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公差設(shè)計(jì)一直是個(gè)熱門(mén)的話題，源于大家在工作的過(guò)程中，會(huì)遇到形形色色的問(wèn)題。譬如：供應(yīng)商無(wú)法制造出滿足公差要求的產(chǎn)品；產(chǎn)品裝配之后，出現(xiàn)了“裝配困難”的現(xiàn)象；圖紙?jiān)诎l(fā)行之后，出現(xiàn)了后期調(diào)整公差的現(xiàn)象；產(chǎn)品滿足公差，但是出現(xiàn)了試驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)的情況……諸如此類。

 

當(dāng)遇到這些問(wèn)題之后，可能大家會(huì)對(duì)研發(fā)有所抱怨，也想知道這個(gè)世界上是否有比較好的公差設(shè)計(jì)方法，來(lái)避免或者減少后期的一些問(wèn)題，讓問(wèn)題在設(shè)計(jì)的早期盡可能地發(fā)現(xiàn)。這一篇文章，我們來(lái)談一談公差設(shè)計(jì)的幾種方法。

 

方法一：類比法

 

所謂類比法，就是考慮所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用要求，參照同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方法被廣大機(jī)械設(shè)計(jì)師采用，具備較多優(yōu)點(diǎn)：

 

1.參照前人的設(shè)計(jì)，然后考慮新產(chǎn)品的要求進(jìn)行優(yōu)化，能夠避免重復(fù)再犯很多前人犯過(guò)的錯(cuò)誤，減少錯(cuò)誤的成本。

 

2.通過(guò)類比法，可以快速地確定本行業(yè)的產(chǎn)品參照何種類型的公差精度，避免成本過(guò)高或者生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

 

3.能夠減少大量的工作，包括尺寸公差的累積、干涉、間隙計(jì)算，關(guān)鍵尺寸的識(shí)別等，還能防止遺漏部分關(guān)鍵尺寸。

 

4.適合當(dāng)今的快速開(kāi)發(fā)的節(jié)拍，所考慮不周全的方面，也能在仿真分析，后續(xù)的試生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中能夠發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

 

可能很多人對(duì)于類比法有些垢病的原因是，在開(kāi)發(fā)周期和量產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了一些干涉配合的問(wèn)題。但是我們應(yīng)該明白，任何的公差設(shè)計(jì)方法，都無(wú)法保證萬(wàn)無(wú)一失，只有合適與不合適的情形。

 

當(dāng)然，類比法也有缺點(diǎn)，例如：在知識(shí)沒(méi)有得到很好傳承的時(shí)候，可能很容易“知其然而不知所以然”，因此，我們可能會(huì)需要一些例如FMEA，控制計(jì)劃等文件將知識(shí)傳承下來(lái)，以避免新人上陣的時(shí)候，只會(huì)復(fù)制，而不懂得變通。

 

方法二：計(jì)算法

 

容差設(shè)計(jì)和尺寸鏈計(jì)算都是屬于計(jì)算法的范疇。容差設(shè)計(jì)是根據(jù)顧客或者其它要求，對(duì)零件的公差進(jìn)行分配，以滿足既定的設(shè)計(jì)要求：間隙或者過(guò)盈。統(tǒng)計(jì)公差RSS法也是屬于容差設(shè)計(jì)的范疇，但由于管控成本高，且在有其它替代方法的情況下，如調(diào)整公差，一般不會(huì)采用統(tǒng)計(jì)公差。尺寸鏈計(jì)算則可以通過(guò)反向的方式，來(lái)檢查所分配的公差是否滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

 

計(jì)算法可用于裝配的零件公差分配。相對(duì)來(lái)說(shuō)，它是經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算出來(lái)的公差，具備科學(xué)性，一般能夠滿足設(shè)計(jì)要求，而且為批量制造，自動(dòng)化制造提供便利，零件滿足互換性要求。即便是設(shè)計(jì)工程師和制造場(chǎng)地不在同一個(gè)地方，制造場(chǎng)地仍然可以獨(dú)立的按照?qǐng)D紙進(jìn)行施工并能夠滿足裝配要求。在設(shè)計(jì)階段，部分會(huì)采用計(jì)算方法，特別是顧客和內(nèi)部高關(guān)注的地方，例如：顧客要求的間隙，可采用容差設(shè)計(jì)來(lái)分配公差，尺寸鏈來(lái)計(jì)算是否滿足設(shè)計(jì)要求。

 

計(jì)算法目前采用的范圍并不廣泛，主要原因如下：

 

1.計(jì)算法一般用于裝配過(guò)程，但實(shí)際的產(chǎn)品尺寸和公差不僅僅限于裝配，還有一些獨(dú)立的要求，例如：工作中經(jīng)常使用的量規(guī)，量具，它們的公差和精度要求通常是由行業(yè)的特性來(lái)決定的；一些產(chǎn)品的外形尺寸，如：手機(jī)，電腦等產(chǎn)品，它的主要功能是外形輪廓的美觀，舒適等。

 

2.計(jì)算法需要投入大量的時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行，這對(duì)研發(fā)的工作量來(lái)說(shuō)并不少。客觀來(lái)說(shuō)，它很難適應(yīng)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，可能等公差計(jì)算做完，這個(gè)項(xiàng)目早就到SOP的時(shí)間點(diǎn)了，而其它工作如開(kāi)模，供應(yīng)商定點(diǎn)還沒(méi)有開(kāi)始。

 

3.計(jì)算法可能包含重復(fù)的計(jì)算工作。像查表法（IT等級(jí)）和類比法中，其實(shí)已經(jīng)包括了一些已經(jīng)完成的計(jì)算工作，它們的誕生本身就是為了減少工作量而確定的，特別是IT等級(jí)，它已經(jīng)將計(jì)算的工作完成，方便機(jī)械設(shè)計(jì)師快速查閱和使用。

 

4.計(jì)算法不能脫離其它方法而獨(dú)立工作。容差設(shè)計(jì)可以保證你的設(shè)計(jì)要求向下一層的零件傳遞，但是無(wú)論如何，最初始的要求卻并非總是來(lái)自于上一層的傳遞。如果在零部件行業(yè)，很容易理解設(shè)計(jì)要求可以來(lái)自于上一級(jí)總成；但如果你是最終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者，它的公差精度（+/-0.1？+/-0.01？+/-0.001）可能還是需要參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，公司其它產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。尺寸鏈計(jì)算也可以計(jì)算出一個(gè)配合的最大最小過(guò)盈量，最大最小間隙量，但它永遠(yuǎn)無(wú)法判斷這個(gè)間隙或者這個(gè)過(guò)盈是否會(huì)遭遇生產(chǎn)線工人的吐槽。它仍然需要參考同類型的設(shè)計(jì)，評(píng)審是否存在問(wèn)題。

 

5.計(jì)算法也不能保證一定不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。特別是對(duì)于一些零件在裝配后需要滿足一些特定條件的使用，例如：機(jī)械運(yùn)動(dòng)，受到熱脹冷縮和摩擦系數(shù)，裝配變形等的影響，后期仍然會(huì)需要通過(guò)仿真分析、試生產(chǎn)等環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和改進(jìn)問(wèn)題。

 

方法三：查表法

 

選用公差等級(jí)就是解決零件使用要求與制造經(jīng)濟(jì)性的矛盾。機(jī)械設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)查表法來(lái)快速獲得所需的公差等級(jí)（含精度），減少大量重復(fù)的計(jì)算工作。在《公差與配合》手冊(cè)中，提供了較多具有參考價(jià)值的內(nèi)容。

 

圖3：IT等級(jí)及應(yīng)用（1）

 

在圖3中，可以看到，一些沒(méi)有裝配要求的產(chǎn)品，如量規(guī)，精密機(jī)械零件的尺寸，可以直接選用相對(duì)應(yīng)的IT等級(jí)來(lái)定義公差等級(jí)（含精度）。

 

圖4：IT等級(jí)及應(yīng)用（2）

 

從圖4中可以看到，當(dāng)我們需要定義一些零件和裝配要求的最初始輸入時(shí)，除了用類比法參照相同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也可以從IT等級(jí)中找到相對(duì)應(yīng)的要求。

 

圖5：IT等級(jí)及應(yīng)用（3）

 

從圖5中可以看到，在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中，有大量的非裝配尺寸存在，可以使用未注公差，可以參考IT等級(jí)。

 

IT等級(jí)的作用遠(yuǎn)不止這些，它還提供了一些常用的配合可供選型。當(dāng)你知道設(shè)計(jì)輸入是一個(gè)間隙或者過(guò)盈配合，且能夠?qū)⑵淞炕臅r(shí)候，就可以參照IT等級(jí)直接選用。

 

例如：Φ25孔軸配合，要求間隙為40-95μm，可以通過(guò)GB/T1801進(jìn)行查表，能夠很快找到H8/e7和E8/h7滿足間隙要求（小于允許的最大間隙）。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)先選用基孔制（部分應(yīng)用會(huì)優(yōu)先選用基軸制），即孔軸的配合公差為Φ25 H8/e7。至于H8/e7是否滿足產(chǎn)品的公差等級(jí)，可以參考圖3-5中的IT等級(jí)和應(yīng)用（備注：圖3-5中沒(méi)有列舉IT8，需要另行去找《公差與配合》中的相關(guān)內(nèi)容。）

 

圖6：GB/T1801優(yōu)選、常用配合極限間隙或極限過(guò)盈

 

方法四：根據(jù)加工精度定義公差

 

容差設(shè)計(jì)中，可以將總體的設(shè)計(jì)要求，如間隙等往下一級(jí)零部件傳遞，特別是多個(gè)零件進(jìn)行裝配的時(shí)候，可以將總體的公差分配到每個(gè)零件的公差上去。如下圖，總的要求是裝配之后的公差在+/-0.2的范圍之內(nèi)，如果是4個(gè)零件進(jìn)行裝配，采用平均值的方法，則每個(gè)零件的公差為+/-0.05.

 

圖7：極值法計(jì)算公差

 

但這種平均的方法也有弊端，它沒(méi)有考慮零件的公稱尺寸大小，以及設(shè)備加工精度所帶來(lái)的成本問(wèn)題。公稱尺寸較大，則公差要寬；公稱尺寸較小，則公差可以相對(duì)較小。一個(gè)100mm長(zhǎng)的零件和10mm長(zhǎng)的零件，不可能公差都是+/-0.1mm。

 

另外，不同的加工工藝，其所達(dá)到的精度也有所不同。我們假定其中一個(gè)零件是注塑件，另外一個(gè)零件是機(jī)加工件。很顯然，機(jī)加工很容易達(dá)到+/-0.05mm甚至+/-0.03mm以內(nèi)的公差。但注塑件要從+/-0.1mm達(dá)到+/-0.05以內(nèi)，其成本要明顯地上升，包括模具從普通模具升級(jí)到精密模具，注塑機(jī)臺(tái)也必須由普通的油壓機(jī)變成進(jìn)口的電動(dòng)注塑機(jī)。因此，在權(quán)衡成本的情況下，考慮設(shè)備的制造精度和公稱尺寸的大小，注塑件可能會(huì)分配到+/-0.1的公差，而機(jī)加工則可能只有+/-0.03的公差。

 

同樣的道理，某量具廠制造了一塊量塊，根據(jù)本文中的方法三，獲得了量塊的制造公差為240-0.0170/-0.0242。該量塊需要使用海綿進(jìn)行固定，并且采用不允許有松動(dòng)的方式進(jìn)行包裝。該海棉顯然不會(huì)采用和量塊一樣的尺寸精度，而是根據(jù)海綿的制造精度來(lái)定義公差，例如：240-0.1/-0.3。

 

方法五：產(chǎn)品目錄里的零件（catalog零件）的公差設(shè)計(jì)

 

有一些行業(yè)，具備自己的特殊狀況，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，只有一些目標(biāo)客戶群體，以及確定的一些產(chǎn)品應(yīng)用范圍。它并沒(méi)有具體針對(duì)哪個(gè)客戶，因此在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，也不知道顧客的具體要求是什么。這些企業(yè)在開(kāi)發(fā)完產(chǎn)品之后，會(huì)通過(guò)各種銷(xiāo)售渠道到市場(chǎng)上售賣(mài)。同時(shí)，一些顧客也會(huì)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)候，會(huì)根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品目錄來(lái)進(jìn)行選型。

 

在這種情況下，顧客與企業(yè)的關(guān)系并不緊密。甚至，產(chǎn)品已經(jīng)采購(gòu)使用多年了，兩家公司并未真正的有過(guò)溝通和聯(lián)系，多數(shù)是通過(guò)貿(mào)易商、代理商來(lái)溝通的。

 

我們會(huì)把這種零件叫做catalog零件，即產(chǎn)品目錄里可以供選用的一些零件，它的規(guī)格參數(shù)，尺寸等均已經(jīng)定好，不會(huì)隨著顧客的要求而發(fā)生改變。一旦發(fā)生改變，就變更成為一個(gè)新的零件。常見(jiàn)的這一類型的零件有：芯片，鋼材，樹(shù)脂，連接器，電子元器件，阻尼，O型圈、磁鐵等等。這些零件會(huì)在規(guī)格書(shū)上標(biāo)注其相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，包括尺寸公差。而在標(biāo)注這些參數(shù)及其公差的時(shí)候，會(huì)考慮的是，目標(biāo)顧客的大致需求，行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)的制造能力，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)等。有時(shí)候，它們的公差還會(huì)標(biāo)注的特別寬，以至于顧客在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)帶來(lái)一定的麻煩，例如：需要額外進(jìn)行分組；兼顧它的公差要求而改變其它產(chǎn)品的公差，等等。

 

這樣的案例其實(shí)很多，但又沒(méi)有其它更好的選擇。首先，這些catalog零件的價(jià)格便宜，而且質(zhì)量有相當(dāng)?shù)谋ＷC，并具有一定的專利。其次，企業(yè)無(wú)法繞開(kāi)這些頗具競(jìng)爭(zhēng)力的零件，而從頭開(kāi)始，是因?yàn)樾枨罅枯^小，沒(méi)有企業(yè)愿意投入過(guò)高而缺少回報(bào)。

 

舉一個(gè)O型圈的例子，由于密封的需求，通常會(huì)采用O型圈。O型圈是由橡膠制成的，而橡膠的質(zhì)量也非常重要。很多O型圈的廠商，都會(huì)開(kāi)發(fā)一些標(biāo)準(zhǔn)的O型圈，不僅價(jià)格便宜，而且質(zhì)量有保證，很難找到替代品。但隨即帶來(lái)的問(wèn)題是，O型圈的公差比較大，設(shè)計(jì)時(shí)在考慮壓縮比的同時(shí)，只能壓縮其它零件的公差，而不是O型圈的公差。

 

方法六：極具行業(yè)特點(diǎn)的公差設(shè)計(jì)

 

還有一些行業(yè)，其公差的規(guī)則和我們機(jī)械設(shè)計(jì)完全不一樣，但我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也離不開(kāi)它們，例如：線纜。傳統(tǒng)的機(jī)械零部件，是測(cè)量任意位置均落在公差范圍之內(nèi)，但是線纜不是。它是一個(gè)擠出工藝，產(chǎn)品的外形會(huì)隨著重力的作用而發(fā)生變化，從橫截面來(lái)看，它可能是扁的。那么，在測(cè)量的時(shí)候，直徑小于25mm的線纜，是通過(guò)任意2個(gè)垂直90度的角度來(lái)測(cè)量直徑，然后取其平均值；直徑大于25mm的線纜，則是通過(guò)類似卷尺的測(cè)量工具，先測(cè)量其周長(zhǎng)，再通過(guò)公式來(lái)獲得直徑。

 

在與線纜的裝配工藝中，如果你想通過(guò)過(guò)盈配合來(lái)固定一條線纜，那么，后期導(dǎo)致的問(wèn)題是，無(wú)論你的過(guò)盈里是多少，這根線纜可以在產(chǎn)品里滑動(dòng)。因此，我們?cè)谏钪幸?jiàn)到的線纜或者線束，絕大多數(shù)是通過(guò)模具，將線纜與其要配合的塑料件進(jìn)行注塑，通過(guò)熔化的方式，將兩者結(jié)合起來(lái)。