产品可装配性设计（DFA）

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机械工程文萃-1-11月18日星期六

--正文--

DFA概述通常，可制造性设计 (DFM) 的最显着优势来自于装配设计 (DFA)，它简化了产品，使其零件数量更少，并且装配更加轻松快捷。原因是，最终组装费用和间接费用加在一起构成了产品制造中最大的单项成本，如果可以减少该项目，则效益是巨大的。然而，装配设计的影响远远超出了装配操作本身的成本。易于组装的产品可以为整个公司带来好处。产品简化后，维修和回收就会变得更加容易；在工厂易于组装的产品通常在维护、修理或拆卸回收时更容易拆卸。更简单的组件通常可以更快地推向市场，因为需要设计、采购、检查和库存的零件更少，发生延迟的可能性也更小。零件较少的产品有机会获得更好的质量和可靠性。当零件数量减少时，额外的好处是更少的工程和生产控制文件、更低的库存水平、减少对检查和质量控制文件的需求、更少的设置、更少的材料处理，并且可能还减少采购工作量。由此可见，对产品或组件进行分析的最有利的顺序是首先分析整个产品的装配过程。这不仅可以提供最大的收益，而且完成后，将知道哪些部分被保留以及它们的功能和总体配置是什么。然后可以简化这些零件，但在分析 DFM/DFX 改进之前，我们需要知道保留哪些零件及其总体形状。组装过程 THE ASSEMBLY PROCESS组装过程涉及将一个或多个零件放置并紧固到另一个零件中或另一个零件上。尽管越来越多地工厂采用自动组装，特别是当产量很大时，但是在大多数情况下，组装仍然是手动操作的居多。通常，夹具用于在操作过程中方便地固定一个或多个零件，或将零件彼此精确地定位。大多数装配工作是在单独的工作台上进行的，有时借助传送带将加工中的零件或组件从一个工作站移动到另一个工作站。在大规模生产行业中，通常采用传送带将组件在多个工作站间进行移动，然后在每个工作站上组装某些零件。特点与应用机械装配涉及使用多种方式固定在一起的多个零件：紧固件，例如螺钉、铆钉、螺栓、销、钢丝钉、弹簧夹以及具有将其他零件固定在一起的功能的其他零件。这些部件也可以通过配合的紧密度或通过组装部件本身的互锁而保持在一起。机械组件可能仅由两个部件（例如厨房盐罐）或数千个部件（例如汽车）组成。它们可以小到女士手表，大到宽体客机。它们的成分可以是金属、木材、橡胶、纸张、塑料、陶瓷或这些材料的组合。几乎所有家用和商用产品，包括电视、计算机等电子产品，在某种程度上都是机械组件。经济生产数量装配操作的批量大小没有经济限制。数量可以从一到数百万不等。然而，数量越大，重复装配操作越频繁，产品设计师和制造工程师就越容易开发设计和方法更改，以简化装配操作，甚至通过一件式设计完全消除它们。（例如，衣架最初可能是由四件或五件木头和电线组装而成，现在通常由单根电线或塑料部件制成。）通常情况下，需要每年生产数百万个产品，才有理由使用专用设备进行全自动装配操作。最常见的例子是低成本杂货店商品的包装作业。这些工作几乎无一例外都在某种程度上实现了自动化。不过，当数量少得多时，计算机控制的机器人设备也能自动组装。从产品设计的角度来看，如果设计者假定是自动装配，那么实际上是自动装配还是手动装配并没有多大区别。如果在设计时考虑到自动装配，产品设计师就会提供更适合手动方法的装配。最好的装配通常是零件最少、成本最低的紧固类型（当然要符合产品的功能要求）。从长远来看，成本最低的装配方式是将零件、装配人工、精加工、工具摊销、产品服务和保修的总成本降到最低的装配方式。最大限度地减少零件数量减少零件数量是改进装配的主要方法，其影响远远超过任何其他旨在提高可制造性和进一步实现其他重要设计目标的设计变化。有多种设计方法可以减少装配中的零部件数量。重要原则如下：1. 组合零件。将多个部分的功能集成为一个例如：a.合并铰链。如果塑料材料是柔性的并且壁部分很薄，则铰链可以合并到许多塑料部件中。这样就不需要由两部分或三部分组成的铰链以及将其连接到其他两个部分所需的紧固件。许多消费品存储容器均采用整体铰链制成。注塑成型和热成型都允许这种设计方法。图 1 展示了一个典型的例子，一个备用钥匙的容器，其盖子由与容器和盖子材料相同的“活动铰链”固定。

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图 1 一个整体 '活 '铰链的例子。这个备用汽车点火钥匙容器的盒子、盖子和插销都是一个注塑成型的塑料部件。聚乙烯的柔韧性为连接盒子和盖子的薄壁部分提供了足够的铰链作用b.使用整体弹簧。弹簧可以结合在金属和塑料零件中，有时也可以结合在由纤维等其他材料制成的零件中。结果是组装更简单、更快。从处理的角度来看，单独的弹簧通常很麻烦，因为它们很容易缠结，而且它们的灵活性使它们难以处理和插入组件中。因此，一体式弹簧提供了非常显着的组装优势。图2说明了其原理。

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图2 将弹簧功能集成到杠杆中，就不再需要单独的螺旋弹簧C 使用卡扣配合。用一体式卡扣元件、凸片或卡扣取代螺钉型和其他单独的紧固件。一个例子如图7.1.3所示。它说明了一种元件，当将其合并到塑料或金属板部件中时，该元件卡入配合部件的底切中以将两者固定在一起。图3说明了金属部件的多个卡扣配合组件。

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图3 该产品展示了连接盖子的卡扣原理，无需螺丝紧固件d.结合导轨、轴承、盖等。通过一些制造工艺，这些元件可以结合到基本零件中，从而大大减少组件数量。许多塑料材料具有天然润滑性，这使得它们非常适合涉及轴承表面的应用，特别是在速度和压力较低的情况下。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！对于需要轴承、滑块、曲柄等要求更高的应用，粉末金属零件可以制造出足够精度的零件来满足这些功能。它们还可以制成具有孔隙度，以便润滑油保留在零件本身中。e.将电气和电子元件放在一处，并尽可能地合并元件。例如，一个组合印刷电路板优于多个位于不同位置的组合印刷电路板；将灯开关和通风开关安装在同一安装板上比将它们分开放置更好，每个开关都有自己的安装硬件。复杂的组合零件有些工艺可以将独立的零件组合成非常复杂的零件。例如注塑、压铸和熔模铸造。在这些工艺中，由几个较简单零件组合而成的复杂零件主要只需要一个较复杂的模具。额外的复杂性只会稍微增加模具制造零件的成本。组合零件的其他一些具体准则如下：1.使用弯片或压接代替紧固件将几个部件固定在一起。(图 4）。

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图4 与单独的紧固件相比，弯曲片、铆钉状延伸件和压接钣金件的成本通常较低。2.使用组合紧固件，即带有整体垫圈的紧固件。3.使用自攻螺钉，而不是使用螺母或在配合件上开螺纹孔。这样就省去了为提供带有内螺纹的精密孔所需的昂贵加工工序。4.使用铸模或模压标识，而不是附加标签。这种标识更可靠，因为它更持久。它完全省去了购买、储存和粘贴单独标签的费用。5. 使用整体定位器、钩子或唇缘来替换将一个部件固定到另一部件的一些紧固件。（见图 5）

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图 5 加入唇缘或其他挂钩元件，最大限度地减少紧固件的数量6.压配合、整体凸台或铆钉有时可用于替代螺纹或其他可能更为复杂的紧固件。带有柔性或凹槽部件的压配合通常成本较低，与精密加工部件一样有效。使用以下指导性问题来评估组合零件的可行性：1. 在使用产品时，零件是否会相对于配套零件移动？2.相邻部件是否必须由不同材料制成？3.如果将零件组合在一起，是否会增加装配其他零件或现场服务的难度或不可行？如果前面任何一个问题的答案都是 '是'，那么取消该部件可能是不可行的，但如果所有问题的答案都是 '否'，那么该部件是与其他部件合并的理想候选部件。图1 到 图4 说明了如何将两个或多个部件组合成一个的一些简单示例。图 6 说明了在常见的日常产品（指甲刀）中，大量功能被整合为几个部分。

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图 6指甲刀的两种设计（上）单一功能元件 （下）功能共享元素2.彻底减少零件数量有时，设计者没有考虑到产品的可制造性，会加入比产品实际需要更多的紧固件或其他元件。(在对现有产品进行价值分析时，事后发现紧固件或其他元件的数量超过了满足所有可靠性和其他性能目标所需的数量，这一点有时就很明显）。有时，可以通过增加剩余元素的大小来减少元素的数量；例如，用少量较重的螺钉替换一系列小型机器螺钉。在其他情况下，可以通过升级主要组件的性能来消除计划的或现有的冗余。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！3.对产品进行重大或全面重新设计。这是指对组件进行重新设计，以便通过另一种方法实现由单独组件提供的功能。例如，用螺纹管道系统取代法兰和螺栓管道系统。4.使用不同的技术。有时，如果设计上的重大改变能以完全不同的方式实现产品功能，就能带来巨大的效益。例如，当机械装置被电子微电路取代时，就会出现这种情况。其他装配改进的主要指南一般建议1.设计标准化。使用标准紧固件和其他部件。使用尽可能少的尺寸和样式。减少总数。创建首选零件清单，尽量减少清单上的品种数量。可用于多种产品的组件也应尽可能标准化。2.使用子组件，特别是模块化子组件，尤其是当子组件工艺不同于最终组装工艺时（如机电产品中的 PC 板）。模块化装配具有质量和可靠性优势（当模块以前使用过并经过预检时）以及可维护性优势。如果只涉及主要模块的放置和连接，最终组装也会大大简化。采用这种方法，产品服务通常也更简单。在许多情况下，一个特定的模块可以适用于多个不同的最终装配，从而获得规模经济生产的好处。3. 同时，避免过多级别的子装配。因为额外的子装配会以制造规格、占地面积和库存的形式增加开销，并且往往会增加制造生产时间。4. 设计零件，使其不会被错误插入。这有助于提高可制造性，但出于质量原因尤其重要。图 7 提供了一个示例。

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图 7 设计零件，确保它们不会被错误组装。下板有一个凸起部分，如果转动不正确，可以防止其牢固地固定在底座上。5.尽可能避免使用柔性部件，因为处理和放置这些部件比较费时。这些部件还容易缠结。一个常见的例子是，将电子电路板的连接电缆更换为从电路板到另一个元件的插拔式连接设计。6.在设计允许且零件可以容纳的情况下，开端槽比孔或封闭槽更可取，因为它们允许从顶部（或侧面）而不是端部装配轴或其他配合零件。(图 8）

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图 8 左侧是不良的侧面组装，右侧是理想的自上而下的装配和轴的卡扣配合7.采用分层、自上而下的组装方式。换句话说，在设计产品时，每个连续的部件都可以从上面而不是侧面或底部添加到装配中。这种方法对于机器人装配几乎是必不可少的，而且对人工装配也非常有益。除了机器人动作标准化的好处外，重力辅助装配也有好处。如果无法从上到下组装零件，则应努力确保在零件插入过程中可以使用简单的直线运动。必须通过“蜿蜒”围绕其他零件插入的零件使得组装操作成本更高。零件的设计还应该使每个零件都充当后续零件的巢穴。避免需要重新定位组装零件或某些子组件才能添加附加零件的设计。8. 避免需要同时添加多个零件的设计，这些零件在添加到主组件时必须保持对齐，特别是在空间有限的情况下。9.设计可自动对准的部件。(见图 9）

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图 9 将零件设计为自对准，如右侧的装配所示10.尽量避免调整。方法之一是当部件之间的自然配合不精确，需要调整位置时，使用弹性部件来填补空隙。如果零件尺寸控制得足够好，依靠零件的表面对表面定位来确定装配尺寸比在装配过程中进行调整更好。应尽可能使用零件上的凸片、凸肩、凹槽或其他定位点。但是，如果对成品装配尺寸精度的要求高于零件所能提供的精度，则最好通过夹具来控制装配尺寸。11. 在不增加制造工序的情况下，尽可能使用漏斗状的孔和槽开口，因为这样可以简化配合零件的插入。同样，如果可能，在不增加工序的情况下，在要插入其他零件的零件上加一个锥形或弹头。(见图1）。

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图1 使用漏斗状开口和锥形末端，以方便部件的插入12.使用适合料斗、条状或其他自动送料方法的紧固件，尤其是在装配数量较大的情况下。这样既可减少操作人力，又能更好地确保正确放置。13.设计易于操作的部件。这可能需要在非常小或非常不规则的部件上增加抓握元件或凸起。对于自动送料的部件，可能需要将其固定在送料带上。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！14.当配合部件上有用于轴、紧固件等的通孔时，应在其中一个部件上使用槽或过大的孔，以允许可能的错位。(见图2）

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图2 使用长圆形或超大型紧固件孔，可减少两个零件紧固在一起时的精确对齐要求。这样可以降低配合部件的公差要求，简化装配。15. 尽可能避免需要手动将零件固定到位直到插入其他零件的装配设计，因为这种情况存在一定的质量问题风险以及额外的装配时间和成本。16.在符合产品功能的情况下，配合部件之间应尽可能松配合，除非紧配合的目的是将部件固定在一起。17.保持内部机构的可触及性，或使用允许在所有其他组装和调整操作完成后安装外壳盖的设计。18.如果无法使用卡入式紧固件，则使用推入式紧固件代替螺纹紧固件，以减少装配时间。(见图 3）

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图3 通常可以使用推入式紧固件来加快装配速度。如果采用整体式螺柱，则可进一步降低成本。19.在设计小零件时，应尽可能多地从两端插入，并尽量减少角度取向。(见图4）。

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图4 设计零件，使其可以尽可能多的方式插入。减少所需的轴向和端对端车削量。20.考虑使用塑料成型或锌压铸来固定金属零件。(见图5）。

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图5 注入锌或铅提供了将部件永久紧固在一起的方法。需要组合外壳模具固定夹具。21.检查左右手部件和组件是否可以完全相同，从而避免额外的部件设计和单独的库存等（见图 6）。

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图 6 尽量将右侧和左侧的特征结合起来，以减少不同部分的数量。

22.尽可能避免使用在组装前可能会缠结在一起的部件。这意味着应避免钩状突起，表面应光滑，并应避免开孔和开槽。(见图 7）。

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图 7 应避免使用容易缠绕的部件。23.从制造成本的角度来看，使用较少的大型紧固件通常比使用较多的小型紧固件要好。24.如果可能，应避免使用在搬运过程中可能损坏或缠绕的松散和柔性部件的组件。当此类组件不可避免时，应提供固定装置以方便组装，并使用固定板以方便搬运。25.卡环通常为固定零件提供了一种廉价的方法，尤其是在需要自由移动的情况下，如旋转轴。单独的卡环通常比使用带头销更为经济，因为可以省去大量的机械加工。(见图 8）。

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图 8 卡环可用作销和轴以及紧固件的轴肩或轴头。26.有时，如果在组件中增加零件可以使零件的公差更宽松，那么增加零件也是有好处的。图 9 显示了一个带有惰轮的齿轮系，惰轮的位置是可调的，因此不需要对齿轮轴孔的位置要求极高的公差。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！

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图9 有时在组件中增加部件（如可调惰轮支架）可以降低加工精度，从而降低成本。

铆钉

铆钉的主要优点是其连接强度高且持久。然而，当铆钉自动送入料斗并自动夹紧时，铆钉也是一种低成本的零件紧固手段。以下设计规则有助于经济地使用铆钉：1.在铆钉位置周围留出足够的间隙，以便放置标准铆枪，并避免损坏工件（见图1）有时，在铆钉位置上开一个检修孔，就可以将铆钉放置在无法铆接的位置上。

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图1 为铆接工具提供足够的空间2.只要孔眼和管状铆钉能提供足够的夹紧力，就可以使用。管状铆钉和半管状铆钉以及孔眼所需的夹紧力要小得多，而且可以用料斗送入、插入，并在价格低廉的设备上自动设置。(见图 2）。

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图 2 最好使用管状和半管状铆钉和孔眼。3.铆接两个工件时，孔径必须正确才能达到最佳效果。建议的直径间隙为 5%至 7%。如果铆钉孔过大，铆钉可能会在铆接过程中发生弯曲，从而导致铆接处松动、不牢固。4.当无法进入铆接组件的背面时，抽芯铆钉很有价值，但这种铆钉比传统铆钉昂贵，除非无法夹紧，否则不能用抽芯铆钉代替传统铆钉。5.铆接厚材料时，可通过铆钉孔的反钻孔来避免铆钉弯曲。(见图 3）。铆孔必须足够宽，以便铆接工具进入。

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图 3 在铆接较厚的部件时，应使用较宽的沉孔，以避免铆钉弯曲。6.铆钉孔不应离被接合零件的边缘太近或太远。铆钉孔应距离边缘 3 ⁄ 2 至 8 个板厚的距离。这样可为铆接工具提供良好的支撑，并确保边缘能固定在一起。(见图 4）

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图 4 推荐的铆钉边缘尺寸7.铆钉长度应适当，以避免不正确的铆接(见图5）根据经验，铆钉的长度余量 C 如下：实心铆钉，铆钉柄直径的 200%；半管状铆钉，铆钉柄直径的 50%至 70%；全管状或双管状铆钉，铆钉柄直径的 100%。

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图5 适当的铆钉长度很重要。8.在连接不同厚度的工件时，最好将铆钉顶在较厚、较结实的材料上。(见图 6）。

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图 6 铆钉与更厚、更结实的材料相碰撞。9.用铆钉连接软质或易碎材料时，最好使用金属垫圈来分散镦粗力，防止损坏薄弱部分。(见图 7）。

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图 7 金属垫圈可分散镦粗的力量。10.用抽芯铆钉将较弱的材料（如皮革、塑料或木材）与较强的材料（如钢板或铝板）连接起来时，最好使用大铆钉头，使其与较弱的材料相抵，并与较强的材料相卡。11.抽芯铆钉还要求在放置铆钉的一侧为夹紧工具留出足够的工具间隙。如果空间有限，最好从另一侧进行铆接。12.抽芯铆钉虽然不像传统铆钉那样有很强的轴向力，但仍不应安装在支撑力不足的表面上。(见图 8）。

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图 8 安装抽芯铆钉的表面必须有良好的支撑13.有时，通过在一个装配部件上安装整体式凸耳来实现铆钉式紧固是可行的。这样就不需要单独使用铆钉。如图9的说明。

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图9 与单独的紧固件相比，弯曲片、铆钉状延伸件和压接钣金件的成本通常较低。

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