进阶篇：5）公差分析总章节

本章目的：了解公差分析，作完整的公差分析。

 

1.前言

机械设计工程师在进行产品开发时,经常会碰到如下问题：
“设计时零件之间没有干涉,怎么装配时就干涉了?”
“每一个零件的尺寸都在公差范围内,但零件怎么就是装配不上?”
“我作了公差分析,但零件没法达到尺寸精度,装配问题仍是发生了。”
“每一个零件尺寸的精度已经达到了制造能力的极限,但公差分析的结果依然不知足要求,我该怎么办?”
“公差分析没什么用,纯粹是为了应付客户。”
//这一点不少机械工程师都有，本质上是不了解公差分析，还有作了公差分析也得不偿失。
“我不会作公差分析,公差分析很难,须要通过专业的培训。”
//这句话算是对上一句的补充，恶性循环的结果。
本章将致力于解决以上问题并讲述公差分析的概念、目的、公差分析的详细步骤以及公差分析指南,并将提供公差分析的excel计算表格。

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，才能对整个产品质量有提高做用。

这个也是做者的博文与通常培训资料最大的不一样点！

由于做者在作全新得产品开发时，下狠心作过全套的公差分析：巴掌大的产品却有130多个公差分析，有难有易，不少的公差都是牵扯在一块儿的。若没有所有作完，很容易变成放宽这个公差后缩小了那个公差。而一旦作完，全部公差都会言之有据，对产品总体质量的把握会有很大提升，不会由于各方面的游说而随意的更改公差或设计。

不少工程师都说公差分析制做重要的就够了（什么是重要的倒是说不清楚的），道理做者却是理解。不说作公差分析时，作的越多难度呈几何级上升（牵扯和修正会越多），单是有些设计的时限与回报，都容不得工程师去作这个。

但如果对产品的质量有要求，请作完全部的公差分析。前期设计，后期管理，我的和公司的积累，都会有帮助的。

让一个不作完整公差分析的工程师体会到作完整公差分析的做用，对做者而言是个大难题。

2.2 对极值法的注重

极值法的设计对后期的质量管理会有很大的帮助，做者也特别注重这种基础的公差分析法。

公差分析的方法在不断改进，从最基础的极值法，到均方根法（隶属于统计公差法），再到六西格玛的公差分析法（隶属于统计公差法）等，公差分析的方法是根据时代的变化而变化的。

统计公差法有其优越性，这点不能否认。

但有不少工程师会只是为了追求设计时髦（怎么形容比较好，为了运用统计公差法而去用它），放弃极值法的运用，转而去用以统计公差为基础的方法。

只是不多有工程师意识到，统计公差法设计的是一个错！误！值!（正确来讲是包含错误）。

其会对后期质量管理形成很大的负担，特别是在公司制程能力没有把握的前提下（不如说这个才是常态,哪怕不少量产好久的产品）。

做者会推荐使用极值法，由于极值法设计的是一个正确值。

一个正确值更加利于设计意图的体现，有利于制造、装配、检验的沟通，也比较容易质量管控。

至于最后选用哪一种公差，不妨与质量管理人员再沟通一下。特别是在图纸上标注公差的时候，这个公差是用什么方法设计的，须要正确地传达给下一个环节。

3.公差

3.1 公差的定义

机械设计工程师在进行产品设计时,会按照产品的功能要求定义零件的尺寸大小,但现实每每是比较残酷的,零件是不可能彻底按照设计的尺寸制造出来的,老是会存在必定的差距,这可能由于刀具的磨损、治具的不完美、加工条件的波动或者操做员工的不熟练等。

例如,在三维设计软件中,一个零件的长度尺寸设计值为25.40mm,随机从批量制造的样品中抽出零件进行长度测量,长度的测量值多是25.48mm,如图7-1所示。

若是测量数据的精度向小数点后无限制扩展,零件的实际制造尺寸与设计尺寸永远也不可能彻底一致。

公差就是零件尺寸所容许的误差值,设定零件的公差即设定零件制造时尺寸容许的误差范围。

例如,对于图7-1中的尺寸设定为(25.40±0.20)mm,则公差为±0.20mm。零件制造后,若是测量时发现零件尺寸超出了这个误差范围,那么该零件将被判为不良品。除了尺寸公差外,公差还包括形位公差和位置公差等。本章讨论的公差分析是针对尺寸公差进行的公差分析。

3.1.1 做者对公差定义的小解

1）固然，实际的公差与设计、制造、装配、检验、质量管理都有关系，因此不能单纯从制造的偏差来看待。

2）从公差的定义能够看出，公差针对的是按照图纸制做的全部全部零件。因此一张图纸所表明的的经常是一堆零件，而非一个零件。这一点在之后的质量管理和cpk的章节中有用。

3）曾经做者面试时，有面试官让做者用英文解释公差定义，下面这个图是国外对公差的定义╮(╯▽╰)╭，简单的东西未必好解释。

3.2 公差的产生--为何会有公差

公差是不可避免的,其主要来源于表7-1所示的两个方面的差别。

 

1）加工制程的变异

①设备或模具自己存在精度；
②不一样批次的材料特性不一样；
③加工条件的不一样；
④操做员的熟练程度；
⑤模具的磨损。

2）装配制程的差别

①装配设备自己存在的精度；

②工具、夹具的制造精度。

 

注：当公差来自装配，这种状况通常发生在零件定位依靠工装的时候。如通常点焊就须要工装控制焊缝距离。

而通常的设计零件定位是依靠自身的特征时，能够考虑装配公差为零。

3.3 公差的本质

公差在产品设计中扮演着很是重要的角色。公差不只仅是诸如±0.20、+20/-0.十、+0.20/0、0/-0.10这一串数字而已,也不只仅是二维图样上漂亮的点缀。公差是产品设计工程师和制造工程师沟通的桥梁和纽带,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,这是公差的本质。
公差也是产品设计工程师和制造工程师之间的博弈。如图7-2所示,产品设计工程师但愿产品公差尽量地精密,以知足产品功能、性能、外观和可装配性等要求,实现设计意图,提供稳健性的设计,从而提升产品质量和客户满意度。制造工程师则恰好相反,他们但愿产品公差尽量宽松,因而能够灵活地选择产品制造工艺和方法,以较低的制造和装配费用、以普通的机器和夹具、以较低的不良率和返工率进行制造。君不见在产品开发过程当中,产品设计工程师和制造工程师经常为0.01mm的公差争论得面红耳赤?

//从上图能够看出来，所谓制造包含了制造、装配、检验、质量管理、量产线设计等问题，在现代设计中这些部分都详细划分了出来，不是单纯归于制造了。只能说机械行业中口语上经常有不足吧!
所以,在产品设计中,应当合理选择和设定零件和产品的公差。公差的设计既要知足产品的功能和质量要求,又要知足产品制形成本的要求,公差分析正是基于这样的目的而产生。

3.4 公差和成本

公差与成本的关系：零件公差越严格，零件制形成本就越高。

但并非公差越严格，产品的质量越高，这点注意。

严格的零件公差要求意味着：
①更高的模具费用；
②更精密的设备和仪器；
③额外的加工程序；
④更长的生产周期；
⑤更高的不良率和返工率；
⑥要求更熟练的操做员和对操做员更多的培训；
⑦更高的原材料质量要求及其产生的费用。

最典型的就是机械加工工艺的公差和成本的关系，以下图所示：

 

其余的工艺也是如此。

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,以最小的成本和最高的质量制造产品。

4.2 关于公差分析/公差分配的区别

有资料把公差的设计问题能够分为两类：
一类是公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知组成环的尺寸和公差,肯定装配后须要保证的封闭环公差；

另外一类是公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸和公差,求解组成环的经济合理公差。因为通常尺寸链由多个组成环组成, 因此分配方案是多种多样的。

其实这个和结构设计的从上至下的设计和从下至上的设计是一回事情，本质上没有什么区别。公差分析说到底仍是求合适的装配目标尺寸，也就是反计算。

做者通常状况下都会把公差设计、公差分析，公差分配当成一回事，不去太追求概念上的差异，由于方法的本质是不变的。

4.3 公差分析的目的

公差分析做为面向制造和装配的产品设计中很是有用的工具,能够帮助产品设计工程师实现如下目的：
1)合理设定零件和产品的公差以下降产品制造和装配成本。

//国外好的工业软件能够直接预估出一个产品的工艺可能性、制造时间和成本，端的是了不得，惋惜国内没有。

2)判断零件的可装配性,判断零件是否会在装配过程当中发生干涉。
3)判断零件装配后产品关键尺寸是否知足外观、质量以及功能等要求。
4)优化产品的设计,这是公差分析很是重要的一个目的。当经过公差分析发现产品设计不知足要求时,通常有两种方法来解决问题。其一是经过严格的零件公差来达到要求,但这会增长零件的制形成本;其二是经过优化产品的设计(例如增长装配定位特征)来知足产品设计要求,这是最好的方法,也是公差分析的意义所在。
5)公差分析除了用于产品设计中,还可用于产品装配完成后,当产品的装配尺寸不符合要求时,能够经过公差分析来分析制造和装配过程当中出现的问题,寻找问题的根本缘由。

5.错误的公差分析的错误方法

最多见的公差分析错误方法，是碰见可靠性问题就下降公差。

然而对于机械设计师而言，这是最简单快捷的方法。要是用别的方法，很容易就整死本身，难解的事情。说正题。

愈来愈多的企业意识到公差分析的重要性,并把公差分析列为产品开发过程当中必不可少的一个关键步骤,产品设计工程师必须完成公差分析以后,才能进行下步的产品开发动做。可是,并非全部的企业和全部的工程师都能正确地进行公差分析。
下面以接线盒中密封圈的压缩量为例来讲明一个典型的公差分析错误作法。接线盒主要用于安装接线端子和电气元件,常常用于室外环境,所以接线盒需具备防水功能,其防水功能主要由三个零件实现:底座、上盖和O型圈。一种常见的接线盒侧面防水结构剖面如图7-10所示,

其中底座和上盖是PC材料,经过注射加工制造;O型圈材料为液态硅橡胶,经过模压加工制造。按照O型圈材料的特性,该种材料O型圈的压缩率必须大于15%才能保证防水(此处的15%仅用于该案例举例，通常O型圈的压缩率为范围值，压缩率过高直接把O型圈压坏，可参见后面的O型圈设计章节)。所以,在产品详细设计完成后,在零件开模前,针对O型圈的压缩率进行公差分析。

第一步,定义O型圈压缩量的尺寸链,并把各个尺寸的正负、名义值和公差输入到公差分析 Excel表格中,如图7-11所示(O型圈的压缩比为压缩量与直径的比值,经过公差分析计算出压缩量,再转化为表格中的压缩比;此处采用极值法模型进行计算和判断)。

第二步,由第一步的公差分析结果显示,按照极值法计算的0型圈的最小压缩量为9.09%,小于15%,说明产品存在防水失败的可能性,所以,将尺寸链中的各个尺寸公差作以下调整:

尺寸A:从±0.15调整为±0.10;

尺寸B:从±0.05调整为±0.03;

尺寸C:从±0.05调整为±0.03;

尺寸D:从±0.15调整为±0.10

尺寸E:从±0.05调整为±0.03;

尺寸F:从±0.05调整为±0.03。

将调整后的尺寸公差输入到公差分析 Excel计算表格，如图7-12所示。

计算出的O型圈的最小压缩量为14.37%,依然小于15%,继续调整各尺寸公差:

尺寸A:从±0.10保持为±0.10;
尺寸B:从±0.03调整为±0.02;
尺寸C:从±0.03调整为±0.02;
尺寸D:从±0.10保持为±0.10;
尺寸E:从±0.03保持为±0.03;
尺寸F:从±0.03调整为±0.02。

将调整后的尺寸公差输入到公差分析 Excel计算表格,如图7-13所示,计算出的O型圈的最小压缩量为15.18%,大于15%,产品设计符合要求,公差分析顺利完成。

 

5.1 钟元老师和做者对例题的点评对比

这个例题是做者（mdmodule博主）直接摘录钟元老师DFMA书上的，做者认同这是一次错误的公差分析，但对于此次例题的点评是有些分歧的，这也是正常的。做者会在钟元老师的点评下标注本身的意见，但愿能帮助读者更多地反思一下公差分析。以下文。

上述公差分析的计算过程是正确的。但显然,上述公差分析的思路大部分是错误的,其错误之处包括:

1)在产品详细设计完成后才开始进行公差分析。

公差分析应该从产品概念设计阶段就开始,在产品概念设计阶段就应当根据产品的功能、外观和可靠性等要求判断出哪些装配尺寸是关键尺寸,并经过优化的设计方法,例如缩短尺寸链、使用定位特征等来确保关键尺寸符合要求。在产品详细设计完成以后才开始进行公差分析为时已晚,此时若是发现产品设计有不符合要求之处须要修改,但产品详细设计已经完成,再来修改设计则会浪费大量的时间和精力。

//做者注：公差分析从概念设计设计阶段开始是很是困难的事情。至于关键尺寸的定义参见标准JB/T 5058-2006，原则上是要依据DFMEA来确认的。如今大部分公司和工程师确认关键尺寸靠的是感受（口头上固然是凭借经验），因此这种关键尺寸实际上十分不靠谱，除非你真的很老道。做者倾向于公差设计在DFMEA以后，或提早在DFA以后，但不须要太提早，各个阶段作各个阶段的事情就好。还有，做者推荐的是作完全部的公差分析，而不是只作重要尺寸的。作完以后，再来确认关键尺寸。

2)没有缩短尺寸链的长度。

尺寸链越长,公差累积越多,公差分析的结果越不容易知足要求。实例中的尺寸链不是最优的尺寸链,可将尺寸C、D、E合并成一个尺寸。

//做者注：这是优化公差分析的方法，后面章节有介绍。以下图简介：

3)公差的设定没有考虑零件制程能力。

在公差分析中,零件尺寸的公差并非能够随意设定和修改的,它们取决于零件制程能力。例如对于尺寸49.40,其公差±0.15比较合理,普通的注射工艺便可达到该级别;但将公差调整为±0.十、甚至±0.05,普通的注射工艺就很难知足该级别。若是公差设定超过了零件制程能力,零件实际制造尺寸知足不了公差设定的要求,那么即便公差分析的结果知足要求,产品仍是会发生失效。

//做者注：这一点很是重要，甚至在这点例题中，做者以为最错误的一点，就是公差彻底没有考虑制程能力。若是工程师不明白一种工艺的制程能力，也就是公差该取多大，建议去多翻翻国标。如注射工艺的标准GB14486-2008，模压工艺（橡胶件通常工艺）国标GB3672-2002。49.4±0.15高于国标的MT1级，并不是普通的注射工艺能达到的。而O型圈的公差能够参考下表：

因此上例子中的1.7±0.02是一个很是扯淡的尺寸公差，若是图纸上这么标注，要么供应商不作，要么被坑一把，通常如此。

4)计算模型采用极值法。

极值法存在不少缺陷,一方面是极值法与产品真实制造情况并不符合;另外一方面是极值法对零部件的公差要求比较严格,产品成本高。所以,在进行公差分析时,极值法并非一个最好的计算模型,除非在对产品品质要求很是高、零缺陷的场合。

//做者对极值法的注重在开篇里就有写。做者不能认同简单的采用统计法来作公差分析，由于这是在理解制程能力和正态分布这种概念上的，这很是难，无论是对公司而言仍是对工程师而言。

钟元老师的观点有必定道理，但这是创建在自身结构设计和公差分析都很是有基础、公司的制程能力稳定、制度完善及沟通良好的状况下。不然只能多出一堆错误的产品而不知道缘由。

特别是刚入门结构设计的工程师，会因为对统计法的崇拜（没有更好的词了），而去盲目使用却不顾后果。但国内如今又是一个比较轻视结构设计的环境，就容易形成不良率超高的后果。

做者推荐至少完整作过一个产品的公差分析，再去考虑统计分析的方法。（一个简单产品的公差分析通常在3位数）

先作好如何设计正确，再作好如何设计合理的错误。

5)公差的设定没有考虑到成本。

即便设定的公差在零件制程能力以内,但严格的公差要求高精度的设备和治具、要求严格的制程管控,同时会形成零件不良率上升,继而形成产品成本增长。从产品成本角度来讲,公差的设定必须考虑到产品成本,越宽松越好。

//这一条和第3条相同，也是要进行公差分析的原因。

6)当公差分析结果不知足要求时,没有经过优化设计的方法,而是经过提升零件尺寸精度要求的方法。

还有其余不少方法能够优化产品设计,使公差分析的结果知足要求,例如缩短尺寸链、使用定位特征、调整尺寸值等。

//这一条和第2条能够归为一类，初学者最容易犯的错误。

7)对尺寸公差没有进行二维图标注。

尺寸链中的各个尺寸公差都须要进行管控,必须在二维图中进行标注。

//这一条反而难办，通常要学习过GD&T才能全面理解公差的标注。好比用统计公差法进行标注就必以下图所示：

 

事实上不少公司都不知道有这种标注方式。

8)对尺寸公差没有进行制程管控。

尺寸链中的公差设定是假设零件制造时的尺寸差别,只有当零件实际制造状况与公差设定一致时,公差分析的结果才可能与真实产品装配后的状况一致,因此必须对尺寸链中的每个尺寸公差进行制程管控。若是不进行制程管控,零件实际制造时的公差大于尺寸链中的设定公差,则可能会致使产品在之后的测试或使用过程当中出现功能、质量和可靠性等问题。

//尺寸公差的管控并不是是依据公差分析，而是依据公差的严重度来管控的，也就是DFMEA的要求来。这两点仍是有区别的。

但做者也说过，大部分公司判断关键尺寸也好，重要尺寸也好，靠感受来的多。因此这一条作的很马虎的。很少说。

9)零件制造后,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。

公差分析的过程是一个模拟和假设的过程,当零件制造后,须要经过真实的零件制程能力来进行验证,确保公差分析的结果与实际一致。

 //对的，尺寸公差分析须要和质量管理人员对接否则很容易作的一堆公差分析变废纸。

根据实际测量的零件尺寸和公差及制程能力，再进行公差分析，与设计阶段的公差分析进行对比；

若是出现结果不知足时，一方面考虑是否能够进行设计的优化；另一方面考虑是否能够提升零件制程能力。

5.2 做者我的对例题的追加小解

做者我的确是很是不喜欢这种O型圈安装方式的。缘由有三：

1）安装困难，容易扭曲；

这种O型圈设计方式容易减小产品总体体积，但不利于装配。O型圈须要先挂在槽中，在插入装配。若是工人不熟练或工艺指导很差，O型圈在插入过程当中就容易翻滚扭转，影响密封效果。

2）零件变形，压缩率不一致；

注塑工艺作出来的圆形件不多是绝对圆的，那么圆圆的配合就容易致使O型圈压缩率不一致。形成漏水或压坏O型圈。特别是IP67以上的要求要注意。

以下图：

3）极端环境下，O型圈容易挤出。

以下图所示，这种方式的沟槽结构的两个密封面实际上不能贴合在一块儿。那么压力过大就容易形成挤出效应。（作实验的时候！）

 

 

6.先有完善的图纸和设计，再有公差分析（注意点）

公差分析以前，图纸必须是合格的，尺寸的多标、少标、错标都是不行的。

公差分析以前，设计也必须是完善的。可制造性DFM、可装配性DFA等必须达到必定的要求，才能进行公差分析进行二次完善，提升良品率。

公差分析是设计阶段最后作的事情。

做者也碰到过这样的事情，被项目经理要求对一堆胡乱标注的图纸进行公差分析，委实啼笑皆非。

7.公差分析注意点总结（做者概括）

1）作完整的公差分析；

2）作完公差分析要对应改图纸；（这个很重要）

3）极值法即便是备用方法，也必须作一遍；

4）正确向制造、装配环节传达公差（极值法作的，统计法作的？）；

5）宽松的公差与优质的设计；

6）图纸和设计合格，公差分析的前提。