产品外形尺寸指标容差设计

周志东

摘要：以某模块壳体的尺寸指标容差设计为例，阐述了指标容差设计的规则、设定依据以及参数设计和容差设计之间的关系。通过具体案例分析，以设计样件的制作、检测以及试验验证情况，说明容差设计在产品研制及其质量控制、成本控制中的影响和作用。

关键词：设计需求;指标容差设计;加工误差;质量控制;质量成本

0 引言

一般要描述装备的性能如何，需要对装备进行质量评价，而质量评价离不开相应的质量标准。

装备质量标准是产品指标、要求、方法等的集合，是规定装备质量特性（指数、规格等）应达到的技术要求和依据。

质量特性指装备经过设计和研制、制造过程后所稳定呈现的固有特性，如重量、尺寸、各项电性能等，是可以通过相应方法使用特定仪器、仪表、量具等测量采集到基本质量信息。

固有特性通常以量化指标参数的形式表达，通过考核其常规指标参数的符合程度，来衡量产品质量是否达到或者实现预期的需求，简单来说，就是按技术文件所规定的方法对研制生产的产品指标要求进行测量，并判断其是否符合使用要求。

1 指标概述

指标通常是指产品性能、功能、物理特性等达到的预期规格、标准，一般用数据标识，是衡量产品是否符合需求的单位或方法。

性能指标的表述一般有以下几种情况：（1）设定中心值和范围值，如尺寸（30±0.1）cm×（20±0.1）cm×（2±0.1）cm、重量（1.1±0.05）kg等，要求测量结果在某个值的正负多少范围内;（2）设定上限值，如纹波≤50 mV、负载效应≤1%等，要求测量结果小于等于某个值;（3）设定下限值，如绝缘电阻≥10 MΩ、工作电流≥5 A等，要求测量结果大于等于某个值。

在表述该类指标的时候，通常会在指标中心值基础上加上指标容差范围，指标的中心值是理想情况下的目标值，而实际制造检测的结果，与目标值会存在偏差，就是所谓的指标容差。

2 指标容差设计

指标容差是指允许被度量对象质量特性值的波动范围，是质量标准的重要组成因素。从质量管理角度来讲，为了保证交付顾客的最终产品质量波动尽可能少，那么指标容差在设计时应该尽可能缩小。

3 指标容差设计实例

通常设备的设计任务自整机开始，向下逐层进行分解到分机、单元、模块、零部件等，在有限的物理空间内，往往需要集成多个功能模块，如电源模块、控制模块、接口模块等。内部模块的设计方案必须满足单元分配尺寸及重量的需求，只有明确需求才能进行相应设计。

3.1    输入需求指标

设计人员通过建立单元的仿真模型加入所用材料、比重等因素，分配各个组成模块的尺寸和重量参数。以电源模块壳体尺寸、重量为例，通过分解，电源模块壳体的输入需求指标为尺寸：（30±0.1）cm×（20±0.1）cm×（2±0.1）cm、重量：（1.1±0.03）kg。

3.2    设计样品试制

设计人员根据输入指标需求进行制图、选材并加工，为了控制产品质量，把本模块壳体的设计指标定为尺寸：（30±0.05）cm×（20±0.05）cm×（2±0.05）cm、重量：（1.1±0.03）kg。

选择加工精度为0.01 cm的A型设备，按设计图纸进行加工，通过样件试制，实际生产制造的5件样品加工偏差分布情况如表1所示。

产品设计阶段的符合性检测，不能只记录通过或不通过，还应记录质量特性的具体数值;不能只给出不合格率，还要按照质量损失理论，制定科学的统计方法来给出体现质量水平的数据。通过记录质量特性的具体数值，可以采集到被测样品偏差分布数据，获得偏差的分散范围，试制样件的尺寸、重量指标分散是叠加了加工误差、测量误差等因素的结果。以上述分散范围作为尺寸、重量指标容差设计参考，可得出模块壳体的实测数据，H尺寸误差范围：-0.06～0.05 cm，L尺寸误差范围：-0.05～0.06 cm，W尺寸误差范围：0.02～0.04 cm，重量误差范围：0.01～0.02 kg。

经样件试制并测量，模块壳体的尺寸指标合格率为60%，重量指标符合率100%。同时，H指标达边界值的比例为60%，L指标达边界值的比例为40%，存在较高质量成本风险。要降低产品质量风险，只能引进更高加工精度的设备，或者选择具有加工条件的外协单位进行加工，这样无疑会增加生产成本。

3.3    容差設计验证

容差设计以确定各个参数合适的容差范围为目的，基本思想如下：根据各参数的波动对产品质量特性影响的大小，从经济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差（例如用较高质量等级的元件代替较低质量等级的元件），这样一方面可以进一步减少质量特性波动，提高产品稳定性，减少质量损失，另一方面，由于提高了元件的质量等级，产品成本有所提高。因此，容差设计阶段既要考虑进一步减少参数设计后产品仍存在的质量损失，又要考虑缩小一些元件容差将会增加成本，权衡两者的利弊得失，采用最佳决策。

如果选择进一步控制壳体尺寸的波动范围，可将模块壳体的指标参数和设计容差调整到（30±0.05）cm×（20±0.05）cm×（2±0.05）cm，通过样件加工的误差分散范围进行评价，产品合格率仅为60%，不合格品的产生会增加质量成本。如果将电源模块壳体的设计指标定为尺寸：（30±0.1）cm×（20±0.1）cm×（2±0.1）cm、重量：（1.1±0.05）kg，则现有生产制造能力完全可以保证产品的合格率。

为了验证模块壳体尺寸极限值可能会对单元配装造成影响，设计人员通过使用高精度加工设备专门制造尺寸（30+0.1）cm×（20+0.1）cm×（2+0.1）cm及尺寸（30-0.1）cm×（20-0.1）cm×（2-0.1）cm的参考壳体样件，通过单元配装并进行物理力学、环境温度试验考核，试验过程中未见异常现象，可以证实样件符合单元实际使用需求。

设计人员通过对单元样件进行摸底试验情况验证，模块壳体样件在尺寸极限容差值为（30±0.1）cm×（20±0.1）cm×（2±0.1）cm的情况下可满足单元实际使用需求，不需要将模块壳体的指标参数和设计容差做更高要求的调整。

4 结语

产品设计文件和研制样件是互为标准和参考的，研制样件在综合了文件资料、加工条件、管理条件后，为产品设计提供生产制造的可行性验证和指标容差设定参考。通过实例可知，指标容差设计一般是经过对产品质量和生产经济性进行综合考虑，也就是对质量与成本进行综合考量后确认的。为提高质量标准盲目设定指标参数容差，会造成成本增加，容差设计的目的在于确定各指标参数的最合理容差，使总损失（质量与成本之和）达到最佳或最小。因此，要寻求使总损失最小的容差设计方案，通过合理的容差设计，可以减少产品质量波动产生的损失。

参数设计和容差设计是相辅相成的，产品设计在满足参数设计要求的同时，设计人员应充分考虑产品实际生产质量承受各种因素影响（如加工误差）的能力，通过容差设计科学、合理地确定产品的指标容差范围，作为产品质量控制的依据。

[参考文献]

[1] 魏文博.容差分析和设计方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.