企業永續經營之利器「互換性設計」

文/陳銘德

    2019年底中國大陸於武漢發生新型冠狀病毒感染人類,到2020年初急劇暴增人數,嚴重影響工業製造與組裝產業之開工日期。蘋果公司執行長庫克感悟到零組件必須要第二來源,其中成敗關鍵在零組件必須納入互換性設計,避免重回試誤法延遲上市時間與資材浪費。

地球資源有限,人人要珍惜,機具設備或產品所需之材料、零件於設計之初當思考能使用壽期,除滿足特定功能規格需求外,尚需考量能耐操、可靠、好用、易拆卸維修及綠能回收等親和力,因產品或機具設備之價格較昂貴,站在消費者或客戶立場,能維修就比新購置划算,同時也對企業公司之品質增加認同度,有利於企業公司生存發展,永續經營,其中零組件是否具備可互換性設計就成為極具關鍵之因數。

 

互換性設計之重要性

互換性可分為全互換性與半互換性兩種,全互換性是指零件可任意組配於相同之相鄰零件,而半互換性係指以次總成組件為單位,與相鄰組件可任意組裝。例如引擎組件內之任何零件均能隨意湊合,組裝成引擎組件,不是邊組裝邊整修才能組裝。而半互換性則以任意引擎組件,均能輕鬆裝進同型任一台車殼,不會發生孔徑大小或孔位沒對準,尚需擴孔才能組裝之問題。所以互換性設計直接影響到後續產線組裝之效率與合格率,其重要性不言而喻,老闆、主管與設計工程師不得不慎。

互換性設計之精義為公、母配於最嚴苛狀況下,當孔徑為最小時,銷徑為最大時仍可以組配,換言之;如孔徑製作加工稍大且能符合圖規公差內,就產生間隙更能順利配合,同理;當銷徑製作加工稍小且能符合圖規公差內,亦能產生間隙更方便配合。貴重機具設備或產品使用一段時間後難免會磨耗故障,第一優先需考慮維修,以增加壽期,降低購置成本負擔,同時亦考驗品牌品質耐操及可靠信譽之最佳驗證機會,如果零組件當初設計已有互換性考量,後續維修補保自然輕鬆方便順利,亦可節省客戶等待時間之損失與費用,也能博得客戶讚賞與信賴度,持續甚至加重後續交易機會。

英人Henry Mandslay(1771-1831)於Woolwich兵工廠工作碰到組配互換問題。1771法國面臨相同問題,1811年Bodwer曾推動零組件互換失敗。1775美駐法大使Jefferson看到兵工廠技工大量組裝觀念而引進美國。1789-1812美國人Eli Whitney組裝15,000隻毛瑟槍不順利,凸顯互換性之重要。1820美國委託Simeon North製作20,000支手槍,順利交貨。1831美國Cult發明轉輪手槍,1850已運用互換性零件組裝手槍。1850年美國鐘錶業已應用互換性零件。1872美國GDP取代英國霸主地位成為世界第一。

德國生產之經濟學,生產過程之和諧與安全,高科技產品之實用性,才是企業生產之靈魂,而非利潤最大化。例如在清朝租借山東半島時期之地下通道出入口處,必須高出地面一公尺,避免遇大雨進入通道,又如前些年汙水道工程維修,無可用之零組件,遂請德國原廠支援,惟年代久遠,且原廠已不存在,但建議備用件應位於150公尺處找找看。果然順利發現規格相容之備用件,且有防潮油紙包裝保護。另外;例如鍋蓋內側有加工成奇特花紋,蓋上後,水蒸氣就能上下自然循環,不易燒乾,這是一種技術。鍋蓋與鍋之間隙一致(同心度極佳),說三分鐘開鍋就三分鐘開鍋,能節省能源。

 

零件互換性設計前置要項

產品研發階段之軸孔配合(公母配合)經CAE/CAD模擬分析出公稱尺寸後,下一步為進行可製性、易製性之細部設計,如量大則必需要求達到可100%互換性,任一軸件需可與任何孔件組配,同理;任一孔件可與任何軸件組配,關鍵在於如何決定軸孔件之尺寸與公差。

以前設備或產品組裝非常依賴組立師傅之修配功力,如遇到孔徑稍小或無法與軸件同心對位,將設法擴大孔徑或橢圓孔,或整修小軸徑稍微切削以利組立,完成組裝成為組件或產品之任務。然而這種事請必需向其直接上司或設計工程師回報,期望再次檢視設計圖之尺寸與公差,或要求製作單位或外包承製商改善。而其上司或設計工程師可能會立即檢討設計圖,釐清問題,再依檢測數據進行修改孔件或軸件之尺寸與位置,避免下次再犯,並作記錄改善。也有可能因工作繁複而疏忽或束之高閣,時間一久又忘記。結果日後再次發工或委外製作,不能組裝之現象又重複發生,又得浪費組配人員逐一整修,令人扼腕。

設計工程師如欠缺幾何公差基準(基準系統)、基準尺寸、位置公差等概念,可能沒抓到重點,就一直陷於修改孔徑或軸徑尺寸公差,但仍無法改善不能軸孔同心對位之問題,如再加上累積誤差因素糾結,改正時間遙遙無期,最終仍靠師傅整修,非根本解決之道。

零件互換性道理很簡單,當孔件之內徑製作到最小 (尺寸下限) 時,而且配合之軸件外徑製作到最大(尺寸上限)時,還能夠組立裝配。而當孔徑製作偏離尺寸下限往上限變大一些,則軸孔配產生間隙變大,更容易組裝。同理;如軸件外徑加工尺寸往下限方向偏離,一樣軸孔配之間隙變大,有助於組裝。

約百年前之國際版尺寸公差與配合(ASME/ISO-Limits and Fits)已大幅提升互換性之比例,福特T型車大量生產為一項成功經典例子。至今JIS、CNS仍奉為規範之參考依據。但尺寸公差與配合規範內有一些不合理侷限情形,美國持續針對其缺陷而發展出幾何公差規範(其實是全盤沿用),並經二戰龐大軍品、工業產品需求孔急之考驗,通過實際驗證才頒佈美國版與國際版,至今已逾70餘年。

 

幾何公差系統:

首先將傳統直角坐標系統改為幾何公差系統,在尺寸標註下方增加一格長方格,第一小格選正確之幾何公差符號(2018版修為12種),第二小格為幾何公差值,通常會在加註修飾語(M或L),第三小格為基準,必要時可增至第四、第五小格,亦即製作加工參考用之3D座標系統。以孔件為例,孔心在傳統直角坐標系統受限於方形區之不合理限制,改為以對角線為直徑之圓形區域,改善方向性之侷限,同時又可增大57.1%之製作公差,提升易製性與合格率。

 

修飾語:

如在幾何公差框內之公差值後面加上修飾語如 M,意義為最大材料情況(Maximum material condition,MMC),或稱最多留料情況。對孔件而言;即為孔徑加工製最小直徑(尺寸下限),如加工孔徑偏離MMC(孔徑變大些),則幾何公差可隨之等量增大,最多可達最小材料情況 (Least material condition,LMC)。同理;如為軸件(實心棒料),在幾何公差框內之公差值後面加上修飾語如 M,即為孔徑加工製最大直徑(尺寸上限),如加工孔徑偏離MMC(軸徑變小些),則幾何公差可隨之等量增大,最多可達最小材料情況。這時需注意未用完之尺寸公差值不可移作幾何公差,同樣;未使用完之幾何公差值不可移作尺寸公差,設計工程師、加工技術師與檢測人員必須遵守,不可胡亂擅作其他解釋,產生爭議,尤其委外製作件,更需與承製商約定檢測驗收標準。這種因偏離M或L而增加之公差稱之為紅利公差(Bonus tolerance),極像公司企業之年終紅利。

 

零公差:

在因應大量生產件之檢測需求而有功能性檢具套量,以確保通過檢具之零件一定可以組裝,但由於檢具設計考量因素,可能發生通過檢具套量後,在定量抽驗尺寸時發現少部分超出公差之現象,ASME與ISO國際版規範中,則賦予零公差之規特殊任務,特別通融將幾何公差值可降為零而轉化為尺寸公差值,三度擴增製作公差帶,提升易製性與合格率,將原本被剔除之可用好零件悉數化為合格件。實務上,可替高階主管或產品負責人化解經常需主持特別裁示會議(Material review board, MRB)之困擾,因為零件通過檢具套量(必可組裝)卻於抽驗時發現超公差之情況,依理應判不合格件,導致全部無法後送組裝線。事態相當嚴重,兩難齊發。如老闆、負責主管、設計工程主管或設計工程師、檢測主管或人員只要有人認識零公差意義,即可輕鬆化解,全部變為合格件,並有可受公評之完整品質文件,不欺騙客戶與公司,此項知識為規範含金量極高之技術。

 

虛擬情況:

可達情況或實效情況(Virtual condition, VC)意義為一個形體之虛擬情況是由一些指定公差所容許的,為各輪廓變異之綜合效果所得到之大小。代表在最大材料情況下,最極端嚴苛條件之組裝配合情況。簡言之;軸件之虛擬情況=尺寸+形狀或位置公差,孔件之虛擬情況=尺寸-形狀或位置公差。

 

檢具設計:

運用虛擬情況再斟酌涵蓋技術師傅合理之誤差,取尺寸公差之5%~10%做為檢具之製作公差值,既可應付大量零件之檢測,又可確保每件套量後一定可組裝,兼可節省高階檢測技術之人力負荷,徹底消除採用計數值檢驗抽樣程序及抽樣表方法(Sampling procedures and tables for inspection by attributes, MIL-STD-105E 1989)產生之少部分不合格品地雷,與額外浪費不合格品之資源成本與組裝產線不順利之現象。以4孔件說明直角座標系統之缺陷與改進措施。

 

圖1.孔件座標系統示意圖

 

 圖1中第1點孔心位於0.05㎜正方形區域內屬於合格,但是第2點同屬第1點到理論中心等距,卻因與第1點相隔45∘,不幸落到0.05㎜方形區域外而屬不合格,這是傳統直角座標系統之不合理缺陷之一,因隱藏方向性之限制,國內機製業不可不察。而幾何公差針對此項缺失,改為以正方形對角線為直徑之圓形區域(ψ0.07㎜)內較合理,完全解決方向性限制之缺點,360∘皆可,而且尚增加57.1%之公差區面積,立即提升易製性、良率與效率等皆有助益。

另外;於幾何公差值後面緊接著修飾與M,表示ψ0.071㎜為最大材料情況之數值。位置度公差ψ0.071㎜為以孔於最大材料尺寸M(ψ3.97㎜)為準。當孔之尺寸偏離最大材料尺寸時,孔之位置度公差允許超過原來之公差帶,於偏轉範圍內偏轉其「位置」。如ψ0.131㎜增額公差(Bonus tolerance)為孔加工到最高極限尺寸ψ4.03㎜時之位置度公差。將幾何公差框意義進一步解析如表1。孔徑與位置公差變異之動態公差圖如圖2。

 

表1.孔徑與位置公差變異關係(mm)

項次量測孔徑量測位置公差Bonus tol.位置公差允收/拒收
13.970.0700.07
24.00.100.030.10
34.030.130.060.13
43.950.05 0.053.95 ﹤3.97 ×
53.980.100.010.10>0.08×
63.980.060.010.06<0.08
74.010.120.040.12>0.11×
84.040.11 0.114.04 > 4.03 ×
94.030.140.060.14>0.13×
 
 
圖2.孔徑與位置公差變異之動態公差圖

 

 

 

位置度原則應用時,其公差大小由設計師需要而定,此公差係由外形(孔及配合件)之最大材料尺寸來決定,非由座標轉換而成。

 

機械生產設備之零組件設計如早已納入互換性公差元素,一旦碰到急單需求,即可採取擴增零組件製造廠商同步製作,同樣組裝配合亦可同步增加產線人力,因為零組件具備互換性功能,組裝作業一定順暢,設備出廠時程必可大幅縮短應急,如同口罩生產設備交貨可縮短一半以上。盼國內相關業界能跟上潮流演變,學習老外長處,零組件具互換性居於最關鍵地位,提升技術,進而搶占商機,拚搏於國際市場,多賺外匯,調薪擴廠,精進核心技術,建立品牌,永續發展。

 

 

 

參考文獻

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文章轉載自工具機與零組件雜誌