基于公差仿真的家用空調(diào)內(nèi)機(jī)導(dǎo)風(fēng)板間隙異常問題分析

張先令

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

組成家用空調(diào)內(nèi)機(jī)的零部件繁多，包括底殼、面板體、驅(qū)動盒、齒條、齒輪、電機(jī)、面板、內(nèi)外導(dǎo)風(fēng)板等。目前市場對產(chǎn)品外觀配合間隙等方面的要求越來越高，因此對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造提出了更高的要求。通常情況下，生產(chǎn)裝配異常問題一般基于實(shí)際樣機(jī)狀態(tài)，采用試錯的方式進(jìn)行分析驗(yàn)證，難以找到問題的根本原因并徹底解決。

當(dāng)前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對于復(fù)雜產(chǎn)品的公差仿真分析一般采用CETOL軟件進(jìn)行。秦家愛、張順法基于壓配電系統(tǒng)塑殼斷路器產(chǎn)品系統(tǒng)介紹CETOL公差仿真軟件的分析方法理論[1]。包捷、吳延岐等以微波爐間隙段差為研究對象，通過在CETOL中建立對應(yīng)的仿真模型，找出了影響微波爐間隙段差的關(guān)鍵尺寸[2]。張曉飛、馬繼偉等對空調(diào)蒸發(fā)器進(jìn)行研究，通過優(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題[3]。

在目前的公差仿真研究中，主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)端進(jìn)行公差仿真，更側(cè)重產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)合理性的評估與保障。而對于實(shí)際產(chǎn)品裝配制造過程中存在的異常問題的原因分析及改善的研究較為少見。本文基于空調(diào)內(nèi)機(jī)導(dǎo)風(fēng)板閉合間隙案例，應(yīng)用公差仿真分析工具，通過機(jī)理分析科學(xué)識別關(guān)鍵影響因素，快速準(zhǔn)確鎖定問題的根本原因，從而進(jìn)行研究整改。

同時，針對粘膠類導(dǎo)風(fēng)板組件波浪變形問題，一般都是通過調(diào)節(jié)注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化或挑選使用，部分零件受結(jié)構(gòu)、模具等先天條件限制，單純從注塑工藝方面優(yōu)化空間不足，無法徹底解決變形導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。為此，本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略及組件預(yù)裝與仿形壓緊矯形等方面開展研究，從多角度改善產(chǎn)品質(zhì)量，對高端復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的外觀間隙控制具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 背景介紹

該產(chǎn)品為推出式導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)風(fēng)板組件采用內(nèi)導(dǎo)+外導(dǎo)配合方式，通過雙面膠及壓合工裝實(shí)現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)與外導(dǎo)組合，其中內(nèi)導(dǎo)為剛性材料，通過內(nèi)導(dǎo)的強(qiáng)度對外導(dǎo)進(jìn)行定型，內(nèi)導(dǎo)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)左端圓孔、右端十字孔，最終由整機(jī)左右驅(qū)動雙電機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板的推出及閉合。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

為了確保導(dǎo)風(fēng)板閉合后與面板配合間隙足夠小，零部件加工制造時要求導(dǎo)風(fēng)板組件為內(nèi)凹變形，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板組件在兩端電機(jī)驅(qū)動下收回時，導(dǎo)風(fēng)板中間與整機(jī)先貼合，最后兩端驅(qū)動機(jī)構(gòu)收緊，最終保證整體配合間隙質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外觀完美質(zhì)量需求。導(dǎo)風(fēng)板內(nèi)凹結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)風(fēng)板內(nèi)凹示意圖

然而，實(shí)際生產(chǎn)過程反饋存在導(dǎo)風(fēng)板與面板配合間隙超出標(biāo)準(zhǔn)要求或間隙不均勻問題，生產(chǎn)合格率低，導(dǎo)致下線返修，為此應(yīng)用公差仿真軟件工具對上述問題開展分析研究。

2 公差仿真分析

2.1 公差仿真建模

產(chǎn)品三維裝配建?？傮w遵循產(chǎn)品實(shí)際裝配原則，通過限制零件的6個自由度，確定零件的裝配約束關(guān)系，約束特征包括面/線/點(diǎn)、軸/孔等，約束關(guān)系包括面接觸、線接觸、點(diǎn)接觸、同軸、與點(diǎn)同心等。以內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板與左右驅(qū)動機(jī)構(gòu)裝配為例，內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板兩端與左右驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別采用與點(diǎn)同心，約束X軸、Y軸平移及旋轉(zhuǎn)；內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板上側(cè)邊與面板體搭接約束Y軸旋轉(zhuǎn)；內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板右端驅(qū)動機(jī)構(gòu)的銷孔裝配結(jié)構(gòu)約束Y軸平移。其他相關(guān)零件裝配建模具體根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性及實(shí)際裝配情況而定。

2.2 定義零件公差

新產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)與方案審查階段仿真分析時，尺寸公差一般基于國標(biāo)或企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來定義；產(chǎn)品試產(chǎn)后的公差仿真一般基于受控工程圖紙及實(shí)際零件制造能力水平來定義尺寸公差。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 統(tǒng)計(jì)分布合格率

建立裝配約束并定義零件公差后，即可使用CETOL軟件運(yùn)行求解，并生成分析報(bào)告。分析結(jié)果如圖3所示，從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，合格率100.00%，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案理論上是滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的，需要重點(diǎn)分析識別影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，進(jìn)而結(jié)合實(shí)際樣機(jī)狀態(tài)鎖定問題原因。

圖3 統(tǒng)計(jì)分布公差仿真分析結(jié)果

2.3.2 關(guān)鍵參數(shù)識別

通過CETOL公差仿真分析，軟件自動對各項(xiàng)影響因素進(jìn)行敏感度、貢獻(xiàn)度排序；其中影響因素包括零件尺寸公差、裝配浮動、偏移、重力、變形等因素（敏感度、貢獻(xiàn)度相關(guān)計(jì)算方法在文獻(xiàn)[1]的“結(jié)果數(shù)據(jù)分析”，以及文獻(xiàn)[2]的“統(tǒng)計(jì)分析法”中均有相關(guān)介紹）。

敏感度是指尺寸變量對測量尺寸變化的程度，簡而言之即尺寸變量變化值為1時，對測量尺寸的影響程度的值。敏感度可用于確定關(guān)鍵變量。對于給定的測量尺寸，具有高敏感度值的變量為此測量尺寸的最關(guān)鍵參數(shù)，高敏感度的尺寸變量會對設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，通過控制高敏感度的尺寸盡量減少質(zhì)量產(chǎn)生的波動，從而有效地控制整個產(chǎn)品的質(zhì)量。敏感度排序表如表1所示。

表1 敏感度排序表

貢獻(xiàn)度是指每個變量相對于測量尺寸變量的百分比貢獻(xiàn)度。百分比貢獻(xiàn)度綜合了敏感度信息和零件變量信息，以顯示每個模型變量影響測量尺寸變量的百分比。貢獻(xiàn)度越大，對產(chǎn)品質(zhì)量控制越關(guān)鍵，通常認(rèn)為貢獻(xiàn)度大于1%的變量均可定義為關(guān)鍵參數(shù)；貢獻(xiàn)度排序表如表2所示。

表2 貢獻(xiàn)度排序表

基于以上敏感度、貢獻(xiàn)度排序表，識別出該產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，摘取部分內(nèi)容如表3所示，基于關(guān)鍵參數(shù)，分析實(shí)際生產(chǎn)中存在異常的原因，可快速找到問題癥結(jié)所在。

表3 關(guān)鍵參數(shù)排序表（按貢獻(xiàn)度排序）

3 異常原因排查分析

基于公差仿真敏感度、貢獻(xiàn)度排序表，可以完整、準(zhǔn)確反映影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并自動按重要程度排序呈現(xiàn)。以關(guān)鍵參數(shù)排序表開展問題排查分析，可以快速鎖定質(zhì)量異常原因，針對性制定整改措施[4]，如表4所示。

表4 基于關(guān)鍵參數(shù)分析問題原因

內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板變形量排查分析具體如下：

（1）內(nèi)導(dǎo)變形量標(biāo)準(zhǔn)要求：如圖4所示，內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板沿箭頭方向翹曲變形量控制在（-4，-1.5）mm內(nèi)，不允許波浪變形。

（2）內(nèi)導(dǎo)實(shí)測變形量：根據(jù)異常下線機(jī)導(dǎo)風(fēng)板局部內(nèi)拱情況，從生產(chǎn)線上隨機(jī)抽出4件內(nèi)導(dǎo)零件取圖5所示位置左（A點(diǎn)）、中（B點(diǎn)）、右（C點(diǎn)）三個點(diǎn)的內(nèi)拱變形量。

（3）測量A/B/C三個點(diǎn)的內(nèi)拱數(shù)據(jù)如表5所示，綜合數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)整體為內(nèi)拱，但呈波浪變形狀態(tài)，內(nèi)導(dǎo)C點(diǎn)內(nèi)拱量最大。而按照設(shè)計(jì)圖紙要求應(yīng)該是中間位置內(nèi)拱最大，整體應(yīng)該均勻內(nèi)拱。

表5 內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板零件變形實(shí)測數(shù)據(jù)

（4）為進(jìn)一步確認(rèn)內(nèi)拱影響情況，將測量的四組內(nèi)導(dǎo)通過壓力工裝完成導(dǎo)風(fēng)板組件預(yù)裝，再次測量左（A點(diǎn)）、中（B點(diǎn)）、右（C點(diǎn)）的內(nèi)拱變形量，實(shí)測數(shù)據(jù)如表6所示。綜合數(shù)據(jù)分析，說明導(dǎo)風(fēng)板組件壓合后，整體仍為波浪變形狀態(tài)。

表6 導(dǎo)風(fēng)板組件變形實(shí)測數(shù)據(jù)

（5）將四組導(dǎo)風(fēng)板裝配整機(jī)，整機(jī)配合間隙實(shí)測數(shù)據(jù)如表7所示。綜合數(shù)據(jù)分析，存在三組中間閉合間隙為0.6 mm，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)導(dǎo)左側(cè)局部內(nèi)拱較大，導(dǎo)致導(dǎo)風(fēng)板閉合時A/C兩點(diǎn)先與面板頂死，當(dāng)兩端驅(qū)動機(jī)構(gòu)閉合收回后，導(dǎo)風(fēng)板中間B處位置外翹，進(jìn)而造成導(dǎo)風(fēng)板與面板中間間隙超出標(biāo)準(zhǔn)的故障現(xiàn)象。因此確認(rèn)內(nèi)導(dǎo)波浪變形為此次異常的主要影響因素。

表7 整機(jī)配合間隙實(shí)測數(shù)據(jù)

4 整改驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，導(dǎo)風(fēng)板波浪變形為主要原因，因此重點(diǎn)對導(dǎo)風(fēng)板變形進(jìn)行控制與整改。

4.1 內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板波浪變形控制

組織注塑專家攻關(guān)調(diào)試優(yōu)化模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間等注塑工藝參數(shù)[5]，改善內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板波浪變形，特別是有效降低C點(diǎn)凸出變形量，如表8第一、二、四組數(shù)據(jù)所示；但是仍然存在個別零件C點(diǎn)凸出問題，如表8第三組數(shù)據(jù)所示。

表8 內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板零件變形實(shí)測數(shù)據(jù)（改善后）

將以上內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板裝配整機(jī)后，測量整機(jī)配合間隙如表9所示，第一、二、四組內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板波浪變形明顯改善后，整機(jī)配合間隙合格，說明降低內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板波浪變形對降低整機(jī)配合間隙有效。

表9 整機(jī)配合間隙實(shí)測數(shù)據(jù)（改善后）

4.2 導(dǎo)風(fēng)板組件壓緊方案改進(jìn)

通過內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板波浪變形整改后，整機(jī)配合間隙已顯著提升，但是仍有部分導(dǎo)風(fēng)板存在輕微波浪變形，導(dǎo)致整機(jī)裝配間隙不合格，為此，筆者進(jìn)一步研究開發(fā)導(dǎo)風(fēng)板組件仿形壓緊工藝技術(shù)。導(dǎo)風(fēng)板組件仿形壓緊示意圖如圖6所示。

圖6 導(dǎo)風(fēng)板仿形壓緊示意圖

挑選四組波浪變形的導(dǎo)風(fēng)板組件，通過仿形壓緊處理，并保壓定型30～60秒，波浪變形得到明顯改善，實(shí)測數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 導(dǎo)風(fēng)板組件變形實(shí)測數(shù)據(jù)（改善后）

將以上內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板裝整機(jī)后，測量整機(jī)配合間隙，實(shí)測數(shù)據(jù)如表11所示，整機(jī)配合間隙全部合格，說明導(dǎo)風(fēng)板組件仿形壓緊對降低整機(jī)配合間隙有效。

表11 整機(jī)配合間隙實(shí)測數(shù)據(jù)（改善后）

5 結(jié)論

本文通過應(yīng)用公差仿真進(jìn)行量產(chǎn)異常原因分析，改變現(xiàn)有基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行樣機(jī)試錯驗(yàn)證的落后現(xiàn)狀，為后續(xù)生產(chǎn)中出現(xiàn)異常問題的原因機(jī)理分析提供新的方法和思路，具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

通過三維公差仿真分析軟件進(jìn)行尺寸鏈分析，基于敏感度、貢獻(xiàn)度排序表，分析出影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素重點(diǎn)包括：內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板變形、面板鐮刀變形、面板體出風(fēng)口上沿變形等。基于關(guān)鍵因素的準(zhǔn)確識別，采用排除法快速鎖定內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板變形為導(dǎo)致產(chǎn)品異常的根本原因。

為此，本文通過調(diào)整內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板注塑工藝參數(shù)改善其變形，通過開發(fā)導(dǎo)風(fēng)板組件仿形壓緊裝配技術(shù)進(jìn)行矯形，最終將波浪變形導(dǎo)風(fēng)板矯正達(dá)到設(shè)計(jì)需要的規(guī)則拱形變形狀態(tài)，整機(jī)裝配驗(yàn)證間隙合格，滿足產(chǎn)品質(zhì)量需求。