DFM技術在機加領域的應用研究

李珊 周少雄 胡貴生

摘要：通過分析傳統機加制造的產品開發過程中設計與制造的脫節，以及傳統人工可制造性檢查的滯后性和不一致性，研究了自動化DFM技術在機加領域的應用過程及實現前景。分析提出了基于MBD模型的機加結構設計的自動化DFM實現路徑和規則庫迭代優化方法，有利于在機加領域通過自動化DFM技術優化實現產品競爭力提升的目的。

關鍵詞：機械加工；DFM；自動化；MBD模型；并行開發

中圖分類號：TP391? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.022

0? ? 引言

20世紀70年代以來，世界制造業市場形勢發生了根本性轉變，信息技術的發展促進了全球大市場的形成，世界市場由傳統的相對穩定逐步演變為動態多變。為適應變化迅速的市場需求，真正提高競爭能力，DFM（Design For Manufacture）技術，即面向制造的設計應運而生。

DFX（Design For X），即面向產品全生命周期各環節的設計概念于20世紀90年代由SMTA提出，此后在汽車、國防、航空、計算機、通信、消費類電子、醫療設備等多領域被廣泛應用[1]。近年來，關于DFM的應用研究不斷拓展，如蔣祖華等人[2]分析了DFM技術應用在擺線針輪減速器設計上的系統結構，重點討論了產品總體設計、零件特征造型、裝配分析和DFM評價等關鍵技術，并描述了制造資源庫和加工方法庫等的建立過程。李峰等人[3]提出了并行工程環境下面向制造的設計方法（DFM），并且以鈑金零件為實例，建立了原型設計系統。Bühler等人[4]則闡述了DFM方法在模擬/數字混合設計和深亞微米技術等方面的應用，實現了參數分析和優化。段福斌[5]以回轉類零件為基礎開發了零件可制造性分析系統，研究產品可制造性評價策略，從而明確了開發實用化DFM系統的功能要求和關鍵技術。Shing[6]描述了通過開發專門的計算機程序來快速估計成型零件可制造性，識別顯著增加制造成本的制造相關特征或設計屬性，從而可以避免昂貴的特征，達到降低零件成本的目的。Kjeldsen[7]認為近年來面向制造與裝配的設計技術在工業領域得到了廣泛應用，同時使用Boothroyd和Dewhurst方法，通過對設計特征進行定量分析，從而實現設計特征的可制造性數值評級，直接量化設計的可制造性。在電子設計方面，陳正浩[8]提出“設計要為制造而設計”，強化電路的可制造性，使電路設計按照規范化、標準化的要求進行設計，是電路可制造性設計的主要要求。同時，集成電路設計領域也是會較早實現自動化DFM分析評估的領域，自動化DFM思路對機加工領域有很強的借鑒性。Wazziki等人[9]使用DFMA軟件，通過改變投影面積來估計實驗模具和虛擬模具的模具成本，從而實現模具開發過程中的先期評估。羅振璧等人[10]提出了一種產品零件可制造性（DFM）和可裝配性（DFA）及產品的制造過程控制的并行過程方法，利用公理設計中的獨立公理及其相關定理可以實現對產品在概念設計和初步設計階段進行系統可制造性設計。王家弟等人[11]研究了并行工程中面向制造的設計技術及其在鑄造中的研究和應用情況，在產品并行設計過程早期階段引入面向制造設計的DFM評價準則，從可鑄造性和經濟性角度評價設計特征，改進不合理設計，從而達到提高產品設計質量，降低成本和縮短生產周期的目的。

從上述研究中可以看出，DFM在產品設計制造過程中應用廣泛，且逐步向程序化、自動化和系統化方向發展。

1? ? DFM技術在數控機加領域的應用過程

傳統產品開發過程中，零件結構設計與制造串聯進行，即在結構模型設計完成后再開始制造工藝路線設計，串聯進行的過程導致設計與制造過程脫節。隨著機械零件設計的復雜度提升，在生產過程中極易出現設計變更，對于串聯進行的過程，反復的設計修改不僅增加了成本、浪費了材料，也嚴重增加了項目時間?，F代產品并行開發過程則要求設計與可制造性評估同步進行，從而實現設計問題在設計階段閉環解決，生產過程中無設計修改迭代。兩種開發過程如圖1所示。

在機械加工領域，加工時間、材料選擇、裝夾設計以及特殊造型均會帶來可制造性風險，因此十分有必要對機加過程開展系統化的可制造性研究。通過對機加領域開展全面化DFM，能夠在設計階段確定更合理的坯料，避免坯料浪費；優化細節結構，避免特殊刀具和復雜裝夾方式，縮減加工時間；確定合理的制造公差和結構壁厚，優化可制造性。具體實現過程如圖2所示。

傳統過程中分析機加零件可制造性，主要依賴人工在結構圖紙完成后檢查各個特征設計是否符合工藝規則，存在檢查疏漏以及人員熟練度問題，DFM的一致性和實用性存疑，且多數問題只能延后到實際生產中才能發現。在生產過程中更改設計成本極高，且會帶來嚴重的時間浪費。當前DFM正在向設計前期和客觀自動化發展，因此可在機加領域進行基于MBD模型的自動化DFM審查，實行過程如下：輸入產品MBD模型，DFM軟件進行設計特征識別，按照特征參數、特征關系以及材料選擇，依據設定的特征判斷規則，進行可制造性評價，并輸出判斷結果，人工只需要進行二次判斷和確認。

實施DFM過程需要從設計端貫穿到制造端，設計端按照標準MBD設計規范進行設計，從而保證設計模型的幾何信息、材料屬性信息和裝配信息完整，這是系統化DFM設計實施的基礎。

實施全面系統化DFM最關鍵的是特征規則庫的建立和維護更新，特征規則庫是指將影響可制造性的設計特征進行數據量化，形成一系列有明確的標準要求的設計要求。只有建立了可信、可量化的可制造性評估特征規則庫，自動化DFM工具才能基于機械加工零件的模型設計特征進行所需特征的讀取識別，之后基于量化規則進行判斷?？尚?、可量化的規則庫建立需要制造和設計的協同，同時也要借助設計仿真工具。

全面系統化DFM的實施缺少不了仿真工具的輔助，首先，利用有限元仿真工具可以輔助制造端明確工藝要求與設計量化要求之間的聯系，有助于將工藝要求轉換為準確量化的產品設計要求，便于可制造性評估特征規則庫的建立，相關的仿真工具有諸如ABAQUS進行銑削仿真、DEFORM進行熱處理和鑄造仿真以及Magics進行3D打印結構支撐仿真。

其次，可以使用仿真工具在DFM評估修正產品設計之后，進行產品加工的工藝加工工序步驟虛擬仿真，從而具象化產品的加工過程，對比分析進行可制造性評估前后的差異，從而延伸出加工時間和加工成本的DFC（面向成本的設計）評估。此類型可以具象化加工過程的仿真軟件有諸如UG IPW模塊和鑄造Moldflow等工具。

最后，自動化DFM工具識別模型特征并遍歷對比可制造性評估特征規則庫之后所得出的對比結論還需要人工介入進行二次判斷。人工判斷是針對特征識別的準確性和用于判別該類特征規則的適配性，從而保證自動化審查的穩定性。經過大數據模型的引入，能夠分析判斷某一類型特征規則自動判斷結論與人工判斷的一致性程度，從而使得規則庫的維護處于動態更新過程中，發現有誤或容易出現特征識別錯誤的規則，實現規則庫迭代優化。這也是自動化DFM評估實施前期或規則庫發生變更之后不可或缺的環節。

2? ? 自動化DFM技術應用實例

圖3所示零件為框體，深色區域為鋁鎂合金材質，灰色部分為PC塑料材質。工藝上需要先進行模內注塑，形成鐵塑結合體，之后進行細節特征銑削。從圖中可以看出，細節特征繁多且復雜，在建模過程中極易忽視注塑拔模方向和拔模角，以及銑削內圓角和T形槽深高比。通過將自動化DFM軟件（本文采用基于CATIA的DFM PRO軟件）部署到三維結構設計軟件中，在設計完成注塑特征后，即可選擇注塑特征可制造性特征評估規則庫，對注塑特征進行自動化識別，并輸出與規則庫特征限定范圍的比較報告，之后人工復查報告；同樣地，在設計完成銑削特征后，選擇銑削規則庫，檢查銑削內直角、封閉腔體和微小平面等特征，在設計階段指導進行模型可制造性優化，節約開發成本。

圖4為鈑金零件，該零件涉及沖裁、折彎和打凸三種特征，為避免鈑金件應力集中，并提升鈑金成型模具的強度，各類鈑金特征均有相應的硬性合計要求，諸如折彎半徑、打凸尺寸、凸包距離邊緣距離、凸包距離折彎距離、鈑金特征與鈑金厚度關系等，設計要求繁多。因此，可以通過建立各類鈑金特征尺寸、距離與厚度之間的關系方程，將其設置到DFM PRO軟件當中，在鈑金零件設計完成后，調用鈑金零件特征可制造性評估規則庫，從而實現對鈑金零件的特征優化。

其他各類機械加工零件，均可對應工藝分類在實踐中形成可制造性特征評估規則庫，諸如裝配規則庫，用于實現裝配體干涉檢查和孔位對中檢查優化；車削規則庫，用于實現回轉體零件根部圓角、最小壁厚以及回轉軸對中等的檢查優化。目前已有各種自動化DFM工具，通過實際案例分析可知，越早進行自動化DFM評估，越能提升設計質量，縮短產品開發周期。但是目前的自動化DFM工具也存在相應的不足，比如無法反向指導設計，需要人工參與等。隨著技術的發展，智能化、系統化的可制造性DFM評估應用前景必將更為廣闊。

3? ? DFM技術在數控機加領域的應用前景

在機加產品開發過程中應用DFM技術，顯而易見的優勢在于識別某一產品的可制造性，避免制造過程中的設計變更，縮短產品開發周期，提升產品競爭力。隱形的優勢在于在產品全生命周期中開展DFM，能夠實現產品系列間的可制造性迭代，從而最終實現產品的規范化設計。例如不斷優化材料選擇，從而將制造加工時間與產品材料相結合，從根本上把控產品開發的時間周期。而零件特征的分割與合并，更是極大地影響著產品的坯料成本與裝配關系。通過DFM技術的應用及迭代，逐步規范化模型設計，不但提升了產品的可制作性，也保證了產品之間的復用程度和延續性，最終能夠實現產品開發成本降低、開發周期縮短、競爭力提升的目的。

同時，隨著產品開發流程的迭代優化更新，DFM也在更近更深程度地扎根進入設計環節。比如現在越來越多的設計工具都嵌入了可制造性評估模塊，直接實現了DFM過程與設計工具的無縫集成。因此，在機械加工領域實施全面系統化的可制造性評估，需要考慮結構設計工具與自動化DFM工具的集成兼容性，從而最大化減少中間轉換流程，避免產品設計特征信息在不同工具中轉換丟失的現象。其次，也要提前考慮到智能化大數據模型的部署，隨著時代的發展，產品設計特征數據成為寶貴的數據財富，積累下來的可制造性評估特征規則庫也同等重要，智能化的大數據模型的部署，有助于在設計階段分析預測可能發生的問題并進行提示，從而進一步將DFM過程前移，縮短產品開發周期。

4? ? 結束語

DFX是一種產品開發的優化方法、手段和工具，體現了并行工程的思想，即在設計階段盡早地考慮產品生命周期各階段的各種要求。借助計算機自動化實現的DFX工具，可以有效輔助產品設計工程師按照DFX進行產品設計。當今隨著競爭形勢的日漸嚴峻，產品開發周期縮短能夠極大地提升產品競爭力，因此必須保證制造端可以一次性通過，將制造過程的風險提前在設計端進行優化規避。本文研究了DFM技術在機加產品設計過程中的實現價值，同步分析了自動化DFM技術的應用過程，認為在機加領域推行自動化DFM技術，不但有助于提升模型設計的可制造性，而且有助于規范化設計，保證產品延續性和迭代性，實現有競爭力的產品開發。同時，也展望了基于智能化數據模型優化DFM評估實施階段的可能前景。

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收稿日期：2023-12-27

作者簡介：李珊（1992—），女，陜西人，工程師，研究方向：機械加工仿真模擬。