DFM技术在机加领域的应用研究

引言

20世纪70年代以来'世界制造业市场形势发生了根本性转变,信息技术的发展促进了全球大市场的形成,世界市场由传统的相对稳定逐步演变为动态多变。为适应变化迅速的市场需求,真正提高竞争能力'DFM(Design For Manufacture)技术,即面向制造的设计应运而生。

DFX(Design For X),即面向产品全生命周期各环节的设计概念于20世纪90年代由SMTA提出,此后在汽车、国防、航空、计算机、通信、消费类电子、医疗设备等多领域被广泛应用[1]。近年来,关于DFM的应用研究不断拓展,如蒋祖华等人[2]分析了DFM技术应用在摆线针轮减速器设计上的系统结构,重点讨论了产品总体设计、零件特征造型、装配分析和DFM评价等关键技术,并描述了制造资源库和加工方法库等的建立过程。李峰等人[3]提出了并行工程环境下面向制造的设计方法(DFM),并且以钣金零件为实例,建立了原型设计系统。Bihler等人[4]则阐述了DFM方法在模拟/数字混合设计和深亚微米技术等方面的应用,实现了参数分析和优化。段福斌[5]以回转类零件为基础开发了零件可制造性分析系统'研究产品可制造性评价策略'从而明确了开发实用化DFM系统的功能要求和关键技术。Shing[6]描述了通过开发专门的计算机程序来快速估计成型零件可制造性,识别显著增加制造成本的制造相关特征或设计属性,从而可以避免昂贵的特征,达到降低零件成本的目的。kjeldsen[7]认为近年来面向制造与装配的设计技术在工业领域得到了广泛应用,同时使用Boothroyd和Dewhurst方法,通过对设计特征进行定量分析,从而实现设计特征的可制造性数值评级,直接量化设计的可制造性。在电子设计方面,陈正浩[8]提出“设计要为制造而设计”,强化电路的可制造性,使电路设计按照规范化、标准化的要求进行设计,是电路可制造性设计的主要要求。同时,集成电路设计领域也是会较早实现自动化DFM分析评估的领域,自动化DFM思路对机加工领域有很强的借鉴性。wazziki等人[9]使用DFMA软件,通过改变投影面积来估计实验模具和虚拟模具的模具成本,从而实现模具开发过程中的先期评估。罗振璧等人[10]提出了一种产品零件可制造性(DFM)和可装配性(DFA)及产品的制造过程控制的并行过程方法,利用公理设计中的独立公理及其相关定理可以实现对产品在概念设计和初步设计阶段进行系统可制造性设计。王家弟等人[11]研究了并行工程中面向制造的设计技术及其在铸造中的研究和应用情况,在产品并行设计过程早期阶段引入面向制造设计的DFM评价准则,从可铸造性和经济性角度评价设计特征,改进不合理设计,从而达到提高产品设计质量,降低成本和缩短生产周期的目的。

从上述研究中可以看出,DFM在产品设计制造过程中应用广泛,且逐步向程序化、自动化和系统化方向发展。

1 DFM技术在数控机加领域的应用过程

传统产品开发过程中,零件结构设计与制造串联进行,即在结构模型设计完成后再开始制造工艺路线设计,串联进行的过程导致设计与制造过程脱节。随着机械零件设计的复杂度提升,在生产过程中极易出现设计变更,对于串联进行的过程,反复的设计修改不仅增加了成本、浪费了材料,也严重增加了项目时间。现代产品并行开发过程则要求设计与可制造性评估同步进行,从而实现设计问题在设计阶段闭环解决,生产过程中无设计修改迭代。两种开发过程如图1所示。

在机械加工领域,加工时间、材料选择、装夹设计以及特殊造型均会带来可制造性风险,因此十分有必要对机加过程开展系统化的可制造性研究。通过对机加领域开展全面化DFM,能够在设计阶段确定更合理的坯料,避免坯料浪费;优化细节结构,避免特殊刀具和复杂装夹方式,缩减加工时间;确定合理的制造公差和结构壁厚,优化可制造性。具体实现过程如图2所示。

传统过程中分析机加零件可制造性,主要依赖人工在结构图纸完成后检查各个特征设计是否符合工艺规则,存在检查疏漏以及人员熟练度问题,DFM的一致性和实用性存疑,且多数问题只能延后到实际生产中才能发现。在生产过程中更改设计成本极高,且会带来严重的时间浪费。当前DFM正在向设计前期和客观自动化发展,因此可在机加领域进行基于MBD模型的自动化DFM审查,实行过程如下:输入产品MBD模型,DFM软件进行设计特征识别,按照特征参数、特征关系以及材料选择,依据设定的特征判断规则,进行可制造性评价,并输出判断结果,人工只需要进行二次判断和确认。

实施DFM过程需要从设计端贯穿到制造端,设计端按照标准MBD设计规范进行设计,从而保证设计模型的几何信息、材料属性信息和装配信息完整,这是系统化DFM设计实施的基础。

实施全面系统化DFM最关键的是特征规则库的建立和维护更新,特征规则库是指将影响可制造性的设计特征进行数据量化,形成一系列有明确的标准要求的设计要求。只有建立了可信、可量化的可制造性评估特征规则库,自动化DFM工具才能基于机械加工零件的模型设计特征进行所需特征的读取识别,之后基于量化规则进行判断。可信、可量化的规则库建立需要制造和设计的协同,同时也要借助设计仿真工具。

全面系统化DFM的实施缺少不了仿真工具的辅助,首先,利用有限元仿真工具可以辅助制造端明确工艺要求与设计量化要求之间的联系,有助于将工艺要求转换为准确量化的产品设计要求,便于可制造性评估特征规则库的建立,相关的仿真工具有诸如ABAQUs进行铣削仿真、DEFORM进行热处理和铸造仿真以及Magics进行3D打印结构支撑仿真。

其次,可以使用仿真工具在DFM评估修正产品设计之后,进行产品加工的工艺加工工序步骤虚拟仿真,从而具象化产品的加工过程,对比分析进行可制造性评估前后的差异,从而延伸出加工时间和加工成本的DFC(面向成本的设计)评估。此类型可以具象化加工过程的仿真软件有诸如UG IPW模块和铸造Moldflow等工具。

最后,自动化DFM工具识别模型特征并遍历对比可制造性评估特征规则库之后所得出的对比结论还需要人工介入进行二次判断。人工判断是针对特征识别的准确性和用于判别该类特征规则的适配性,从而保证自动化审查的稳定性。经过大数据模型的引入,能够分析判断某一类型特征规则自动判断结论与人工判断的一致性程度,从而使得规则库的维护处于动态更新过程中,发现有误或容易出现特征识别错误的规则,实现规则库迭代优化。这也是自动化DFM评估实施前期或规则库发生变更之后不可或缺的环节。

2自动化DFM技术应用实例

图3所示零件为框体,深色区域为铝镁合金材质,灰色部分为PC塑料材质。工艺上需要先进行模内注塑,形成铁塑结合体,之后进行细节特征铣削。从图中可以看出,细节特征繁多且复杂,在建模过程中极易忽视注塑拔模方向和拔模角,以及铣削内圆角和T形槽深高比。通过将自动化DFM软件(本文采用基于CATIA的DFM PRO软件)部署到三维结构设计软件中,在设计完成注塑特征后,即可选择注塑特征可制造性特征评估规则库,对注塑特征进行自动化识别,并输出与规则库特征限定范围的比较报告,之后人工复查报告;同样地,在设计完成铣削特征后,选择铣削规则库,检查铣削内直角、封闭腔体和微小平面等特征,在设计阶段指导进行模型可制造性优化,节约开发成本。

图4为钣金零件,该零件涉及冲裁、折弯和打凸三种特征,为避免钣金件应力集中,并提升钣金成型模具的强度,各类钣金特征均有相应的硬性合计要求,诸如折弯半径、打凸尺寸、凸包距离边缘距离、凸包距离折弯距离、钣金特征与钣金厚度关系等,设计要求繁多。因此,可以通过建立各类钣金特征尺寸、距离与厚度之间的关系方程,将其设置到DFM PRO软件当中,在钣金零件设计完成后,调用钣金零件特征可制造性评估规则库,从而实现对钣金零件的特征优化。

其他各类机械加工零件,均可对应工艺分类在实践中形成可制造性特征评估规则库,诸如装配规则库,用于实现装配体干涉检查和孔位对中检查优化;车削规则库,用于实现回转体零件根部圆角、最小壁厚以及回转轴对中等的检查优化。目前已有各种自动化DFM工具,通过实际案例分析可知,越早进行自动化DFM评估,越能提升设计质量,缩短产品开发周期。但是目前的自动化DFM工具也存在相应的不足,比如无法反向指导设计,需要人工参与等。随着技术的发展,智能化、系统化的可制造性DFM评估应用前景必将更为广阔。

3 DFM技术在数控机加领域的应用前景

在机加产品开发过程中应用DFM技术,显而易见的优势在于识别某一产品的可制造性,避免制造过程中的设计变更,缩短产品开发周期,提升产品竞争力。隐形的优势在于在产品全生命周期中开展DFM,能够实现产品系列间的可制造性迭代,从而最终实现产品的规范化设计。例如不断优化材料选择,从而将制造加工时间与产品材料相结合,从根本上把控产品开发的时间周期。而零件特征的分割与合并,更是极大地影响着产品的坯料成本与装配关系。通过DFM技术的应用及迭代,逐步规范化模型设计,不但提升了产品的可制作性,也保证了产品之间的复用程度和延续性,最终能够实现产品开发成本降低、开发周期缩短、竞争力提升的目的。

同时,随着产品开发流程的迭代优化更新,DFM也在更近更深程度地扎根进入设计环节。比如现在越来越多的设计工具都嵌入了可制造性评估模块,直接实现了DFM过程与设计工具的无缝集成。因此,在机械加工领域实施全面系统化的可制造性评估,需要考虑结构设计工具与自动化DFM工具的集成兼容性,从而最大化减少中间转换流程,避免产品设计特征信息在不同工具中转换丢失的现象。其次,也要提前考虑到智能化大数据模型的部署,随着时代的发展,产品设计特征数据成为宝贵的数据财富,积累下来的可制造性评估特征规则库也同等重要,智能化的大数据模型的部署,有助于在设计阶段分析预测可能发生的问题并进行提示,从而进一步将DFM过程前移,缩短产品开发周期。

4结束语

DFX是一种产品开发的优化方法、手段和工具,体现了并行工程的思想,即在设计阶段尽早地考虑产品生命周期各阶段的各种要求。借助计算机自动化实现的DFX工具,可以有效辅助产品设计工程师按照DFX进行产品设计。当今随着竞争形势的日渐严峻,产品开发周期缩短能够极大地提升产品竞争力,因此必须保证制造端可以一次性通过,将制造过程的风险提前在设计端进行优化规避。本文研究了DFM技术在机加产品设计过程中的实现价值,同步分析了自动化DFM技术的应用过程,认为在机加领域推行自动化DFM技术,不但有助于提升模型设计的可制造性,而且有助于规范化设计,保证产品延续性和迭代性,实现有竞争力的产品开发。同时,也展望了基于智能化数据模型优化DFM评估实施阶段的可能前景。