DFM面向制造和装配的设计(第二章)材料和工艺的选择

第2章 材料和工艺的选择

2.1概论

一个完整的面向制造的设计就是针对零件制造对材料和工艺的组合进行系统的、早期的选择，然后根据各种判据排列。遗憾的是，设计人员倾向于以他们最熟悉的工艺与材料构想零件，结果可能排除掉更经济的工艺以及工艺与材料组合的一些方案。所以很可能由于制造工艺以及相关材料的选择有限，而在产品设计的早期就丧失了主要的改进制造的机会。这种情况可以由在英国进行的有关设计人员制造工艺知识调查的结果充分加以说明川.这个调查彼盖了各种工业以及范围广泛的设计室.在制造工艺方面，如图2-l所示，调查中1/2以上人员很少了解金属挤压方面的知识，甚至完全无知，2/3的人员知道一点玻璃强化模制，而3/4以上的人员不知道塑料挤压、吹模技术和烧结。对于一些不

大常用的工艺，诸如热均衡加压、外插模制以及超塑成形等，知道一些工艺知识的设计人员的百分比分别仅为6%，7%和8%。对于材料的认识结果也类似，图2-2所示为设计人员掌握一些聚合材料知识的情况。这再一次令人惊讶地暴露了设计人员对一些常用材料是多么缺乏认识。这就可以想象，如果以设计人员熟悉的范围选择材料和工艺的组合将会是什么样，一些有效降低成本的其它工艺可能会被错过。

2.2早期材料和工艺选择的一般要求

为了设计真正具有价值，应该把材料与工艺组合的初始选挥和它们的排队情况作为基础，在新产品的早期概念设计阶段就可供使用。这样的信息可以包括为:

1)产品寿命；

2)工装容许的支出水平；

3)零件可能的形状范畴和复杂性等级；

4)服务需求或者环境；

5)外观因素；

6)精度因素。

对于许多工艺来说产品与工艺是密切相关的，产品设计必须利用一个预定的工艺作为起点，认识到这一点很重要。换句话说，在没有考虑工艺问题之前，零件的许多设计细节不能定义。正因为如此，当产品还在概念性阶段时，完成各竞争工艺的经济评价是至关紧要的。这样早期的评价将保证在产品设计进展到确定特定工艺之前对所有经济切实可行的工艺进一步进行调查。

设计由概念阶段发展到生产阶段的过程中，可以用不同的方法来完成产品的成本建模。在概念阶段，用类似尺寸和复杂性的产品的成本进行大体比较就可以了。当这个过程包含一定程度的不确定性时，它仅要求概念性设计信息，这对早期经济比较的目的来说是有用的。当设计进展并选择了特定的材料和工艺时，可以使用更高级的成本建模方法。这些在建立设计特性和选定工艺的制造成本之间的关系中特别有用。在后面的章节中将概要说明若干不同工艺的成本评价程序的基础。

工艺与材料组合的初始选择和工艺规划之间有一种明显的关系。工艺规划期间，加工操作和机器的序列的详细情况被确定下来。正是在这个阶段，决定了零件制造的段后详尽成本评估。这方面的大量工作是在计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning，简

称LAPP)系统[2-4]中完成的，只是这项工作主要用于机械加工工艺。

这些系统在零件实现详细设计之后，和所含的制造工艺一起使用。有关零件材料和工艺组合的初始决定是最重要的，因为这将决定以后制造成本的大部分。系统的早期材料和工艺选择在零件详细设计实施和详尽的工艺规划之前，它会影响采用哪一种工艺与材料的组合。

2.3制造工艺的选择

为了制造一个特定的零件，需要选择适当的工艺，它的基础是零件的各种所需的属性要和不同工艺性能之间配合良好。一旦零件的所有功能决定之后，就可以用表列出重要的几何特性、材料特性和其它所需属性。这代表一种“购物单”，必须添上材料特性和工艺性能。在“购物单”上的属性与零件的最后功能有关，并且由几何形状和服务条件确定。

大多数零部件不是由单一工艺产生的，而是需要不同的一些工艺来完成最后零件所有要求的属性。特别是当用成形工艺作为初始工艺时，需要用材料切削和精加工工艺来产生零件的一部分或者全部最后特性，这种情况就很典型。很明显，把许多工艺结合在一起使用是必要的，单一工艺通常不能完成零件的所有最终属性。然而，DFMA分析的目的之一是简化产品结构并强化零件。

经验表明，最佳利用初始制造工艺的各种性能，提供给零件尽可能多的所需属性，一般来说这样是最经济的。

通常有数以百计的工艺和成千上万的各种材料，而新的工艺和材

料又在不断地开发.幸运的是，下列察结果可以帮助简化所有的选择问题:

l)许多工艺和材料的组合模式是不可能的。如图2-3所示为工艺和材料类型选择范围的兼容性矩阵。

2)许多工艺的组合模式是不可能的，因此不会出现在任何工艺序列之中。

3)一些工艺只影响零件的一种属性，特别是表面处理和热处理工艺就是这样。

4)工艺序列有成形的一个天然次序，随后通过切削材料来精制特征，然后增强材料的特性。

工艺可以分类为:

第一期工艺:第一期/第二期工艺：第三期工艺。

有一些文章把平板卷制、拉管以及拔丝这样的用于制造原材料的生产工艺称为第一期工艺。在本文谈及生产零部件时，第一期工艺这个术语主要是指成形工艺。这样的工艺通常首先出现在操作的序列之中，应该选择工艺尽可能多地生成零件所需的属性。铸、锻和注射模是主要成形工艺的例子。

另一方面，第一期/第二期工艺能形成零件的主要形状，在零件上形成特征或者精制零件上的特征。这些工艺在工艺序列中的开头或者稍后一些出现。这种工艺范畴包括材料切削和其它工艺诸如机加工、磨以及铰。

第三期工艺不影响零件的几何形状，并且总是在第一期和第一期/第二期工艺之后出现。它的范畴包括精加工工艺，诸如表面处理和热处理。因为许多第三期工艺仅仅影响零件的单一属性，因此第三期工艺的选择可以简化。例如，研磨可以用来实现良好的表面精加工，而镀层经常用来改进外观或者抵抗腐蚀。

2．4工艺性能

在各种课本、手册中可以找到大量一般制造工艺的信息。对于每一种工艺需要进行分析以便确定它所生成零件的属性的性能范围。在这些性能中包括:可以产生的形状特征、自然的公差范围、表面粗糙度等。这些性能决定了一种工艺是否可以用来产生相应零件属性。表2-1给出了能用作选择指南的常用工艺的一般性能。

表2-1中所示工艺的成形性能在表2一中表达，该表中采用的各种定义如下:

(1)一般形状属性

1)凹槽( Depress, Deprssions)在零件的表面上形成凹槽的性能。

第一列项涉及在单一方向形成凹槽的可能性，而第二项涉及多方向形成凹槽的可能性。这两项涉及按工装运动方向的凹槽和沿其它方向的凹槽。 工装运动方向有:

a.分裂模工艺 模具打并的方向；

b.产生连续轮廓的工艺 与挤压方向正交或与切割介质的轴正交；

c.锻造工艺 工装对零件的冲击方向。