零件互換性公差設計,提升組裝線順暢與掌握良率

2020/08/06 11:31

零件 組裝 良率 公差 互換性 加工


作者: 陳銘德 先生

企業公司經營產品皆以期望設計出高品質、製作加工、組立裝配、售後維修均運作順利無礙,才有機會享受獲利之成果。因此設計要求零件最好能達到全互換性,組裝產線才能順暢,相對品質良率亦可完全掌控。 設計部門應以零件具互換性為目標,每個零件圖均具有互換性元素,讓後續製作加工有易製性之感受,組裝產線可依公司規定之工時效率達成,多少零件就可組裝出多少套組件與產品,不浪費一個零件。 氣候天災變異,無人可預測可避免,但如 自身產品已有互換性設計考量,經營者可藉 第二、三供應商化解臨時性地區域之地震、 颱風、火災或工運罷工抗議等損失,維持 穩定出貨,甚至應付臨時急單需求,不亂陣 腳。假如零件只依賴一家供應,好處是遇到 品質糾紛,只要找他解決就可以。壞處是細節怎樣改,不清楚甚至不過問,只要承製商 有改善就好。另外;如碰上天災,生產供應就掛了,但同業可能不受影響照樣出貨,只 能乾瞪眼,錯失商機。唯一能救援的法寶只剩自己設計圖是否有互換性,可藉由找其他 製作商緊急加工,一樣可順利組裝成組件或 產品,化解危機。因為不同承製商之零件仍可順利組裝,甚至連防鏽表面處理之顏色、 厚度亦均一致,零件價格亦較穩定不受單一 供應商任意調價影響。

機製產業任何產品之零組件配合常見之 三種情況 第一種情況,如已知軸孔配之間隙(模擬分 析或實品量測結果),則可依ISO相關公差數 學關係式計算,獲得上、下偏差。如實品量 測尺寸,不可當作設計尺寸,因已隱含製作 加工誤差,不知偏向上限或下限,只表示符 合原始設計公差範圍之內而已,建議應依間 隙範圍,計算軸孔件之尺寸與公差。 第二種情況,只知公稱尺寸,以孔件為 例,先選定基孔制,可得下偏差為零,而上 偏差依ISO級別與等別可獲得,並配賦予正 位度公差值,可依動態公差圖可獲得於MMC 情況之幾何公差正位度值,再依零公差(Zero tolerance)原則,獲得正位度為零之製作尺寸 範圍,最後就可得到配合軸件之尺寸公差與 幾何公差,間隙不致過大,並可達到易製性 及可互換性。 第三種情況已知最佳間隙範圍,先依孔件 功能尺寸及幾何公差(正位度)可依動態公差圖,可獲得於MMC情況之幾何公差(正位度) 值,再依零公差原則可得到配合軸件在最嚴 苛組裝情況之幾何公差(正位度)。

經由軸徑公稱尺寸與公差,設計配合孔 件互換性公差之步驟 已知一軸徑ψ0.2500-0.0015,其正位度為 ψ0.001 ,需設計一孔徑能100% 被軸徑工 件順利組配。假設兩工件長度一樣等長,暫 設尺寸公差值與幾何公差值皆相同,則孔徑 應設計多少才能滿足互換性? (單位inch.) 第一步,數學計算法說明,於虛擬情況 (可達 情況、實效情況Virtual condition,VC)下,軸外 徑在MMC=ψ0.2500+0.0010=ψ0.2510。 同 樣 V C 情況下,孔內徑在MMC=公稱尺 寸-0.0010=0.2510(軸外徑在MMC),則孔內徑在MMC之公稱尺寸=ψ0.2520,得孔徑 ψ0.2520+0.0015,其正位度為ψ0.001 。將軸 徑之外徑尺寸與幾何公差展開如表1(inch.)。 第二步將幾何公差值降為0,即所謂之零 公差,並將等量數值移至尺寸公差上,成為 ψ0.2510-0.0025,其正位度ψ0 ,換言 之;展開後如表2,總公差維持ψ0.0025不 變。 第三步驟即可輕鬆依照軸徑斜率複製翻轉 至右側,如圖1所示,可得組配孔徑之尺寸與 幾何公差數據。另外;如在CAD軟體先將2D 座標以1:1劃好橫軸與縱軸,再於正位度為0 點做一條垂直虛線,最後點選軸件之動態公 差線做鏡射,立可獲得互換性配合孔件之動 態公差線,輕鬆讀出孔徑尺寸與公差。

從圖1橫軸為軸外徑(或孔內徑)尺寸,縱軸 為幾何公差正位度,可讀出孔徑工件之內徑 為ψ0.251~ψ0.2535,其正位度為0~0.0025, 換成製圖標示為ψ0.2510+0.0025,正位度 ψ0 ,展開後如表3。另外;亦可標示為 ψ0.2520+0.0015,正位度ψ0.001 ,尺寸 公差與幾何公差數值均與軸件相同型態(軸徑 ψ0.2500-0.0015,正位度ψ0.001 )。 至於其他如已知孔件公稱尺寸與公差, 可設計配合軸件互換性公差;已知公稱尺寸 與最佳間隙範圍,亦能由孔件設計軸件互換 性公差;已知公稱尺寸與最佳間隙範圍加上 熱效應漲縮尺寸因素,同樣可設計軸孔件互 換性公差;甚至設計便覽欠缺之公差配合等 級,仍可設計軸孔件互換性公差等等情況, 均可參考本例步驟逐一計算,獲得可100%互 換性之配合件尺寸與公差。企業公司可檢視 產品零件之設計圖,利用尺寸公差配合表,

結合幾何公差規範,稍作改進標示,即可達到 互換性。 解析: 1.如檢測數據為ψ29.977,直度ψ0.005, 應判拒收,因尺度已超出公差,雖直度 未達ψ0.01,卻不可將剩餘之ψ0.005移 作尺度公差為ψ29.975ψ30.013而誤判合格。 2.如檢測數據為ψ29.99,直度ψ0.025, 應判拒收,因直度公差最多只能容許 ψ0.02,不可將尺度0.01移作直度公差 增為ψ0.03,猶尚大於ψ0.025。

3.ASME規範特別例外,僅能將幾何公 差量全數移至尺度公差,而幾何公差 標註為零。如同ISO之可逆要求意義 (Reciprocity requirement, )。 4.正確引用零公差可將原本幾何公差合格 而尺度公差卻超出公差外之工件合理化 判為允收,於不增加公差總量情況下, 擴大製作尺度公差範圍,立即驟降工具、模具製作費用,亦同時提高驗收允 收率與組裝效率,減少浪費資源,達到 客戶與承商雙贏局面。 5.ASME圖示直接標註公差範圍,較容易 溝通獲得共識,而ISO可逆要求需客戶 與承商雙方均有正確認知真實含意,才 可避免爭議。

 

業界常見的問題:

替代性零件最大關鍵技術在於瞎猜基準位於何處?
亦不知道公差範圍(上偏偏 下偏差),即使公差加工很精密,卻因孔位偏差,仍然不能組裝。孔位或棒件看得到,量得到,基準系統卻看不到。
* 老闆主管設計師需有此認知與功力,才能生產替代性零件。

 

 

圖文參考: 工具機暨零組件公會雜誌2020年5月份NO.120期

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