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产品结构设计中关于公差计算的理论和实际

阅读:322   更新时间:2023-08-16 14:53:27

产品结构设计做完后,一般会给客户评审一下,开个评审会。经常会遇到一个情况,就是对零件之间的间隙和公差,意见不一致,产生分歧。

会产生这样的情况的原因,很大程度上是因为,公差这个概念是很多人都会接触的知识,每个人对其都会有自己的理解。而且因为专业深度不同,理解也各不相同,里面往往会存在大量谬误,自然容易产生分歧。

首先大家要明白一个道理,即公差的作用。生产过程中因为设备精度等各种原因,产品尺寸往往不会正好符合设计值,或大或小,比如设计值30mm,有时做大到30.05mm,有时做小成29.95mm,设计公差实际上作用就是告诉工厂,在什么样的尺寸范围内算是合格品。精度要求越高,产品良率越低;精度要求越低,对零件间的配合间隙要求最大,产品质量不良风险上升,所以需要设计合适的公差要求和零件间的配合间隙。

要考虑单个零件的公差,就需要看这个零件加工上能达到的精度,和与该零件配合的其他零件的公差情况。以最常见的轴孔配合为例,假设轴的设计尺寸为30mm,加工能做到的公差范围是30+-0.05mm。这种情况下要让孔能使这个轴穿过,孔设计的尺寸和公差要求是什么样子的?机械手册中有过盈配合公差带、间隙配合公差带等标准,会有对应的标准值可以查询,今天我们不说这些,把问题进行简化,假设孔和轴都是刚性体无法过盈,那这个孔的最小值需要到30.05,才能保证每个轴都能穿过,如果孔的加工精度决定的公差范围也是+-0.05,那这个孔就需要做成30.1+-0.05才能保证每个孔一定能让所有轴穿过,从设计图上看,两个零件间就有0.1的间隙。

这种在产品结构设计中被称为极限公差值设计法,也就是算最大最小尺寸来决定设计间隙。但实际上在产品结构设计中并不会使用极限公差,因为一个产品往往有很多零件,都这么个算法,累计公差太大了。实际设计中,使用的是统计公差计算方式下的结果。

什么叫统计公差,这里涉及到一个概念,就是在设备良好,工艺正确,操作得当情况下,虽然轴的尺寸范围还是30+-0.05,但是实际上90%以上的零件尺寸集中在30+-0.02间,而且实际尺寸分布上,不是在区间之间均匀离散分布,是在尺寸和数量构成的曲线上,呈中间高两边低的正态分布状态,即越接近30mm的零件数量越多,这里就涉及一个知识,叫零件尺寸的CPK值,分为CP和CK,是通过测量几十组零件得出的情况,用来判定零件实际零件尺寸是否集中在某个尺寸,集中的这个尺寸是否是设计值。

产品结构设计中的统计公差,就是基于CPK值的计算公差的方式,不再以极限尺寸作为计算依据,而是按照设定的良率标准和CPK值来计算。仍然以上面这个轴孔配合为例,轴的尺寸公差还是30+-0.05,但是从CPK来看,99.5%的零件尺寸都在29.99~30.01之间,孔按照以往的CPK看,99.5%的零件尺寸精度能在+-0.01之间,生产上要求产品良率大于95%,那按照统计公差,孔设计值为30.02+-0.05即可,即这时设计上轴和孔之间的间隙只需要设计成0.02mm。

那在产品结构设计实际工作中,结构工程师就是一天到晚计算各种公差和间隙设计值么,还是在国内很多加工供应商无法提供CPK或者CPK造假的情况下?当然不是,工程师更常用的是经验值,每个行业在每种产品结构设计处都有经验值,这些经验值能符合该行业加工能力的实际情况,往往更符合实际更有效果,所以一个实战经验丰富的产品结构设计师,可比计算这些公差更靠谱的多。这里讲个段子,一天一个工厂要给一个圆锥状烟囱外侧加装一个螺旋而上的楼梯,要计算需要买多少长度的扶梯,这个扶梯的形状,显然是个螺旋渐开线,一个大学教授通过微积分的方法计算这条螺旋渐开线的长度,花了半天时间,而一名工程师翻开机械设计手册查看经验公式,十分钟算出结果。

产品结构设计中更常用的方式,就是使用经验公式,然后通过模型样品验证,有问题再微调(微调往往是因为加工商实际加工能力的原因),这是产品结构设计中更常见更有效的方式。所以如果仅仅只是知道一些公差的知识,并没有产品设计生产方面真正经验的人,真的没有必要在产品结构设计评审会上,与一名几十年实战经验的产品结构设计师讨论甚至争执这些设计值,连自己供应商的加工能力都不清楚,连CPK值都不知道,讨论这些真没什么意义,不够,加胶0.1,这方法看似粗糙,实际才是符合真实现状的大智慧。


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