面向制造與裝配的DFMA技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例分析

李慧靜 趙繼榮

（博世電動(dòng)工具（中國）有限公司，浙江 杭州 310052）

1 DFMA概述

DFMA是杰弗里·布斯羅伊德博士在20世紀(jì)70年代初期創(chuàng)立的方法論，它包括面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）和面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）。DFA主要關(guān)注在組件設(shè)計(jì)時(shí)，減少連接/緊固件的數(shù)量，使零件總數(shù)最小化；理想情況下，良好的DFA約可降低25%的產(chǎn)品生產(chǎn)費(fèi)用。DFM主要包含最優(yōu)加工過程選擇、材料選用、公差設(shè)計(jì)和過程優(yōu)化[1-2]。一般來說，DFA會(huì)先于DFM進(jìn)行。DFMA技術(shù)的運(yùn)用，可以縮短新產(chǎn)品的制造及上市周期。它通過降低產(chǎn)品的復(fù)雜程度、減少零件數(shù)量等，來減少裝配時(shí)間、降低零件成本、提升制造過程的可靠性，從而有效避免了產(chǎn)品開發(fā)后期由制造和裝配所帶來的質(zhì)量問題，使得制造成本的最優(yōu)化成為可能。

2 DFMA技術(shù)的應(yīng)用

放眼國際，DFMA在汽車、飛機(jī)、計(jì)算機(jī)、機(jī)床生產(chǎn)、模具開發(fā)、通信產(chǎn)品、儀器儀表設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域都得到了較為廣泛的應(yīng)用；但是，目前國內(nèi)除小部分大企業(yè)在使用之外，DFMA的應(yīng)用普及水平尚有待提升[3-4]。

本文基于DFMA在某國際知名公司的實(shí)施，對DFMA技術(shù)的應(yīng)用做了如下實(shí)踐探討。

2.1 應(yīng)用DFMA的時(shí)間及其影響

可以說，在產(chǎn)品的整體開發(fā)階段都可以應(yīng)用DFMA技術(shù)，但在不同時(shí)間應(yīng)用DFMA所帶來的產(chǎn)品糾錯(cuò)費(fèi)用的差異是巨大的。最佳的應(yīng)用DFMA時(shí)間是在產(chǎn)品的概念研究階段，設(shè)計(jì)開始之前。到了產(chǎn)品的A樣例階段，也就是說等到具體的設(shè)計(jì)方案都基本確定的情況下，DFMA的應(yīng)用對設(shè)計(jì)的影響就非常有限了。

圖1示出了DFMA在概念設(shè)計(jì)、原型試制、生產(chǎn)過程中的應(yīng)用及糾錯(cuò)費(fèi)用變化趨勢。早期的良好設(shè)計(jì)，對應(yīng)的成本支出低；若生產(chǎn)過程中及產(chǎn)品售后發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，則糾錯(cuò)費(fèi)用就開始以數(shù)量級增加。

圖1 DFMA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用及產(chǎn)品糾錯(cuò)費(fèi)用變化趨勢

2.2 應(yīng)用DFMA的前提

2.2.1 建立DFMA團(tuán)隊(duì)

對應(yīng)一個(gè)新的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，在項(xiàng)目啟動(dòng)之初就應(yīng)組建DFMA團(tuán)隊(duì)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)一般會(huì)由新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員、項(xiàng)目經(jīng)理、裝配和生產(chǎn)計(jì)劃人員、項(xiàng)目采購、質(zhì)量保證、精益專家、樣品試制、銷售及工業(yè)工程（時(shí)間方法研究/人機(jī)工程學(xué)）等職能人員組成。

2.2.2 建立DFMA的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

DFMA的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)包括但不限于以下十個(gè)方面[5]。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)當(dāng)：

1）支持使用中斷最少的、高可用性的制造流程；

2）支持使用內(nèi)嵌式、可擴(kuò)展的流程（批處理，避免分組和配套）；

3）允許使用簡單的諸如抓取、跨越、連接、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)流程，而不會(huì)給產(chǎn)品帶來損壞、纏繞或丟失的風(fēng)險(xiǎn)；

4）確保能夠在源頭識別產(chǎn)品缺陷并立即采取補(bǔ)救措施（質(zhì)量控制回路短）；

5）要充分考慮防呆、防錯(cuò)的方法，避免諸如部件缺失或雙部件、位置錯(cuò)誤、型號錯(cuò)誤、操作錯(cuò)誤、調(diào)整錯(cuò)誤等的出現(xiàn)；

6）能夠通過簡單的產(chǎn)品構(gòu)造來避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生，例如采用很少的組件、簡單的組件幾何體、很少的流程或很少的部件差異等；

7）避免不靈活（有工具約束）的制造流程，例如鍛造、模具鑄造，可以通過任務(wù)分割以及手動(dòng)和自動(dòng)組件的組裝來實(shí)現(xiàn)靈活的工作內(nèi)容；

8）通過使用模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在無須磨合和改進(jìn)偏差的情況下，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)間的快速調(diào)機(jī)、換線；

9）能夠控制整個(gè)產(chǎn)品層面、生產(chǎn)線或工廠層面的風(fēng)險(xiǎn)，例如避免物料運(yùn)輸中混料的風(fēng)險(xiǎn)；

10）支持使用久經(jīng)考驗(yàn)的工藝或核心技術(shù)以及具有良好質(zhì)量歷史的批處理方案。

2.2.3 建立DFMA的評價(jià)準(zhǔn)則

DFMA要針對產(chǎn)品制造的每一單個(gè)過程進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)主要圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否可靠，制造過程是否穩(wěn)定，以及生產(chǎn)是否精益展開[5]。

1）如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)包含以下幾點(diǎn)，則可以認(rèn)為設(shè)計(jì)是可靠的：（1）產(chǎn)品的制造可以使用可靠且精益的流程，流程簡單且流程支持設(shè)計(jì)；（2）產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)及部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低；（3）設(shè)計(jì)有防呆、防錯(cuò)的方案；（4）產(chǎn)品的公差范圍可以覆蓋不同產(chǎn)品間由于材料波動(dòng)、工具磨損、環(huán)境變化（如溫濕度的波動(dòng)等）以及夾緊、熱處理等加工所帶來的尺寸改變。

2）當(dāng)產(chǎn)品制造的過程符合以下標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則可認(rèn)定過程是穩(wěn)定的：（1）過程能力CP＞2.0（6個(gè)西格瑪）；（2）產(chǎn)品及關(guān)鍵外協(xié)件的質(zhì)量，可以達(dá)到0公里投訴＜10×10-6，且沒有懸而未決的關(guān)鍵及主要缺陷投訴。

3）如果產(chǎn)品的制造過程符合以下標(biāo)準(zhǔn)，則可認(rèn)為過程是精益的：（1）實(shí)現(xiàn)了連續(xù)流，不存在孤島作業(yè)；（2）使用了防呆、防錯(cuò)的技術(shù)裝備；（3）設(shè)備檢測到故障后，會(huì)自動(dòng)停機(jī)（自動(dòng)化）；（4）缺陷的響應(yīng)時(shí)間足夠短，即包含缺陷探測時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間以及執(zhí)行改變時(shí)間之和的質(zhì)量控制回路足夠短；（5）工序過程之間無浪費(fèi)。

2.3 實(shí)施DFMA研討的主要步驟

在某一新產(chǎn)品項(xiàng)目DFMA專題研討會(huì)開始之前，需要拿到過去類似產(chǎn)品或該產(chǎn)品前期研討會(huì)的結(jié)論、平臺(tái)產(chǎn)品的定義、技術(shù)圖紙和零件清單。另外，初步裝配或生產(chǎn)的順序，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組件或部件的信息以及標(biāo)準(zhǔn)的制造過程等也是需要提前準(zhǔn)備好的。

一般情況下，一個(gè)完整的DFMA專題研討會(huì)主要步驟如下：

1）設(shè)定新產(chǎn)品項(xiàng)目的預(yù)期，比如產(chǎn)量、生產(chǎn)地點(diǎn)、產(chǎn)品的變化趨勢、項(xiàng)目的時(shí)間框架、關(guān)鍵的里程碑事件與時(shí)間節(jié)點(diǎn)（比如產(chǎn)品設(shè)計(jì)定稿的截止時(shí)間、加工設(shè)備的規(guī)格型號及采購到貨時(shí)間等）。

2）對產(chǎn)品的新穎度、變化幅度、零部件的自制或外購等進(jìn)行詳細(xì)分析。

3）定義產(chǎn)品的工藝流程及每個(gè)工序的工步，畫出詳細(xì)的加工過程序列圖。將所有工序排列成行（主線），每個(gè)工序的多個(gè)工步（包含給料動(dòng)作）上、下平行排列（分支），分別以綠、黃、紅三色標(biāo)識區(qū)分那些有價(jià)值增值的、輔助支持的（比如測試）以及無價(jià)值增值的工序或工步。

4）將加工過程順序圖轉(zhuǎn)化為DFMA工作表。依據(jù)建立的DFMA設(shè)計(jì)與評價(jià)準(zhǔn)則，以小組頭腦風(fēng)暴的形式，對每個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)分析與評估，并制定改進(jìn)措施。

5）確認(rèn)產(chǎn)品最終的加工工藝流程，并將DFMA的問題解決清單納入項(xiàng)目管理文件，定期追蹤、回顧，直至結(jié)案實(shí)施。

需要指出的是，DFMA不是孤立的，它與PFMEA（過程失效模式與影響分析）以及DRBFM（基于失效模式的設(shè)計(jì)評估）都是相互關(guān)聯(lián)的。

3 DFMA在某一集成開關(guān)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目背景

H公司為某型號的電動(dòng)工具配套開發(fā)了一款新型的集成開關(guān)SW。在這款開關(guān)的A樣例前期，H公司在客戶的幫助下，開展了DFMA的專題改善活動(dòng)。

3.2 DFMA的研討過程

下面舉例說明設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程（未包括產(chǎn)品完整的工藝流程）。

首先，H公司組建了跨部門的DFMA團(tuán)隊(duì)，并確定了開關(guān)產(chǎn)品DFMA的設(shè)計(jì)與評價(jià)準(zhǔn)則。之后，大家又圍繞集成開關(guān)SW開展了DFMA的專題研討。在研討期間，團(tuán)隊(duì)成員一起對集成開關(guān)SW的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了產(chǎn)品的構(gòu)造與自制、外購部件的組成等等。然后，根據(jù)以往的開關(guān)制造經(jīng)驗(yàn)，繪制了集成開關(guān)SW詳細(xì)的加工過程序列圖。團(tuán)隊(duì)成員又基于開關(guān)的設(shè)計(jì)與評價(jià)準(zhǔn)則，對制造每個(gè)過程對應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都進(jìn)行了詳細(xì)分析與評估（部分示例如表1所示）。對評估后認(rèn)定需要改進(jìn)的項(xiàng)目，安排了相應(yīng)的責(zé)任人，確定了完成時(shí)間，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

3.3 DFMA的輸出成果

DFMA團(tuán)隊(duì)對SW集成開關(guān)的所有54個(gè)工步做了詳細(xì)分析與評估，共認(rèn)定了28個(gè)改善機(jī)會(huì)。其中7條與設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性相關(guān)，21條與過程的精益程度相關(guān)，如圖2所示。

圖2 SW集成開關(guān)的DFMA評估結(jié)果

對認(rèn)定的每一個(gè)問題，團(tuán)隊(duì)都制定了具體的改進(jìn)措施以優(yōu)化設(shè)計(jì)。此集成開關(guān)DFMA之后的部分設(shè)計(jì)優(yōu)化方案以及優(yōu)化后能帶來的直接收益如表2所示。

表2 SW集成開關(guān)的部分設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

SW設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，團(tuán)隊(duì)成員又對開關(guān)進(jìn)行了再次的DFMA評估。評估分?jǐn)?shù)由之前的36分下降為16分，評估結(jié)果顯示優(yōu)化后設(shè)計(jì)所帶來的制程風(fēng)險(xiǎn)已大大降低，這樣的設(shè)計(jì)是可以接受的。

DFMA的應(yīng)用給SW集成開關(guān)項(xiàng)目帶來了明顯的成效：產(chǎn)品總零件數(shù)平均減少5%，裝配時(shí)間平均減少18%，按當(dāng)年的產(chǎn)量計(jì)算，年成本平均節(jié)約了近50萬元。

4 結(jié)束語

面向制造與裝配的DFMA理念在控制技術(shù)質(zhì)量、降低成本等方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著工業(yè)4.1“零缺陷”愿景的提出，DFMA技術(shù)將逐步融入智能制造體系，在提質(zhì)、增效、升級中發(fā)揮更大的作用，體現(xiàn)更多的實(shí)際價(jià)值。