王至尧设计工艺性审查.docx

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王至尧设计工艺性审查

王至尧：

设计工艺性审查

来源：

图书馆学科专题系统发布时间：

2009-12-0810:

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　　随着科学技术的飞速发展，现代产品的构造和功能越来越复杂，在保证产品性能、质量要求的前提下，如何降低制造成本和缩短产品的研制生产周期，是市场竞争取胜的关键。

另外，在产品全寿命周期中，设计对产品的性能、质量和成本控制起着关键作用。

一般情况下，设计费用约占产品总成本的5％，但却决定了产品总成本的约70％，而约80％的设计差错要到制造、使用过程才能发现。

制造业公认的“十倍定律”表明，如果在概念设计阶段发现并改正一个错误所需费用为1，那么改正同一错误，在详细设计阶段所需费用为10，在生产制造阶段所需费用为100，并且直接造成制造周期的延长。

　　设计工艺性是产品设计工作中的一项重要因素，也是产品的固有属性之一，它直接决定了产品的可制造性，是采用经济、合理和可靠的方法制造产品的基础。

因此，产品设计中选用合理的结构、合适的材料及工艺，在制造源头提高产品的设计工艺性，对保证产品的质量和可靠性、提高快速研制水平、增强产品批生产能力和有效控制成本有着重要的现实意义。

1：

设计工艺性的内涵

　　设计工艺性与可制造性或可生产性在很大程度上表示的意义是一致的。

美国军用标准MIL—STDl528《生产管理》中给出的定义是：

“设计工艺性是多种特性的综合，即通过产品设计和生产策划，形成最有效的和经济的方法，进行产品的制造、装配、检查、试验、安装、检验和验收”；美国军用手册MIL—HDBK—727《可制造性设计导则》给出的定义是：

“可制造性是设计要素、特性和生产策划的综合，通过折中权衡，在满足质量和性能要求前提下，使设计描述的产品，在最小可能成本和最短时间的优化方案下进行生产和检验”；美国国防部指令50000．34《生产管理》给出的定义是：

“可制造性就是相对容易地生产出受设计特性和要求规定的产品或系统，即采用可利用的生产技术经济地制造、装配、检验和试验产品或系统”；原苏联航空工艺与生产组织科学研究院编写出版的《飞机构造工艺性指南》对设计工艺性的定义为：

“构造工艺性是指在保证产品使用质量的条件下，在产品制造过程中，可以达到高生产指标的那些构造特性”；对工艺性的定义是：

“在一定的产量和生产条件下，经综合权衡后，能以尽可能低的成本和短的周期制造出来，并能符合必须的使用性能和质量要求”的那些结构特性。

　　归纳上述定义可以看到：

在从产品设计、材料、加工、装配、检验、试验到使用、维护的全寿命周期中均体现了产品的设计工艺性。

因此，具有良好工艺性的设计应该是：

具有适当技能的操作者，通过合理、经济的方法，采用经济和易获得的材料，在较短时间内，制造出满足技术要求的产品。

　　设计工艺性的内涵，可以归结为以下三点：

　　1）设计工艺性是产品的固有属性，产品结构设计的各种要素都对设计工艺性产生影响。

　　2）设计工艺性是对产品性能、生产周期、全寿命成本、可靠性、安全性和可维护性等的综合平衡优化的结果，其目标是在满足产品性能和可靠性要求的前提下，满足经济高效生产的要求。

　　3）设计工艺性不但与产品结构的要素相关，而且与工艺布局、设备条件等生产要素密切相关，同时与产品的生产批量密切相关。

2：

设计工艺性工作的目标

　　设计工艺性是设计人员进行产品设计时必须考虑的重要因素之一。

设计人员在产品设计伊始，不但要考虑产品性能和可靠性等方面的要求，还要考虑产品生产时的可制造性问题。

另外，随着新材料、新工艺技术不断涌现，先进的制造方法不断发展，在材料、工艺、质量和可靠性等方面人员的合作和支持下，在产品研制和生产过程中不断对结构和工艺方法等进行各种权衡和优化，以持续改善产品的可制造性。

　　产品设计工艺性的目标概括来说，就是在满足产品性能、进度、质量、可靠性等要求的同时，依据现有生产条件，以最合理、最经济和最可靠的方式将其快捷地生产出来。

　　提高产品设计工艺性的目的主要是在以较低的成本、较短的生产周期得到产品的同时，对使用性能、可靠性和可维护性等设计要求不产生负面影响。

3：

设计工艺性相关要素

　　设计工艺性虽不是一个独立的学科，但它涵盖了从产品设计、材料科学、工艺技术、制造工程、工业经济等到质量、可靠性、有效性和可维护性等诸多学科和领域。

因此，与设计工艺性相关的影响要素很多。

下面重点从设计和生产两个方面，对影响设计工艺性的要素进行分析。

3.1．设计相关要素

3.1.1．简化设计、实现产品可生产

　　满足产品技术要求是设计产品的最基本要求，对产品技术要求的全面、正确理解对实现工艺性良好的产品至关重要。

由于对产品技术要求理解不全面，往往导致对所设计产品的某一特性提出过高要求，可能对产品的工艺性产生严重损害。

例如，对产品表面粗糙度提出过高的要求，有时会导致产品合格率下降、制造周期和成本大幅提高。

另外，采用复杂的方法满足设计要求将导致制造成本增加，也会影响生产周期，同时增加可靠性、有效性和可维护性的成本。

如图3-1；图3-2所示.

 图3-1产品设计制造流程

图3-2产品设计生产

　　DFA的实质是：

使所设计的产品结构：

减少产品结构中的零件数，减少所需装配工序与装配方法。

DFM的实质是：

使所设计的产品结构：

能便于制造，成本最少，能符合企业现有的生产能力。

3.1.2．元器件、原材料选择

对于选择材料满足产品设计目标要求，材料的力学、物理和化学性能构成了基本的设计准则，这些性能将影响制造工艺的选择。

因为在可成形性、可加工性、连接、热处理及表面处理等方面存在相互影响。

设计应规定尽可能多的材料选择，以拓宽潜在制造工艺的种类，并且允许用非稀缺材料和非战略材料进行替代，仅指定一种材料的设计将限制其与制造过程的兼容性。

如图3-3所示。

图3-3材料选择

3.1.3．工艺选择

　　仅有一种材料或制造工艺才能满足产品设计目标要求的情况很少，多数情况下，多种材料和工艺中的任何一种都可以制造出满足要求的产品。

通过预计由于材料短缺或可应用工艺不足形成的“瓶颈”而确定替代材料和工艺，会极大提高产品的可制造性。

3.1.4．容错及公差要求

　　不必要的严格公差和表面粗糙度要求对可制造性是极为不利的，有时需要采用更专用、特殊的工艺过程或依赖操作者的特殊技能才能保证达到严格的公差和粗糙度要求。

因此，应规定满足产品要求的最低的质量等级。

3.1.5产品技术基线状态确定

　　技术状态确定原则

　　1）在设计和研制中，选择满足用户需求和技术指标要求的成熟资源平台作为技术状态基线，产品的方案、技术和产品尽量继承资源平台系列产品以及成熟的产品或设计技术；

　　2）产品的型谱内产品为基础，最大程度的利用成熟技术和成熟产品，提高研制质量，确保研制进度；

　　3）充分利用和完善已有的预研成果；

　　4）汲取在研制过程中的经验和教训，注意和跟踪其它产品研制过程中出现的问题和解决措施，落实在方案设计和产品研制之中。

3.1.6．部件选择

　　应尽可能选择标准的、摸块化的部件来完成规定的功能。

进行新产品设计时，尤其应注意在继承与创新之间做好平衡。

新部件过多，则产品的研制周期和生产成本会大幅增加。

3.1.7试验、检验和维护

　　产品的试验、检验，是产品生产、组装、交付等质量保证的必要过程，在产品设计时必须考虑这些过程对产品分离面设置、工艺选择、流程设置等的影响。

另外，产品设计时必须考虑产品使用的维护性。

3.1.8设计文件与产品定型

　　设计成套技术文件传递的信息准确可靠，对设计目标的成功生产至关重要。

不清晰的模糊的或不完整的设计信息对可制造性是有害的。

产品的成套技术文件直接影响工艺选择，工艺师应在设计文件会签过程中仔细审查和把关。

设计工艺性审查《设计阶段》如图3-4所示；设计工艺性审查《工艺方面》如图3-5所示；设计工艺性审查《生产方面》如图3-6所示。

图3-4设计工艺性审查《设计阶段》

图3-5设计工艺性审查《工艺方面》

图3-6设计工艺性审查《生产方面》

4：

设计工艺性工作流程

　　在产品设计过程中，设计工艺性问题是一个最基本，也是非常重要的设计要素。

下面围绕产品设计中的三个基本过程（目标评估、分析改进、文件编制）分别加以说明。

4．1目标评估

　　正确的定义问题是解决问题的关键，因此，评价这一环节的重要性不容忽视。

系统的技术条件应该包括性能指标、设计约束和可制造性目标。

然而，性能指标和可制造性目标经常出现矛盾，可制造性目标往往被忽略。

只要企业拥有必需的基本设备和技术以及比较熟练的操作人员，就必须能够生产出设计者所设计的最终产品。

鉴于这种原因，设计要求的完整性以及在性能指标、设计约束和可制造性目标之间的权衡十分重要。

复审所有设计要求的完整性和明确性是十分必要的。

4．2分析改进

　　可行的方法很多，因此对于选取最有效方法的分析是必需的。

特殊的问题可能促进一些相关方法、手段的发展，但需要选择设计方法的步骤是相同的。

即使是一个很小的问题，分析的内容同样包括四项：

设计选择中的风险、功能与成本、进度与成本、部件构成与生产能力。

进度是设计工艺性的一个重要因素。

一个要求在6个月出产品的项目，就不能采用1年内才能完成产品生产的制造工艺。

　　设计方案最终要转化成零件的制造和装配，从概念变得具体。

产品尺寸、质量、单元结构可能性、可靠性和目标可维护性都将被审查。

另外，载荷、压降、流量、加热率、偏差、应力和配合的精确分析也将同时进行。

4．3文件编制

　　文件编制是连接设计和生产的桥梁。

它对无数的分析、调查、替代和改进结果进行详细说明。

它是设计师、操作员、绘图员以及很多其他人员之间的信息传达手段，是提供材料、人力和制造成本初步预算的工作手册。

　　另外，在设计工艺性工作流程阶段工作完成后，应由专门的设计工艺性评审专家组对产品设计工艺性工作进行审查、咨询，这对提高产品的可制造性是非常必要的。

设计工艺性评审专家组的成员来自涉及产品的多个领域（如设计、制造、可靠性、材料以及物资保障等），组长一般由单位总工程师担任。

专家组遵循一个基本原则来讨论和分析产品的工艺性。

根据可制造性因素，对新设计方案的设计工艺性提出审查意见和建议。

（1）：

结构件设计工艺性审查工作的一般流程如图4-1所示。

（2）：

电子产品设计工艺性审查工作的主要流程如图4-2所示。

图4-1结构件设计工艺性审查工作的一般流程

 图4-2电子产品设计工艺性审查工作的主要流程

5：

设计工艺性评价

　　只有通过设计工艺性评价，才能反映出产品是否容易在企业的制造能力下被生产出来。

设计工艺性的评价伴随着整个设计工艺性分析过程，而且随时可以进行，不只是在产品设计方案确定以后。

设计工艺性评价是一项涉及众多领域技术与管理内容的工作，仅凭设计师系统内部很难完成全部的设计工艺性要求。

因此，需要其他技术和职能领域的支持（如计划、质量、物资、标准化和技术保障等），尤其是设计师与工艺师在设计方案阶段就开始的协同工作成效非常重要。

设计工艺性评价一般从以下三个方面开展。

5.1工艺过程评价

　　工艺过程评价是指了解工艺能力并控制工艺波动来保证高质量产品。

工艺波动会导致产品质量的不稳定，因此，有效的工艺过程评价、数据分析和工艺调整可以保证工艺可控制、工艺波动在设计允许的范围内。

5.2产品评价

　　产品评价指评价产品是否满足客户要求，如质量、成本和交货期等，同时又满足企业内部的目标，如尽量减少产品的开发成本、增加利润空间等。

5.3设计工艺性体系评价

　　设计工艺性体系评价指在整个企业范围内，针对每个研制（新开发或改型）产品所进行的设计工艺性分析工作成效的综合评价。

它需要在收集所有多个产品、工艺、生产数据的基础上，采用基准评定法对比世界级或行业领先的企业的设计工艺性保证水平和效益，对设计工艺性分析的组织、人员、执行制度、所采取的技术规范和工具、数据库和知识库等多方面的综合测定。

其目标是为了连续改进和完善企业的可生产性保证体系，就像企业质量保证体系一样。

设计工艺性体系评价可以帮助识别体系的哪些部分或环节需要改进、加强，以便提高后续开发的产品的可生产性。

　　设计工艺性评价工作包括确定评价指标和评价方法。

设计工艺性评价的指标一般包括成本、时间、质量和风险。

其中质量一项，在产品开发早期使用顾客满意度、竞争能力等指标；在产品开发后期和生产与检验阶段一般采用缺陷数、废品率、工序能力指数等指标。

　　设计工艺性评价方法主要有成本估计、网络技术、模拟仿真、收支平衡分析、敏感性分析、价值工程学、关系树和容差分析等。

而这些方法一般用于详细设计阶段的比较多，且准确度都比较高。

例如成本估计，由于生产成本包括材料成本、人工成本和设备成本等，这就需要各种成本间的平衡。

如果原材料比较昂贵就可以减少加工成本。

为了进行最低成本的产品设计，设计师必须有一种成本评估方法。

材料成本的估算比较简单直接，必须考虑原材料成本减去废料的价格。

人工成本的评估略微复杂，必须评估完成工作所需要的时间和技能水平。

现在有很多在生产前评估所需劳动时间的方法，基本的评估方法有技术评估、历史数据评估和网络技术。