钣金零件可制造性评价 - 文章

钣金零件可制造性评价

作者：上海交通大学李峰周雄辉阮雪榆

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摘要：介绍了可制造性的基本概念及其评价原理，建立了评价的数学模型，并且以此为基础，对钣金零件进行了可制造性的评价。
关键词：可制造性；约束；评价；钣金件

一、引言

面向制造的设计DFM(Design For Manufacturing)是并行工程中最重要的研究内容之一，它是并行工程的一种设计方法，即产品设计与工艺设计并行进行的一种设计方法。随着工业的发展，设备与产品的功能和结构日趋复杂，产品设计在整个生产周期内占有越来越重要的位置。DFM是在设计阶段尽早地考虑与制造有关的约束，从可制造性角度评价产品设计，并提供反馈信息，及时改进设计，力求产品设计、工艺设计、制造一次成功，以达到降低产品成本，提高产品质量，缩短产品开发周期的目的。因此，进行DFM方面的研究是十分重要的，而DFM研究中一个重要的概念就是产品的可制造性。本文将对可制造性及其评价原理作介绍，并以钣金零件为实例，进行基于约束的可制造性评价。

二、可制造性基本概念

要想评价产品的可制造性，首先必须明确其定义，然而由于可制造性涉及面广，影响因素多，至今为止，还没有一个被广泛接受的统一定义。以下为几种产品可制造性的定义：

(1)定义：使产品易于制造的设计方法；
(2)定义：产品的结构工艺性为产品结构的特性总和；
(3)美国军用标准的定义：生产性是一个综合特性。当对设备进行设计和生产规划时，生产性使装备的制造、装配、检查、试验、验收具有最高的效率和最经济的费用；
(4)国标GB4863-35的定义：所设计的产品在能满足使用要求的前提下，制造和维修的可行性和经济性。

以上的各种定义给出了不同范围的可制造性描述，有的过于抽象，有的局限于产品结构工艺性。其实可制造性是一个非常广义的概念，包括诸多因素，具有以下几个基本特征：

(1)综合性可制造性是一个综合性的技术经济指标，其内涵和影响涉及产品设计、工艺路线、加工方法、制造设备等许多方面，是一个多标准评价的概念。

(2)相对性可制造性又是一个相对的动态概念，与生产规模、生产环境有关，这意味着某产品在这个制造环境下有好的可制造性，但是在另一个环境下，可能是差的可制造性。

(3)比较性不同种类的零件产品可制造性差别很大，只有与相同功能的产品进行比较，产品可制造性的分析评价才有意义。

三、可制造性评价原理

缩短生产周期(T)、提高产品质量(Q)、降低成本(C)是企业赢得竞争的主要途径。这些因素综合反映在产品设计的可制造性上可以概括为两大类指标：经济性指标(时间、成本)和技术性指标(如材料、零件结构、尺寸、公差的制造可行性和易行性等)。两类指标密切相关，还可以将分解成不同层次的分指标，共同构成树状的指标体系。

由于可制造性面广而且复杂，在评价时不容易面面俱到，在实际工作中，经常是抓住问题的主要方面进行研究。本文中是针对具体零件进行可制造性评价的，影响零件可制造性的最核心的两个因素是：零件形状和制造能力，同时也是决定工艺过程设计的两个主要因素。从理论上来分析，合理与可行的工艺过程计划是零件可制造的重要体现，所以，工艺过程设计与可制造性评价是密切相关的。可以将两者结合起来，从工艺过程设计出发去考虑零件的可制造性评价，在可制造性评价的基础上完成工艺设计。这样一种思路是与并行工程的思想方法相一致的。

从技术因素来看，零件优化设计就是寻求满足可装配性、结构工艺性和加工可行性三方面约束，并具有最短生产周期(T)、最优产品质量(Q)、最低成本(C)的产品配置。零件设计的三方面约束中，结构工艺性和加工可行性也是零件工艺过程设计所必须满足的约束条件。与零件优化设计相一致，零件工艺过程设计则是在可装配性、结构工艺性和加工可行性约束下，寻求最短的T、最优的Q和最低的C的工艺过程计划。图1是优化工艺过程设计的几何解空间表示，P1、P2和P3表示可行解。由于T、Q和C三个目标一般不可能同时达到最优，但是可以寻求某一个目标的最优或三者之间的最优组合，所以优化工艺过程设计可以表达为目标规划求解问题。

图1
Tmin(P1，P2，P3)=P1
Qmin(P1，P2，P3)=P2
Cmin(P1，P2，P3)=P3

该问题的数学模型可以表述如下

max Z=W1*Tp+W3*Cp
s.t.A(TP，QP，CP)≥0
M(TP，QP，CP)≥0
S(TP，QP，CP)≥0

上述模型中，目标函数是T、Q和C三者的加权和，W1、W2和W3分别是权系数，三个约束函数分别代表了三个约束条件，A(TP，QP，CP)≥0表示可装配性约束，M(TP，QP，CP)≥0表示加工可行性约束，S(TP，QP，CP)≥0表示结构工艺性。可装配性约束主要是属于面向装配的设计(DFA)研究的内容，所以，以下的讨论均假定零件满足可装配性约束，这样可以将基于优化工艺设计的零件可制造性评价划分成两个部分，一个部分是结构工艺性和加工可行性的边界约束条件检验，另一个部分则是建立在工艺过程设计基础上的不同工艺过程计划的目标函数值。基于该原理，本文主要研究关于零件结构工艺性和加工可行性评价。

四、基于约束的零件可制造性评价内容

1.基于约束的零件结构工艺性评价内容

零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，零件的毛坯制造、切削加工、装配和维修的可行性和经济性，为了避免因结构不合理而造成不必要的浪费，必须对所设计的零件结构工艺性进行检验，及时发现问题，并做出相应的修改。

结构工艺性要求本身具有一定的弹性，但是存在一些边界问题的情况。本文主要针对一些常见的情况，根据制造工艺性原理的一般要求，综合考虑零件及其组成特征的结构特点、特征参数值、精度要求，该特征与其它特征的位置关系等因素，从零件整体结构、单元特征、特征关系三个方面分别进行零件结构的工艺性边界约束检查。

2.基于约束的零件加工可行性评价内容

零件加工可行性是指零件所要求的表现形状、尺寸、精度和质量等要求能否在相应的企业设备状况下加工出来，即现有的设备资源对零件加工的约束限制。对零件加工可行性评价内容的划分与零件结构工艺性评价内容划分一致，它也主要包括三个方面，即零件整体要求的加工可行性评价；单元特征的加工可行性评价；特征关系的加工可行性评价。

五、钣金零件的可制造性评价

采用上述可制造性评价原则，针对钣金零件的具体特点，主要考虑零件对工艺的适应性，其制造规则可以归纳如下：

(1)最小相对弯曲半径r/t

r/t愈小，钣金零件变形程度愈大。如果弯曲半径过小，则材料外表面超过材料的最大许可变形而产生裂纹，因此，弯曲工艺受最小相对弯曲半径的限制。rmin/t＝k(k为常数，与材质和轧制方向有关)。

(2)最小临界尺寸

冲裁时，为了防止凸模折断或压弯，冲孔尺寸不能太小，必须大于最小孔径；孔与孔或孔与边缘的间距b、b1，与模具强度和寿命以及冲裁质量有关，其值不宜过小，一般取b≥1.5t、b1≥t(t为材料厚度)。对于弯曲工艺，为了保证工件的弯曲质量搭边长度、最小直边高度与凹模开口有一个约束关系：Lmin＝0.65V(V为凹模开口)；当弯曲90°时直边高度h＞2t；弯曲时应该防止孔的变形，要求孔壁与弯曲处有适当距离。对于拉深件，圆角半径不能过小。

(3)工艺参数的计算与检验

对于折弯零件，要计算其展开尺寸，因为柔性加工单元只能加工一定尺寸范围的工件，毛坯尺寸过大或过小，将造成部分机构动作失灵，折弯失败。计算力能参数(如冲裁力、弯曲力等)以检验现有的设备资源能否加工出来。

(4)精度

以现有加工设备资源同钣金零件的精度要求进行比较，确认其加工可行性。

当前的系统开发趋向于在产品设计阶段之后，利用工艺性分析和可制造性评估，提供产品的可制造性。设计人员和制造工程师只存在很少集成，不能很好地联系和合作。在并行工程设计过程中，设计人员和制造工程师都必须“在线”，这意味着设计人员必须建立设计特征和可制造性指标之间的联系，两者在共享数据和工具的高度集成环境中并行完成其功能，从而实现面向制造设计DFM的思想。它们的关系可以表示为：

通过将这些制造规划和条件引入产品设计阶段，部分建立了设计和制造之间的协调，使产品和过程设计集成为并行的活动，从而允许制造工程师积极影响设计过程，提高反馈的及时性。于是，通过超前的可制造性分析，使设计者在产生设计时计算其工艺性指标，而不是设计完成后提出修改意见，产品的可制造性也能在设计中得到部分保证，设计和可制造性评估并行进行，提高了产品的设计质量，缩短设计周期。

参考文献
［1］张玉云，吴瑞荣等.制造系统资源建模与适应性工艺过程设计.第四届中国计算机集成制造学术会议.哈尔滨，1996：383～388
［2］Chu X N,Hans Holm.Product manufacturability control for concurrent engineering.Computers In Industry,1994,24(1):29～38(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/1/2007)


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