如何定義一個(gè)零件的復(fù)雜度，一直是工程師持續(xù)在思考和探討的話題，那么今天我們來(lái)聊一聊零件的復(fù)雜度。
前面文章已經(jīng)介紹過(guò)何謂復(fù)雜度，復(fù)雜度即數(shù)量多少的問(wèn)題。產(chǎn)品的復(fù)雜度有：零件數(shù)量、裝配關(guān)系、裝配時(shí)間、DFA指數(shù)等。那么在零件層級(jí)有哪些屬性可以進(jìn)行數(shù)量多少的分析呢？我們今天來(lái)深入聊一聊零件的DFM設(shè)計(jì)。DFM即Design for Manufacturing，翻譯為中文叫“面向制造的設(shè)計(jì)”，應(yīng)用的場(chǎng)景為零件的可制造性，通過(guò)分析零件的復(fù)雜度，從而降低零件的復(fù)雜度，以達(dá)到減少零件的制造時(shí)間和制造錯(cuò)誤，從而達(dá)成零件成本降低的目標(biāo)。
如下圖1，有金屬件，有塑料件，有些零件是注塑的，有些零件是壓鑄的，有些零件是鈑金沖壓的，且不同零件之間有不同的結(jié)構(gòu)即幾何形狀。
由此，我們可以將零件的復(fù)雜度歸納總結(jié)為零件的材料、工藝、結(jié)構(gòu)（幾何形狀）、材料和工藝、工藝和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度的分析，通過(guò)零件這些屬性的分析，減少零件的制造時(shí)間。那么我們一一來(lái)分析一下這些屬性的復(fù)雜度。
第一，什么是材料的復(fù)雜度。前面說(shuō)過(guò)，復(fù)雜度即數(shù)量多少的問(wèn)題。對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，材料用量的多少以及加工這個(gè)材料時(shí)間的多少即為材料的復(fù)雜度。
首先，材料用得越少，通常情況下對(duì)應(yīng)該材料的加工時(shí)間也會(huì)越少。為了讓零件材料盡量少，我們通常會(huì)從3方面進(jìn)行零件的輕量化設(shè)計(jì)，①使用競(jìng)品對(duì)標(biāo)分析，進(jìn)行零件小型化設(shè)計(jì)，確保零件的厚度和尺寸是最優(yōu)的；②評(píng)價(jià)零件的表面是否有價(jià)值，如果無(wú)價(jià)值盡量進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)（只適用于模具加工的零件）；③家族零件設(shè)計(jì)，也就是一套模具同時(shí)生產(chǎn)出多個(gè)零件。
其次，當(dāng)我們完成輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，我們進(jìn)行材料可制造性的評(píng)價(jià)，材料加工得越快，那么該材料的可制造性越好。材料屬性里面，什么是影響材料加工速度的因子呢？當(dāng)然就是材料的硬度或材料的熔點(diǎn)。在滿足零件場(chǎng)景使用的材料選擇下，材料的硬度越小或者是材料的熔點(diǎn)越低，那么該材料越容易加工，即該材料的復(fù)雜度越小。
金屬里面鋁或常用鋁合金的硬度是非常易于加工的，如果用于模具加工例如壓鑄，鋁的熔點(diǎn)也是相對(duì)低的，所以鋁合金被廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品。塑料里面熔點(diǎn)比較低的有PP等材料，在模具加工的時(shí)候能耗低且較快達(dá)到熔點(diǎn)問(wèn)答進(jìn)行模具加工。
第二，什么是工藝的復(fù)雜度。工藝的復(fù)雜度我們可以簡(jiǎn)單理解為哪些工藝加工更高效，工藝時(shí)間短工藝步驟少。首先，我們對(duì)常見(jiàn)的零件加工工藝進(jìn)行匯總及歸類總結(jié)如圖2：
當(dāng)前常見(jiàn)的零件加工工藝分為5大類，分別為冷凝工藝、變形工藝、鈑金加工工藝、輪廓加工工藝及金屬去除工藝。僅從加工速度來(lái)看，效率最高的為冷凝工藝……效率最低的為金屬去除工藝，也就是說(shuō)工藝最簡(jiǎn)單的為冷凝工藝，最復(fù)雜的為金屬去除工藝即機(jī)械加工工藝。當(dāng)然我們選擇零件加工工藝需要考慮的因素不僅僅是加工效率，還有很多其他因素例如產(chǎn)量、精度、尺寸……成本等因素。
第三，怎么定義零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。按照以上邏輯，我們把結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度轉(zhuǎn)化為加工效率來(lái)分析，那么影響加工效率的結(jié)構(gòu)因素有哪些呢？其一，盡量避免異形面，異形面即為形狀不規(guī)則面，反之方形、圓形等形狀稱之為規(guī)則形狀；其二，盡量少的零件表面塊，表面塊越少零件越易于加工，何為表面塊？見(jiàn)下圖3：
圖3
從左到右表面塊分別為10、6、3、3，這些零件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的表面塊越少，零件越容易加工，我們可以想想一下，如果零件的加工工藝是機(jī)加工、注塑、壓鑄，那么他們對(duì)應(yīng)的加工速度最快的應(yīng)該就是表面塊最少的零件；其三，基準(zhǔn)面要少，盡量只有一個(gè)基準(zhǔn)面，這樣可以避免零件加工的時(shí)候反復(fù)的裝夾、工序過(guò)多帶來(lái)的加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且累計(jì)公差大；其四，零件長(zhǎng)徑比居中。什么是長(zhǎng)徑比？見(jiàn)下圖4，即為L(zhǎng)/D：
圖4
長(zhǎng)徑最佳的比值在0.5~3之間。小于0.5，比值過(guò)小，意味著零件很短但是直徑很大，帶來(lái)的零件加工難題是不容易裝夾，或容易帶來(lái)加工誤差。大于3，意味者零件很細(xì)長(zhǎng)，為了解決加工過(guò)程中可能的零件變形，我們通常會(huì)選用剛度更好的材料或者是使用工裝夾具，不管是哪一種情況，毫無(wú)疑問(wèn)，都會(huì)帶來(lái)過(guò)長(zhǎng)的零件加工時(shí)間；最后，零件的公差要求盡量放寬。嚴(yán)格的公差很容易讓工程師誤認(rèn)為是高質(zhì)量高品質(zhì)，其實(shí)答案是不確定的，有些嚴(yán)格的公差會(huì)帶來(lái)高品質(zhì)，有些反之會(huì)帶來(lái)質(zhì)量問(wèn)題，例如內(nèi)應(yīng)力。但是嚴(yán)格的公差肯定會(huì)帶來(lái)過(guò)長(zhǎng)的加工時(shí)間、過(guò)高的零件報(bào)廢率、以及昂貴的加工設(shè)備等問(wèn)題。
至此，我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了零件復(fù)雜度的分析，但相信小伙伴們的腦袋里面有一個(gè)大大的問(wèn)號(hào)：那么多維度的零件復(fù)雜度分析，看起來(lái)就很復(fù)雜。為了消除到這個(gè)打問(wèn)號(hào)，我們要引入DFM指數(shù)的概念。前面介紹的零件復(fù)雜性分析維度，都轉(zhuǎn)化為加工速度的問(wèn)題，而加工速度最終會(huì)與零件成本掛鉤，那么DFM指數(shù)公式如圖5：
DFM指數(shù)范圍為0~100，指數(shù)越大越好，越大代表零件越容易加工制造，甚至不需要加工，那么零件就越簡(jiǎn)單。建議將此方法引入到公司的設(shè)計(jì)規(guī)則指引里面去，長(zhǎng)期以往，公司的零件極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)將越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力。你學(xué)會(huì)了嗎？
科理咨詢，歷經(jīng)33載的沉淀與積累，始終致力于企業(yè)創(chuàng)新與智能制造能力的深度提升，運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)的工具和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄕ?，已成功助力眾多企業(yè)實(shí)現(xiàn)全面成本優(yōu)化。科理?yè)碛兴拇蠛诵氖聵I(yè)部—創(chuàng)新、制造、服務(wù)及AI人工智能，它們相互協(xié)同共同為客戶提供全方位的解決方案。同時(shí)，我們?cè)谌珖?guó)多地設(shè)立對(duì)標(biāo)創(chuàng)新中心，這不僅是與客戶溝通的橋梁，也是近距離了解創(chuàng)新降本最新應(yīng)用的基地。
