见的公差分析做法1.产品详细设计完成后，在designreview时，针对O-ring的压缩量进行公差分析；分析如下：3DFMADFMA一.常见的公差分析做法2.当发现公差分析的结果不满足要求时，修改尺寸链中的尺寸公差，从±0.15mm修改到±0.10mm，发现依然不能满足，继续修改到±0.05mm，直到满足O-ring的15%压缩量要求；成功完成公差分析。4DFMADFMA一.常见的公差分析做法存在的问题：公差的设定没有考虑到制程能力公差的设定没有考虑到制程能力公差的设定没有考虑到成本没有缩短尺寸链的长度没有缩短尺寸链的长度当公差分析结果不满足要求时，没有通过优化设计的方法，而是通过严格要求零件尺寸公差的方法；零尺对尺寸公差没有进行二维图标注对尺寸公差没有进行制程管控对尺寸公差没有进行制程管控产品制造后，没有利用真实的零件制程能力来验证设计阶段的公差分析在产品详细设计完成后才开始进行公差分析在产品详细设计完成后才开始进行公差分析5DFMADFMA一.常见的公差分析做法后果：产品不良率高产品不良率高要求严格的公差，产品制造成本高，但依然会出现不良品实际产品公差分析验证6实DFMADFMA二.公差分析1.公差的概念：为什为产生差为什么为产生公差？加工制程的变异：组装制程的变异：材料特性的不同设备或模具的精度组装设备的精度工装夹具的错误加工条件的不同操作员的不熟练装夹具错误模具磨损7DFMADFMA二.公差分析1.公差的概念：公差是零件尺寸所允许的偏差值设定零件的公差即是设定零件制造时公差是零件尺寸所允许的偏差值，设定零件的公差即是设定零件制造时尺寸允许的偏差范围100.0799.7599.8899.88100.03100.0510000100±0.20100.0099.9999.9210015100.15100.308DFMADFMA二.公差分析1.公差的概念：正态分布正态分布下偏差上偏差下偏差上偏差9DFMADFMA二.公差分析2.公差的本质：公差是产品设计和产品制造的桥梁和纽带是保证产品以优异的质量公差是产品设计和产品制造的桥梁和纽带，是保证产品以优异的质量、优良的性能和较低的成本进行制造的关键。公差制造设计公差制造功能制造费用功能性能外观制造费用装配费用制造方法选择外观可装配性设计限制制造方法选择机器夹具精密宽松稳健性设计设计意图产品质量检验不良率返工率产品质量客户满意返工率10DFMADFMA二.公差分析2.公差的本质：公差与成本的关系：零件公公差与成本的关系：零件公差越严格，零件制造成本就越高严格的零件公差要求意味着严格的零件公差要求意味着：更高的模具费用；更精密的设备和仪器；额外的加程序额外的加工程序；更长的生产周期；更高的不良率和返工率；要求更熟练的操作员和对操作员更多的培训；更高的原材料质量要求及其更高的原材料质量要求及其产生的费用。11DFMADFMA二.公差分析3.宽松的零件公差要求合的A.设计合理的间隙设计合理的间隙，防止零件过约束，避免对零件尺寸的不必要的公差要求，不合理的零件间隙设计会带来对零件不合理的公差要求合间隙合理间隙零件A零件B零件C12DFMADFMA二.公差分析B.简化产品装配关系，缩短装配尺寸链对于重要的装配尺寸在产品昀初设计阶段就要重点加以关注简化产对于重要的装配尺寸，在产品昀初设计阶段就要重点加以关注，简化产品的装配关系，避免重要装配尺寸涉及更多的零件，从而减少尺寸链中尺寸的数目，达到减少累积公差的目的，产品设计于是能够允许零件宽松的公差要求松的公差要求13减少尺寸链的长度，尺寸允许较大的公差DFMADFMA二.公差分析C.使用定位特征在零件的装配关系中增加可以定位的特征例如定位柱等定位特征能在零件的装配关系中增加可以定位的特征，例如定位柱等，定位特征能够使得零件准确的装配在产品之中，产品设计只需要对定位特征相关的尺寸公差进行制程管控，对其他尺寸就可以允许宽松的公差要求D.使用点或线或小平面与平面配合代替平面与平面配合使用点或线与平面配合的方式代替平面与平面的配合方式，避免平面的变形或者平面较高的粗糙度阻碍零件的顺利运动，从而可以对零件的平面度和粗糙度允许宽松的公差14原始的设计优化的设计DFMADFMA二.公差分析4.公差分析的概念：公差分析是指在满足产品功能性能外观和可装配性等要求的前提下公差分析是指在满足产品功能、性能、外观和可装配性等要求的前提下，合理定义和分配零件和产品的公差，优化产品设计，以昀小的成本和昀高的质量制造产品5.公差分析的目的：合理设定零件的公差以减少零件的制造成本判断零件的可装配性，判断零件是否在装配过程中发生干涉判断零件装配后产品关键尺寸是否满足外观、质量以及功能等要求预测产品不良率预测产品不良率当产品的装配尺寸不符合要求时，可以通过公差分析来分析制造和装配过程中出现的问题寻找问题的根本原因过程中出现的问题，寻找问题的根本原因优化产品的设计，这是公差分析非常重要的一个目的15DFMADFMA三.公差分析的步骤1.定义公差分析的关键尺寸及其公差：零件的装配间隙零件的装配间隙外观零件的配合间隙零件之间的功能、性能和可靠性等配合尺寸16DFMADFMA三.公差分析的步骤2.定义尺寸链：尺寸链是指在产品的装配关系中由互相联系的尺寸按定顺序首尾尺寸链，是指在产品的装配关系中，由互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组尺寸链两大特点是封闭性尺寸链是由多个尺寸首尾相连二是关尺寸链两大特点：一是封闭性，尺寸链是由多个尺寸首尾相连；二是关联性，组成尺寸链的每个尺寸都与关键尺寸有关联性，尺寸链中每个尺寸的精度会影响到关键尺寸的精度如果公差分析计算出的关键尺寸名义值与设计值不相等，则说明尺寸定义错误17DFMADFMA三.公差分析的步骤3.判断尺寸链中尺寸的正负：尺寸的正负可以使用“箭头法”确定箭头法是指从关键尺寸的任端尺寸的正负可以使用“箭头法”确定。箭头法是指从关键尺寸的任一端开始起画单向箭头，顺着整个尺寸链一直画下去，包括关键尺寸，直到昀后一个形成闭合回路，然后按照箭头方向进行判断，凡是箭头方向与箭向为负向为关键尺寸箭头同向的尺寸为负（-），反向的为正（+）尺寸链中的尺寸的增加如果使得关键尺寸的值增加则为正（+），如果使得关键尺寸的值减少则为负（）使得关键尺寸的值减少则为负（-）18DFMADFMA三.公差分析的步骤4.将非双向对称公差转换为双向对称公差：20010010020.0010010.010.010.1005.公差分析的计算极值法iasmTTiasmDD极值法均方根法iasm2TTiasmDD均方根法iasmTTiasmDD6.判断和优化19DFMADFMA四.公差分析的计算方法1.计算方法：极值法极值法是考虑零件尺寸昀不利的情况通过尺寸链中尺寸的昀大值极值法：极值法是考虑零件尺寸昀不利的情况，通过尺寸链中尺寸的昀大值或昀小值来计算关键尺寸的值均方根法均方根法是统计分析法的种是把尺寸链中的各个尺寸公差的均方根法：均方根法是统计分析法的一种，是把尺寸链中的各个尺寸公差的平方之和再开根即得到关键尺寸的公差20DFMADFMA四.公差分析的计算方法2.极值法：计算公式iTTDD计算公式：实例：A尺寸的值和公差为54.00±0.20，B为12.00±0.10，C为1300±010D为1600±015E为1250±010利用极值法求关键iasmTTiasmDD13.00±0.10，D为16.00±0.15，E为12.50±0.10，利用极值法求关键尺寸X的名义值和公差计算计算：计算X的名义值：DX=DA+DB+DC+DD+DE5400(1200)(1300)(1600)(1250)=54.00+(-12.00)+(-13.00)+(-16.00)+(-12.50)=54.00-12.00-13.00-16.00-12.50=0.50毫米计算X的公差TX=TA+TB+TC+TD+TE=0.20+0.10+0.10+0.15+0.10=0.65毫米X=0.5±0.6521DFMADFMA四.公差分析的计算方法3.均方根法：计算公式DD2TT计算公式：实例：A尺寸的值和公差为54.00±0.20，B为12.00±0.10，C为1300±010D为1600±015E为1250±010利用极值法求关键iasmDDiasmTT13.00±0.10，D为16.00±0.15，E为12.50±0.10，利用极值法求关键尺寸X的名义值和公差计算计算：计算X的名义值：（方法与极值法相同）DX=0.50毫米计算X的公差计算X的公差1001501001002002222222222EDCBAXTTTTTT0925.001.00225.001.001.004.010.015.010.010.020.0X=0.5±0.302230.0DFMADFMA四.公差分析的计算方法4.极值法与均方根法的区别当零件尺寸公差都是±01时利用WC和RSS方法的计算结果区别如下当零件尺寸公差都是±0.1时，利用WC和RSS方法的计算结果区别如下：WC方法的累积公差更大，计算结果更大23DFMADFMA四.公差分析的计算方法4.极值法与均方根法的区别当产品装配公差要求是±05时利用WC和RSS方法对零件尺寸公差要当产品装配公差要求是±0.5时，利用WC和RSS方法，对零件尺寸公差要求的区别（假设尺寸链中的每个尺寸分配相同的公差）WC方法要求严格的零件尺寸公差WC方法要求严格的零件尺寸公差24DFMADFMA四.公差分析的计算方法4.极值法与均方根法的区别计算方法极值法均方根法计算方法极值法均方根法模型假设所有尺寸都在公差范围之内1.所有尺寸都是正态分布2.尺寸的分布是全部没有偏差.3.所有公差体现的都是相同标准差数量(ors)LSLUSLLSLUSL(ors).4.尺寸都是对称公差.优点：如果零件实际制造尺寸都在公差范围之内那么产品不会出现不合格品非常优点：1.RSS是基于名义尺寸居中心，用概率统计理论分析零件尺寸的趋势接近真优缺点内，那么产品不会出现不合格品；非常保守；缺点：零件尺寸都处在极限值状态的机率是非常低的统计理论分析零件尺寸的趋势，接近真实性2.比WC法，其成本较低。缺点：太多的假设风险1.极值法要求零件较小的公差，不良率高2.零件成本高的风险.如果零件尺寸部分或所有RSS假设是无效的，结果的可靠性会降低1.尺寸链尺寸不超过4个1.尺寸链尺寸4个或4个以上25应用场合尺寸链尺寸不超过个2.对制造工艺不够了解尺寸链尺寸个或个以上2.对制造工艺足够了解DFMADFMA五.公差分析的三大原则1.宽松的零件公差要求公差越严格成本越高公差越严格，成本越高避免对零件尺寸提出严格的公差要求的公差要求26DFMADFMA五.公差分析的三大原则2.公差的一致性零件的制造工艺能力决定了公差分析中尺寸公差的设定公差并不是随零件的制造工艺能力决定了公差分析中尺寸公差的设定；公差并不是随意设定的；二维图纸中公差标注与公差分析中的公差致二维图纸中公差标注与公差分析中的公差一致；对公差分析中的尺寸需要进行制程管控；制造工艺能力公差分析中公差的设定二维图样零件公差标注能力公差的设定件公差标注零件尺寸制程管控制程管控27DFMADFMA五.公差分析的三大原