机械设计师必需要懂得公差设计

  是不是仅凭KKD(经验、直觉和胆量)进行设计呢？简明易懂地说明公差设计的优点、必要知识!

   ·  什么是公差 / 设计？

   ·  设计现场的实况 / 制造现场的变化

   ·  公差设计的优点 / 计算事例

   支撑着日本强大的制造业的就是公差设计技术，该技术如今再次备受关注。

从其重要性出发，简要解说“什么是公差”。

 什么是“公差”？

   假设加工长度为100mm的金属圆棒。 即使打算全部加工成相同形状，由于尺寸和形状方面会发生偏差，所以不能将所有的金属棒刚好加工成100.00mm。  虽然设计和制造现场一直致力于缩小这样的偏差，但即便如此仍不能将偏差控制为零。

   这样的尺寸和形状偏差基本上以目标值为中心上下波动。
   因此，根据该金属棒的使用用途，决定相对于目标尺寸所允许的上限容许值和下限容许值。 这两个值之差(容许范围)就称为“公差”。

   因此，制造时必须有“公差”。大家是怎么设置“公差”的呢？ 是不是直接使用传统的类似零件的图纸中设置的公差，或者根据KKD(经验、直觉和胆量)适当决定呢？

   设置的公差值会给产品成本和性能、质量带来很大影响。 为此，甚至说设计时很好地控制公差，并且提高公差设计方面的技术能力，就可以提高制造业的竞争力。

 什么是“公差设计”？

   一般来说，认为“公差”的概念是，“每个零件的尺寸必然有偏差，最终在图纸上记载的公差范围内加工零件”。 这是从加工方面来思考公差的方针。

   在制造方面，设计者必须在综合考虑产品的规格和零件的成本等基础上，决定该偏差的容许范围（＝公差）。必须从综合观点判断这样设置的公差最终能否满足产品规格，或者该公差实际上能否加工。

   实际设计中如下图所示决定公差。

   决定公差的流程

   若要让成品规格在一定范围内，必须要求每个单元在一定范围内，从这里给各个零件分配公差。这就是本来的“①设计的流程”，反映了设计者的意图。

   一方面从成品的角度来看，为了实现小型化和轻薄化等，要求公差尽量严格，另一方面，从零件的角度来看，反过来为了容易制作（削减成本），会希望放宽公差。这就是“②制造上的要求”。

   当然，如果每个零件的公差更严格（缩小），成本会相应上升，若放宽（放大）公差，成品发生问题的危险就升高，还有的情况下会出现总成本增加。

   将这些“设计者的意图①”和“制造上的要求②”投影在经济性（成本）这一个共同的轴上来观察，就可以在平衡处决定公差。

   此时，还要在统计考察的基础上进行计算，设置公差，这个就称为“公差设计”。

 最近，由于制造向海外转移等各种各样的原因，“②制造上的要求”很难传达给设计者的情况很多，所以公差设计中必须构建一个系统，确保①和②顺利接球。

 现在发生了什么？设计现场的实况！

   对设计者来说“公差”是基本中的基本。但是，现在，想再一次重新学习该“公差”的企业不断增加。现在，制造现场发生了什么？

   让年轻设计员和资深设计员齐聚一堂，开始讨论“公差”问题的话，实际情况让很多企业大吃一惊。现状下，年轻设计员的“公差”知识绝对不够，但是资深设计员并不了解这一事实。

   年轻设计员经常直接利用以前同种零件的公差，如果是一个全新的产品（零件），就会凭KKD（经验、直觉和胆量）进行设计，这就是实际情况。公差设计对于资深设计员来说是理所当然的事情，但对于年轻设计员来说是无法理解的。

   其结果，尽管零件全部按照设计员的指示（设计图纸）制作，但经常出现不能组装、或者组装后不能运行等情况。也就是说，设计员不能正确实践公差设计。这将导致“F成本（失败成本）增加”“下期商品开发延迟（需要照料设计员）”等恶性循环。

 全球制造 －制造现场的变化－

   近年来公差问题愈发显著，其主要原因也在于制造现场的变化。 在公差设计的技术诀窍未得到传承，不能设置合适公差的状况下，日本之所以还能维持高质量的制作水平，关机在于日本制造现场的优秀应对力。

   海外生产的情况下，不能像以前那样做到现场制造的应对工作，若设计图纸不充分，就会马上引发问题。 另外，做好的不能使用的产品（零件），既没有超过设计图纸也不低于设计图纸，就是图纸中规定的产品（零件），全部作为成本反弹到设计方面。

   海外生产现场的故障，大部分的情况都是“按照设计图纸制作的结果”。为了推进全球制造，实现高质量、低成本，必须重新学习基本中的基本“公差”，并重新审视图纸质量，可以说这是日本厂商的当务之急。

   最近，公差设计再次备受关注。接下来说明该公差设计的优点。

   1.    具备公差计算理论和判断标准，可以做出正确的设计。

   就算是说实施了公差计算的设计者，如果调查其实际情况，   就会发现大多数回答是“前辈教我的（OJT）”“自学的”，很多设计者“总是感觉不安”，实际上有不少人搞错了。  ※ 约询问了15000名设计者，约80％的人回答没有实施公差计算。通过系统学习公差设计理论，即可以“自信地”进行公差计算，还可以交给后辈。

   实际上，公差设计中最难的地方就是“判断”和“处理”，基本上正确计算5种公差计算、Cp,Cpk（工序能力指数）、不良率等，用数值进行讨论（判断和处理），这一点至关重要。

   2.    以前不实施公差设计的公司，可以得到很大的成本优势。（30～50％）

   如果成本降低率超过20％，靠力量是无法实现的。现场的改进和筹措努力是有限的，除非设计者进行『设计的改革』，否则不可能实现。设计负责人或高层注意到这一点，并推进全公司的公差设计，最终让成本至少降低了30％的事例，至少有500个主题（PLANER业绩），还有的企业公开了其中的

   3.    理论上解决设计质量问题，防患于未然。

   不可能出现必须制造出来才能明白的设计。一切都是设计决定的。如果看设计图的话，若按照这个图纸制造并组装所有零件，就可以简单计算什么问题（故障、不具合）发生的概率程度如何（不良率）。这就是FMEA（故障模式影响分析），将各项内容的不良发生概率导出并谋求改善的工作就是“公差设计”。

   4.    能够对他人的设计做出正确的评估。（检图）

   如果是设计负责人的话，必须立即评估并指导部下（或者外部委托设计者）设计的设计图纸是否正确。（＝检图）作为负责人，要关注重要的设计位置，进行公差计算（手动计算层面），如果有危险的地方， 就把设计员叫过来确认该设计员实施的公差计算书，如果弄错了，就要认真地指出来并指导其可以做出正确的设计。检图者的工作至少应该有90%用于检查公差设计。作为设计负责人，若做不到这一点，检图就不用说了，就连指导和培养部下都做不到。

   公差计算事例

   接下来说明公差计算事例。例如，考虑这个装置。

   间隙 f 是非常重要的值，考虑必须实现设计标准0.5±0.3的情况。

   这个间隙 f 由A～H的所有零件组成。
   A～H的零件即使全部公差都很大，重点在于能否满足设计标准，
   因此，如何设置各零件的公差变得很重要。

   这里，用一个简单的模型稍微思考一下吧。

   在下图的状态下，必须在0.5±0.4的范围内设计χ的间隙，当赋予条件，规定零件A的尺寸为9.5±0.3的时候，
   计算B、C、D的零件为同一零件时的尺寸和公差的情况下，大家会怎么做呢？

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