基于CETOL的微波爐間隙與段差裝配仿真研究

包捷 吳延岐 趙超一 周宇 彭定元

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

微波爐是一種常見(jiàn)的利用微波加熱食物的器具，目前市面上微波爐產(chǎn)品種類繁多，好的微波爐除了性能優(yōu)良以外，外觀也是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。而整機(jī)的間隙與段差是考核外觀的重要指標(biāo)之一。

微波爐的組成零部件繁多，包括腔體、外罩、門面、控盒、底板、鉸鏈等，其關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中1-外罩、2-腔體組件、3-鉸鏈、4-門體組件、5-門面、6-控盒、7-底板組件。工程師在設(shè)計(jì)微波爐過(guò)程中，對(duì)于單個(gè)零部件的尺寸公差設(shè)定往往只憑經(jīng)驗(yàn)，而當(dāng)多個(gè)部件裝配成整機(jī)后，公差疊加會(huì)對(duì)微波爐的間隙與段差產(chǎn)生很大影響。故尺寸公差設(shè)定不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致微波爐間隙與段差過(guò)大，甚至引發(fā)部件干涉或微波泄漏等嚴(yán)重產(chǎn)品缺陷。

當(dāng)前，對(duì)于復(fù)雜部件的公差仿真分析國(guó)內(nèi)外一般采用CETOL軟件進(jìn)行，廖勇軍，王芳芳等以變速箱的油封工裝為研究對(duì)象，通過(guò)在CETOL中建立對(duì)應(yīng)的仿真模型，找出了現(xiàn)有產(chǎn)品同軸度超差原因[1]。李萬(wàn)莉，丁云霞對(duì)集裝箱跨運(yùn)車的下橫梁與立柱模塊進(jìn)行的公差優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了裝配成功率高達(dá)98%的裝配方案，節(jié)約了成本[2]。張曉飛，馬繼偉等對(duì)空調(diào)蒸發(fā)器進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化管板的孔直徑公差，解決了管板與銅板裝配間隙大的問(wèn)題[3]。

在目前的公差仿真研究中，專門針對(duì)微波爐的研究較為少見(jiàn)，通過(guò)CETOL軟件對(duì)微波爐間隙段差值進(jìn)行仿真研究，可以為工程師在設(shè)計(jì)零部件時(shí)提供很好的理論依據(jù)，避免設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)分依賴經(jīng)驗(yàn)；也可以結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)產(chǎn)品的部件進(jìn)行合理的尺寸優(yōu)化，從而改善產(chǎn)品外觀，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值與工程指導(dǎo)意義。

2 公差設(shè)計(jì)理論

公差設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是求解封閉環(huán)與組成環(huán)的基本尺寸及其公差之間的關(guān)系問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)主要有極值法與統(tǒng)計(jì)分析法兩類方法。

2.1 極值法

極值法的計(jì)算公式為：

式中：T0為封閉環(huán)公差；ξi為傳遞系數(shù)；Ti為組成環(huán)公差。

采用這種方法的缺陷在于每個(gè)零部件需要嚴(yán)密配合才可100%滿足使用要求，會(huì)較大提升制造成本與部件報(bào)廢率。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法利用了統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，在保證裝配質(zhì)量的情況下提高設(shè)計(jì)彈性，降低制造成本。讓部件在彈性公差范圍內(nèi)滿足要求。

統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算封閉環(huán)公差公式為：

敏感度表示裝配尺寸鏈中各個(gè)組成環(huán)的尺寸變化對(duì)于裝配效果的影響程度，而貢獻(xiàn)度表示裝配尺寸鏈單個(gè)組成環(huán)尺寸公差對(duì)于封閉環(huán)尺寸公差的貢獻(xiàn)程度大小。利用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算的貢獻(xiàn)度公式為：

3 仿真模型建立與分析

微波爐的三維仿真模型如圖2所示，涉及間隙與段差的外觀面有A面，B面，D面，E面。

表征微波爐間隙與段差的物理量如圖3所示，分別為A縫間隙、B縫間隙、D縫間隙、E縫間隙，A面高低段差、B面高低段差、D面高低段差、E面前后段差。其具體計(jì)算公式與標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

一些大學(xué)生為了在“雙選”的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)，找到好的歸宿，耍小聰明，對(duì)自己的履歷大做文章。調(diào)查中，有4%的學(xué)生認(rèn)為可以隨便違約，學(xué)校不應(yīng)限制；有38%的學(xué)生認(rèn)為可以違約，但學(xué)校應(yīng)該規(guī)范；有57%的學(xué)生認(rèn)為不能違約，要注重大學(xué)生和學(xué)校的信譽(yù)。說(shuō)明大部分學(xué)生能嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待簽約問(wèn)題。

表1 間隙段差指標(biāo)表

圖1 微波爐關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微波爐三維仿真模型

圖3 微波爐間隙段差示意圖

圖4 微波爐E面前后段差尺寸分布圖

圖5 門控A縫間隙尺寸分布圖

圖6 門控E縫間隙尺寸分布圖

圖7 關(guān)鍵尺寸圖示

表2 CETOL間隙段差仿真結(jié)果

表3 各零部件尺寸的貢獻(xiàn)度分布（截選）

表4 尺寸公差修正表

表5 優(yōu)化后間隙段差仿真結(jié)果

圖8 優(yōu)化后門控E縫前后段差尺寸分布圖

圖9 優(yōu)化后門控A縫間隙尺寸分布圖

圖10 優(yōu)化后門控E縫間隙尺寸分布圖

仿真模型滿足以下假設(shè)：（1）組成微波爐的各個(gè)部件或組件不會(huì)發(fā)生熱變形或焊接偏位，如腔體組件、門體、底板組件等；（2）所有零部件的公差分布均滿足正態(tài)分布；（3）對(duì)間隙段差影響不大的零部件可在仿真模型中省略，如安裝于腔體內(nèi)壁的磁控管、變壓器、導(dǎo)風(fēng)罩、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、旋鈕等部件；（4）所有零部件的公差均在圖紙標(biāo)注范圍內(nèi)。最終的仿真模型包含18個(gè)零部件，98個(gè)尺寸公差及形位公差。

依據(jù)各個(gè)零部件的裝配關(guān)系，設(shè)定好對(duì)應(yīng)的連接副與約束類型，依據(jù)圖紙輸入對(duì)應(yīng)零部件的尺寸公差及形位公差。仿真結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2可知：初始設(shè)計(jì)狀態(tài)爐門控盒正面E面前后段差、外罩爐門A縫間隙差、爐門控盒E縫間隙差的sigma水平較低，分別只有0.55，0.71，1.61；而其他5個(gè)外觀間隙與段差指標(biāo)則sigma水平與裝配成功率較高。

爐門控盒正面E面前后段差、外罩爐門A縫間隙、爐門控盒E縫間隙的具體尺寸分布圖如圖4～圖6所示。由圖可知：

（1）微波爐的E面前后段差實(shí)際為-2.7mm～2.7mm之間，段差標(biāo)準(zhǔn)值為-0.5mm～0.5mm，裝配成功率只有41.8%；

（2）外罩爐門A縫間隙實(shí)際間隙為-1.1～3.1mm之間，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為0.5～1.5mm，裝配成功率為52.36%;

（3）爐門控盒的E縫間隙實(shí)際為0.3mm～2.1mm，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為0.7mm～1.7mm，實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值較前兩個(gè)指標(biāo)較為接近，裝配成功率為89.36%。

4 優(yōu)化方案

上述三個(gè)間隙與段差指標(biāo)偏低的主要原因是微波爐的構(gòu)成部件較復(fù)雜，尺寸鏈較多，較難直接采用理論分析，尺寸公差的設(shè)定多憑經(jīng)驗(yàn)，缺少系統(tǒng)理論計(jì)算，公差經(jīng)多級(jí)累積，導(dǎo)致指標(biāo)值較差，為改善以上三個(gè)間隙與段差指標(biāo)，需對(duì)相應(yīng)的零部件尺寸公差進(jìn)行優(yōu)化，以爐門控盒E面前后段差為例，各零部件尺寸的貢獻(xiàn)度分布從高到低排序部分截選如表3所示，不同零部件對(duì)應(yīng)不同的仿真模型圖號(hào)，每個(gè)模型擁有若干個(gè)特征，不同特征之間建立有尺寸約束，根據(jù)貢獻(xiàn)度的高低分布表，可判斷出對(duì)間隙段差指標(biāo)影響較大的關(guān)鍵尺寸所在的零部件位置以及對(duì)應(yīng)公差值，由表3可知，貢獻(xiàn)度靠前的幾項(xiàng)關(guān)鍵尺寸中，除門體孔位尺寸164.2±0.1mm因其公差精度已達(dá)到±0.1mm，受生產(chǎn)制造水平限制較難進(jìn)一步調(diào)控外，對(duì)指標(biāo)貢獻(xiàn)度較大，且可通過(guò)工藝水平提升較易調(diào)控的尺寸有以下幾個(gè)：（a）上鉸鏈孔心距8.5mm；（b）上鉸鏈固定孔邊距23mm；（c）前板定位孔邊距19.9mm；（d）底板定位孔心距24.4mm。幾個(gè)關(guān)鍵尺寸如圖7所示。

對(duì)以上關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化，縮小貢獻(xiàn)度大的尺寸公差，具體尺寸公差修正如表4所示。

優(yōu)化后的間隙段差仿真結(jié)果如表5所示，爐門控盒正面E面前后段差、外罩爐門A縫間隙、爐門控盒E縫間隙的具體尺寸分布圖如圖8～圖10所示。由圖可知：

（1）微波爐的E面前后段差實(shí)際為-1.2mm～1.2mm之間；E面前后段差sigma值由0.55上升至1.18；裝配成功率由初始的41.8%，改善至76.16%；

（2）外罩爐門A縫間隙實(shí)際間隙為0～2mm之間；A縫間隙sigma值由0.71上升至1.54；裝配成功率由初始的52.36改善至87.63%；

（3）爐門控盒的E縫間隙實(shí)際為0.4mm～2mm；E縫間隙sigma值由1.61上升至1.81；裝配成功率由初始的89.36%改善至93.02%。

通過(guò)優(yōu)化上鉸鏈孔心距、上鉸鏈固定孔邊距、前板定位孔邊距、底板定位孔心距等幾個(gè)關(guān)鍵尺寸對(duì)以上三個(gè)間隙段差指標(biāo)改善效果明顯，通過(guò)提升生產(chǎn)制造水平，提高加工精度可較好達(dá)到緊縮公差帶的要求。

5 結(jié)論

（1）制定了微波爐間隙與段差的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在CETOL軟件中構(gòu)建微波爐的公差仿真模型，考慮了尺寸公差與形位公差對(duì)微波爐的影響，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)表明：在原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下，爐門控盒正面E面前后段差、外罩爐門A縫間隙差、爐門控盒E縫間隙差三項(xiàng)指標(biāo)偏低。

（2）根據(jù)各尺寸對(duì)間隙段差的貢獻(xiàn)度分布，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝水平，確定對(duì)指標(biāo)影響較大的關(guān)鍵尺寸，通過(guò)優(yōu)化分析，E面前后段差裝配成功率漲幅82.2%；外罩爐門A縫間隙裝配成功率漲幅67.4%；爐門控盒的E縫間隙裝配成功率漲幅4%。

（3）采用此方法對(duì)微波爐的間隙段差值進(jìn)行研究，可為以后設(shè)計(jì)微波爐零部件，如腔體、門體、鉸鏈等尺寸提供理論支撐，對(duì)于關(guān)鍵尺寸需增加品質(zhì)管控，而對(duì)于非關(guān)鍵尺寸可在制造時(shí)適當(dāng)放大公差，降低設(shè)備精度要求從而可減少經(jīng)濟(jì)成本，具有較大的實(shí)用價(jià)值。