進階篇：5）公差分析總章節

時間 2019-12-12

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本章目的：瞭解公差分析，作完整的公差分析。面試

1.前言

機械設計工程師在進行產品開發時,經常會碰到如下問題：
「設計時零件之間沒有干涉,怎麼裝配時就干涉了?」
「每一個零件的尺寸都在公差範圍內,但零件怎麼就是裝配不上?」
「我作了公差分析,但零件沒法達到尺寸精度,裝配問題仍是發生了。」
「每一個零件尺寸的精度已經達到了製造能力的極限,但公差分析的結果依然不知足要求,我該怎麼辦?」
「公差分析沒什麼用,純粹是爲了應付客戶。」
//這一點不少機械工程師都有，本質上是不瞭解公差分析，還有作了公差分析也得不償失。
「我不會作公差分析,公差分析很難,須要通過專業的培訓。」
//這句話算是對上一句的補充，惡性循環的結果。
本章將致力於解決以上問題並講述公差分析的概念、目的、公差分析的詳細步驟以及公差分析指南,並將提供公差分析的excel計算表格。工具

2.做者（mdmodule博主）的要求

2.1 作完整的公差分析

作完全部的公差分析，才能對整個產品質量有提高做用。

這個也是做者的博文與通常培訓資料最大的不一樣點！

由於做者在作全新得產品開發時，下狠心作過全套的公差分析：巴掌大的產品卻有130多個公差分析，有難有易，不少的公差都是牽扯在一塊兒的。若沒有所有作完，很容易變成放寬這個公差後縮小了那個公差。而一旦作完，全部公差都會言之有據，對產品總體質量的把握會有很大提升，不會由於各方面的遊說而隨意的更改公差或設計。

不少工程師都說公差分析製做重要的就夠了（什麼是重要的倒是說不清楚的），道理做者卻是理解。不說作公差分析時，作的越多難度呈幾何級上升（牽扯和修正會越多），單是有些設計的時限與回報，都容不得工程師去作這個。

但如果對產品的質量有要求，請作完全部的公差分析。前期設計，後期管理，我的和公司的積累，都會有幫助的。

讓一個不作完整公差分析的工程師體會到作完整公差分析的做用，對做者而言是個大難題。

2.2 對極值法的注重

極值法的設計對後期的質量管理會有很大的幫助，做者也特別注重這種基礎的公差分析法。

公差分析的方法在不斷改進，從最基礎的極值法，到均方根法（隸屬於統計公差法），再到六西格瑪的公差分析法（隸屬於統計公差法）等，公差分析的方法是根據時代的變化而變化的。

統計公差法有其優越性，這點不能否認。

但有不少工程師會只是爲了追求設計時髦（怎麼形容比較好，爲了運用統計公差法而去用它），放棄極值法的運用，轉而去用以統計公差爲基礎的方法。

只是不多有工程師意識到，統計公差法設計的是一個錯！誤！值!（正確來講是包含錯誤）。

其會對後期質量管理形成很大的負擔，特別是在公司製程能力沒有把握的前提下（不如說這個纔是常態,哪怕不少量產好久的產品）。

做者會推薦使用極值法，由於極值法設計的是一個正確值。

一個正確值更加利於設計意圖的體現，有利於製造、裝配、檢驗的溝通，也比較容易質量管控。

至於最後選用哪一種公差，不妨與質量管理人員再溝通一下。特別是在圖紙上標註公差的時候，這個公差是用什麼方法設計的，須要正確地傳達給下一個環節。

3.公差

3.1 公差的定義

機械設計工程師在進行產品設計時,會按照產品的功能要求定義零件的尺寸大小,但現實每每是比較殘酷的,零件是不可能徹底按照設計的尺寸製造出來的,老是會存在必定的差距,這可能由於刀具的磨損、治具的不完美、加工條件的波動或者操做員工的不熟練等。性能

例如,在三維設計軟件中,一個零件的長度尺寸設計值爲25.40mm,隨機從批量製造的樣品中抽出零件進行長度測量,長度的測量值多是25.48mm,如圖7-1所示。學習

若是測量數據的精度向小數點後無限制擴展,零件的實際製造尺寸與設計尺寸永遠也不可能徹底一致。測試

公差就是零件尺寸所容許的誤差值,設定零件的公差即設定零件製造時尺寸容許的誤差範圍。優化

例如,對於圖7-1中的尺寸設定爲(25.40±0.20)mm,則公差爲±0.20mm。零件製造後,若是測量時發現零件尺寸超出了這個誤差範圍,那麼該零件將被判爲不良品。除了尺寸公差外,公差還包括形位公差和位置公差等。本章討論的公差分析是針對尺寸公差進行的公差分析。spa

3.1.1 做者對公差定義的小解

1）固然，實際的公差與設計、製造、裝配、檢驗、質量管理都有關係，因此不能單純從製造的偏差來看待。

2）從公差的定義能夠看出，公差針對的是按照圖紙製做的全部全部零件。因此一張圖紙所表明的的經常是一堆零件，而非一個零件。這一點在之後的質量管理和cpk的章節中有用。

3）曾經做者面試時，有面試官讓做者用英文解釋公差定義，下面這個圖是國外對公差的定義╮(╯▽╰)╭，簡單的東西未必好解釋。

3.2 公差的產生--爲何會有公差

公差是不可避免的,其主要來源於表7-1所示的兩個方面的差別。設計

1）加工製程的變異

①設備或模具自己存在精度；
②不一樣批次的材料特性不一樣；
③加工條件的不一樣；
④操做員的熟練程度；
⑤模具的磨損。3d

2）裝配製程的差別excel

①裝配設備自己存在的精度；

②工具、夾具的製造精度。

注：當公差來自裝配，這種狀況通常發生在零件定位依靠工裝的時候。如通常點焊就須要工裝控制焊縫距離。

而通常的設計零件定位是依靠自身的特徵時，能夠考慮裝配公差爲零。

3.3 公差的本質

公差在產品設計中扮演着很是重要的角色。公差不只僅是諸如±0.20、+20/-0.十、+0.20/0、0/-0.10這一串數字而已,也不只僅是二維圖樣上漂亮的點綴。公差是產品設計工程師和製造工程師溝通的橋樑和紐帶,是保證產品以優異的質量、優良的性能和較低的成本進行製造的關鍵,這是公差的本質。
公差也是產品設計工程師和製造工程師之間的博弈。如圖7-2所示,產品設計工程師但願產品公差儘量地精密,以知足產品功能、性能、外觀和可裝配性等要求,實現設計意圖,提供穩健性的設計,從而提升產品質量和客戶滿意度。製造工程師則恰好相反,他們但願產品公差儘量寬鬆,因而能夠靈活地選擇產品製造工藝和方法,以較低的製造和裝配費用、以普通的機器和夾具、以較低的不良率和返工率進行製造。君不見在產品開發過程當中,產品設計工程師和製造工程師經常爲0.01mm的公差爭論得面紅耳赤?

//從上圖能夠看出來，所謂製造包含了製造、裝配、檢驗、質量管理、量產線設計等問題，在現代設計中這些部分都詳細劃分了出來，不是單純歸於製造了。只能說機械行業中口語上經常有不足吧!
所以,在產品設計中,應當合理選擇和設定零件和產品的公差。公差的設計既要知足產品的功能和質量要求,又要知足產品制形成本的要求,公差分析正是基於這樣的目的而產生。

3.4 公差和成本

公差與成本的關係：零件公差越嚴格，零件制形成本就越高。

但並非公差越嚴格，產品的質量越高，這點注意。

嚴格的零件公差要求意味着：
①更高的模具費用；
②更精密的設備和儀器；
③額外的加工程序；
④更長的生產週期；
⑤更高的不良率和返工率；
⑥要求更熟練的操做員和對操做員更多的培訓；
⑦更高的原材料質量要求及其產生的費用。

最典型的就是機械加工工藝的公差和成本的關係，以下圖所示：

其餘的工藝也是如此。

4.公差分析

4.1 公差分析的概念

公差分析是指在知足產品功能、性能、外觀和可裝配性等要求的前提下,合理定義和分配零件和產品的公差,優化產品設計,以最小的成本和最高的質量製造產品。

4.2 關於公差分析/公差分配的區別

有資料把公差的設計問題能夠分爲兩類：
一類是公差分析(Tolerance Analysis ,又稱正計算) ,即已知組成環的尺寸和公差,肯定裝配後須要保證的封閉環公差；

另外一類是公差分配(Tolerance Allocation ,又稱反計算) ,即已知裝配尺寸和公差,求解組成環的經濟合理公差。因爲通常尺寸鏈由多個組成環組成, 因此分配方案是多種多樣的。

其實這個和結構設計的從上至下的設計和從下至上的設計是一回事情，本質上沒有什麼區別。公差分析說到底仍是求合適的裝配目標尺寸，也就是反計算。

做者通常狀況下都會把公差設計、公差分析，公差分配當成一回事，不去太追求概念上的差異，由於方法的本質是不變的。

4.3 公差分析的目的

公差分析做爲面向製造和裝配的產品設計中很是有用的工具,能夠幫助產品設計工程師實現如下目的：
1)合理設定零件和產品的公差以下降產品製造和裝配成本。

//國外好的工業軟件能夠直接預估出一個產品的工藝可能性、製造時間和成本，端的是了不得，惋惜國內沒有。

2)判斷零件的可裝配性,判斷零件是否會在裝配過程當中發生干涉。
3)判斷零件裝配後產品關鍵尺寸是否知足外觀、質量以及功能等要求。
4)優化產品的設計,這是公差分析很是重要的一個目的。當經過公差分析發現產品設計不知足要求時,通常有兩種方法來解決問題。其一是經過嚴格的零件公差來達到要求,但這會增長零件的制形成本;其二是經過優化產品的設計(例如增長裝配定位特徵)來知足產品設計要求,這是最好的方法,也是公差分析的意義所在。
5)公差分析除了用於產品設計中,還可用於產品裝配完成後,當產品的裝配尺寸不符合要求時,能夠經過公差分析來分析製造和裝配過程當中出現的問題,尋找問題的根本緣由。

5.錯誤的公差分析的錯誤方法

最多見的公差分析錯誤方法，是碰見可靠性問題就下降公差。

然而對於機械設計師而言，這是最簡單快捷的方法。要是用別的方法，很容易就整死本身，難解的事情。說正題。

愈來愈多的企業意識到公差分析的重要性,並把公差分析列爲產品開發過程當中必不可少的一個關鍵步驟,產品設計工程師必須完成公差分析以後,才能進行下步的產品開發動做。可是,並非全部的企業和全部的工程師都能正確地進行公差分析。
下面以接線盒中密封圈的壓縮量爲例來講明一個典型的公差分析錯誤作法。接線盒主要用於安裝接線端子和電氣元件,常常用於室外環境,所以接線盒需具備防水功能,其防水功能主要由三個零件實現:底座、上蓋和O型圈。一種常見的接線盒側面防水結構剖面如圖7-10所示,

其中底座和上蓋是PC材料,經過注射加工製造;O型圈材料爲液態硅橡膠,經過模壓加工製造。按照O型圈材料的特性,該種材料O型圈的壓縮率必須大於15%才能保證防水(此處的15%僅用於該案例舉例，通常O型圈的壓縮率爲範圍值，壓縮率過高直接把O型圈壓壞，可參見後面的O型圈設計章節)。所以,在產品詳細設計完成後,在零件開模前,針對O型圈的壓縮率進行公差分析。

第一步,定義O型圈壓縮量的尺寸鏈,並把各個尺寸的正負、名義值和公差輸入到公差分析 Excel表格中,如圖7-11所示(O型圈的壓縮比爲壓縮量與直徑的比值,經過公差分析計算出壓縮量,再轉化爲表格中的壓縮比;此處採用極值法模型進行計算和判斷)。

第二步,由第一步的公差分析結果顯示,按照極值法計算的0型圈的最小壓縮量爲9.09%,小於15%,說明產品存在防水失敗的可能性,所以,將尺寸鏈中的各個尺寸公差作以下調整:

尺寸A:從±0.15調整爲±0.10;

尺寸B:從±0.05調整爲±0.03;

尺寸C:從±0.05調整爲±0.03;

尺寸D:從±0.15調整爲±0.10

尺寸E:從±0.05調整爲±0.03;

尺寸F:從±0.05調整爲±0.03。

將調整後的尺寸公差輸入到公差分析 Excel計算表格，如圖7-12所示。

計算出的O型圈的最小壓縮量爲14.37%,依然小於15%,繼續調整各尺寸公差:

尺寸A:從±0.10保持爲±0.10;
尺寸B:從±0.03調整爲±0.02;
尺寸C:從±0.03調整爲±0.02;
尺寸D:從±0.10保持爲±0.10;
尺寸E:從±0.03保持爲±0.03;
尺寸F:從±0.03調整爲±0.02。

將調整後的尺寸公差輸入到公差分析 Excel計算表格,如圖7-13所示,計算出的O型圈的最小壓縮量爲15.18%,大於15%,產品設計符合要求,公差分析順利完成。

5.1 鍾元老師和做者對例題的點評對比

這個例題是做者（mdmodule博主）直接摘錄鍾元老師DFMA書上的，做者認同這是一次錯誤的公差分析，但對於此次例題的點評是有些分歧的，這也是正常的。做者會在鍾元老師的點評下標註本身的意見，但願能幫助讀者更多地反思一下公差分析。以下文。

上述公差分析的計算過程是正確的。但顯然,上述公差分析的思路大部分是錯誤的,其錯誤之處包括:

1)在產品詳細設計完成後纔開始進行公差分析。

公差分析應該從產品概念設計階段就開始,在產品概念設計階段就應當根據產品的功能、外觀和可靠性等要求判斷出哪些裝配尺寸是關鍵尺寸,並經過優化的設計方法,例如縮短尺寸鏈、使用定位特徵等來確保關鍵尺寸符合要求。在產品詳細設計完成以後纔開始進行公差分析爲時已晚,此時若是發現產品設計有不符合要求之處須要修改,但產品詳細設計已經完成,再來修改設計則會浪費大量的時間和精力。

//做者注：公差分析從概念設計設計階段開始是很是困難的事情。至於關鍵尺寸的定義參見標準JB/T 5058-2006，原則上是要依據DFMEA來確認的。如今大部分公司和工程師確認關鍵尺寸靠的是感受（口頭上固然是憑藉經驗），因此這種關鍵尺寸實際上十分不靠譜，除非你真的很老道。做者傾向於公差設計在DFMEA以後，或提早在DFA以後，但不須要太提早，各個階段作各個階段的事情就好。還有，做者推薦的是作完全部的公差分析，而不是隻作重要尺寸的。作完以後，再來確認關鍵尺寸。

2)沒有縮短尺寸鏈的長度。

尺寸鏈越長,公差累積越多,公差分析的結果越不容易知足要求。實例中的尺寸鏈不是最優的尺寸鏈,可將尺寸C、D、E合併成一個尺寸。

//做者注：這是優化公差分析的方法，後面章節有介紹。以下圖簡介：

3)公差的設定沒有考慮零件製程能力。

在公差分析中,零件尺寸的公差並非能夠隨意設定和修改的,它們取決於零件製程能力。例如對於尺寸49.40,其公差±0.15比較合理,普通的注射工藝便可達到該級別;但將公差調整爲±0.十、甚至±0.05,普通的注射工藝就很難知足該級別。若是公差設定超過了零件製程能力,零件實際製造尺寸知足不了公差設定的要求,那麼即便公差分析的結果知足要求,產品仍是會發生失效。

//做者注：這一點很是重要，甚至在這點例題中，做者以爲最錯誤的一點，就是公差徹底沒有考慮製程能力。若是工程師不明白一種工藝的製程能力，也就是公差該取多大，建議去多翻翻國標。如注射工藝的標準GB14486-2008，模壓工藝（橡膠件通常工藝）國標GB3672-2002。49.4±0.15高於國標的MT1級，並不是普通的注射工藝能達到的。而O型圈的公差能夠參考下表：

因此上例子中的1.7±0.02是一個很是扯淡的尺寸公差，若是圖紙上這麼標註，要麼供應商不作，要麼被坑一把，通常如此。

4)計算模型採用極值法。

極值法存在不少缺陷,一方面是極值法與產品真實製造情況並不符合;另外一方面是極值法對零部件的公差要求比較嚴格,產品成本高。所以,在進行公差分析時,極值法並非一個最好的計算模型,除非在對產品品質要求很是高、零缺陷的場合。

//做者對極值法的注重在開篇裏就有寫。做者不能認同簡單的採用統計法來作公差分析，由於這是在理解制程能力和正態分佈這種概念上的，這很是難，無論是對公司而言仍是對工程師而言。

鍾元老師的觀點有必定道理，但這是創建在自身結構設計和公差分析都很是有基礎、公司的製程能力穩定、制度完善及溝通良好的狀況下。不然只能多出一堆錯誤的產品而不知道緣由。

特別是剛入門結構設計的工程師，會因爲對統計法的崇拜（沒有更好的詞了），而去盲目使用卻不顧後果。但國內如今又是一個比較輕視結構設計的環境，就容易形成不良率超高的後果。

做者推薦至少完整作過一個產品的公差分析，再去考慮統計分析的方法。（一個簡單產品的公差分析通常在3位數）

先作好如何設計正確，再作好如何設計合理的錯誤。

5)公差的設定沒有考慮到成本。

即便設定的公差在零件製程能力以內,但嚴格的公差要求高精度的設備和治具、要求嚴格的製程管控,同時會形成零件不良率上升,繼而形成產品成本增長。從產品成本角度來講,公差的設定必須考慮到產品成本,越寬鬆越好。

//這一條和第3條相同，也是要進行公差分析的原因。

6)當公差分析結果不知足要求時,沒有經過優化設計的方法,而是經過提升零件尺寸精度要求的方法。

還有其餘不少方法能夠優化產品設計,使公差分析的結果知足要求,例如縮短尺寸鏈、使用定位特徵、調整尺寸值等。

//這一條和第2條能夠歸爲一類，初學者最容易犯的錯誤。

7)對尺寸公差沒有進行二維圖標註。

尺寸鏈中的各個尺寸公差都須要進行管控,必須在二維圖中進行標註。

//這一條反而難辦，通常要學習過GD&T才能全面理解公差的標註。好比用統計公差法進行標註就必以下圖所示：

事實上不少公司都不知道有這種標註方式。

8)對尺寸公差沒有進行製程管控。

尺寸鏈中的公差設定是假設零件製造時的尺寸差別,只有當零件實際製造狀況與公差設定一致時,公差分析的結果纔可能與真實產品裝配後的狀況一致,因此必須對尺寸鏈中的每個尺寸公差進行製程管控。若是不進行製程管控,零件實際製造時的公差大於尺寸鏈中的設定公差,則可能會致使產品在之後的測試或使用過程當中出現功能、質量和可靠性等問題。

//尺寸公差的管控並不是是依據公差分析，而是依據公差的嚴重度來管控的，也就是DFMEA的要求來。這兩點仍是有區別的。

但做者也說過，大部分公司判斷關鍵尺寸也好，重要尺寸也好，靠感受來的多。因此這一條作的很馬虎的。很少說。

9)零件製造後,沒有利用真實的零件製程能力來驗證設計階段的公差分析。

公差分析的過程是一個模擬和假設的過程,當零件製造後,須要經過真實的零件製程能力來進行驗證,確保公差分析的結果與實際一致。

//對的，尺寸公差分析須要和質量管理人員對接否則很容易作的一堆公差分析變廢紙。

根據實際測量的零件尺寸和公差及製程能力，再進行公差分析，與設計階段的公差分析進行對比；

若是出現結果不知足時，一方面考慮是否能夠進行設計的優化；另一方面考慮是否能夠提升零件製程能力。