公差分析 | 只有正确理解了公差，才能做好公差分析
教育
工业农业
2024-07-22 07:18
上海
只有正确理解公差、明白公差来源的前因后果之后，我们才能学好公差分析、并应用公差分析。
如果零部件尺寸没有偏差，即加工制造的实物同三维图中设计的零件尺寸一模一样，这样就可以避免大多数的生产组装问题，包括间隙、断差（未对齐）和发生干涉造成装不上等，产品开发就会变得轻轻松松。![]()
如图所示配合看上去完美无缺，零部件加工时没有任何偏差。但实际上，即使如此完美，这些零部件也有0.003mm左右的加工偏差。![]()
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这是电火花加工（Electrical Discharge Machining， 简称EDM）的零件。电火花加工的普通精度可达0.01～ 0.05 mm，在精密光整加工时可小于0.005 mm。![]()
而对于其它大多数加工制造工艺来说，例如注塑成型，要达到0.01～ 0.05 mm的精度就已经非常非常困难了，这会导致零件不良率急剧增加，加工成本大幅上升。![]()
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当然，更不用奢望0.003mm的精度了。即使以成本为代价，也达不到这样的精度。正是因为这种偏差的存在，造成零部件加工制造后，在装配时经常会出现这样的情况：间隙、对不齐（断差）、装不上等，继而影响到产品的质量、功能和可靠性等。![]()
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不同制造工艺的零件尺寸产生偏差的原因存在差异。下面以注塑成型为例来详细说明。注塑成型时，零件尺寸发生偏差的具体原因有：注塑模具的零部件由各种工艺加工的，例如机加工、CNC和电火花等，这些加工工艺在加工零部件时，会产生尺寸偏差。同时，零部件在组装成注塑模具时会存在组装偏差。![]()
塑胶充填满模具型腔后，在冷却的过程中会发生收缩。在塑料的物性表中，会给出塑料的缩水率，通过缩水率可以反推模具型腔的尺寸。但是，这个缩水率是在实验室理想环境中测量出来，是一个范围，本身就存在偏差。![]()
在注塑成型时，不同的成型条件包括保压时间、熔化温度、充填速度、保压大小和模具温度，都会影响塑料的收缩率，这会导致与注塑模具设计时的收缩率存在差异。零件的壁厚大小也会影响收缩率。![]()
注塑成型时的各种成型缺陷，例如缩水、变形和翘曲等，严重影响零件尺寸的精度。![]()
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不同批次塑料成分的差异、注塑加工时的温度、湿度和环境等，都会造成尺寸产生偏差。工程师在三维图中绘制的零件，与实际加工出来的零件总是存在偏差；而对于偏差，必须加以管控，否则就会出现众多质量问题。公差就是在这样的情况下出现的。公差是零件尺寸所允许的偏差值，设定零件的公差即是设定零件制造时尺寸允许的偏差范围。![]()
上图所示的正方体宽度设计尺寸为40mm，公差为±0.10mm，意味着零件加工后宽度尺寸可以接受的范围为39.90mm~40.10mm，任何超过该范围加工的零件均是不合格品。
公差仅仅是需要设计一个范围，是不是也太容易了？
这仅仅是看起来简单，实际上应用却非常难。稍不留神，就是一个大水坑。
难在什么地方呢？
1）不同制造工艺所能达到的精度不一样
制造工艺很多，例如注塑、冲压、机加工、压铸和粉末成型等，每一种工艺其所能达到的精度不一样，有的可以达到很高的精度，例如高精度的电火花加工可以达到0.003mm；而有的达不到很高的精度，只能做到0.1mm左右，例如较大尺寸的粉末成型。
即使是同一种工艺所使用的材料不同其精度也不同，例如ABS的注塑成型与PBT的注塑成型所能达到的精度就相差较大。
由于缺乏对不同工艺的了解，这就造成了工程师在设计公差时变得无所适从，不知道该如何去设计零件的尺寸公差。
2）公差是宽松好是精密好？
公差设计得太精密，工厂说根本上达不到这个精度，同时成本也很高；公差设计得太宽松，成本确实降低了，但是产品容易出现间隙、断差和装不上等问题，产品的质量、功能和可靠性等又担心出问题；
工程师真的是陷入了两难。有没有两全其美的办法？
这其实公差分析要做的事情：合理定义零件的尺寸公差，使得零件能够在制程能力所能达到的精度下、以较低的成本进行制造，同时满足产品的质量、功能和可靠性等要求。
作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》，《研发降本实战：三维降本》预计2025年初出版。
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