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技術趨勢
機械設計初步 基準與基準系統
2018.12.14∣瀏覽數:575

繪製設計細部製作加工圖最先考量為基準或 基準系統,必須明確顯示標註基準位置,做為 其後展開各細部尺寸之依據,避免後續製作加 工及檢驗時發生各自解釋、猜測與爭議不斷之 困擾。
文 ◆ 陳銘德

在傳統尺寸座標體系中無論歐規或美規之限 界與配合(Limits and Fits)[1][2]標準規範中, 並無觸及如何定義基準之符號、意義、適用時 機等議題,更不用論及JIS、CNS之標準(因均 參照ISO),往往只能繫於設計工程師之經驗與 功力標註尺寸,做為製作加工與檢驗之依據, 但必產生製作部門與檢測部門之間因見解不同 而有爭議,頻率相當高,如再加上零組件組裝 逐漸多後所產生之累積誤差因素,造成後續零 組件干涉無法正常組立,或間隙過大不符合原 先設計構想,更使問題複雜化,甚至理不出真 正原因,陷入瞎猜困境,而經常再耗用龐大人 力、材料與時間資源,設法重建再現性,釐清 問題所在。

以切削機製件為例,暫不論及各階段之外徑 值,如各段之長度標註如下圖1,則X距離Y之 長度正確計算為(6±0.05)+(10±0.05)+(10±0 .05)=26±0.15,換言之;如用尺寸鏈式標註, 則其各階段之誤差均賦予±0.05之公差,則X 與Y之間之尺寸誤差跟隨累積,檢測部門以此為 判定合格與否之依據。如換成圖2之標註,各階 段均以最大外徑之邊緣起,均配賦±0.05之公 差,則X與Y之間之尺寸為26±0.10,比鏈式標 註之誤差小些,顯示基準之優點。如欲求X與Y之間之尺寸具有最少誤差就直接標註(圖3),僅 為±0.05。

鑑於百年來傳統習用之限界與配合(Limits and Fits)標準規範之侷限,美國於二戰前, 持續動用龐大機械工程師、科學家、數學家 設法改善彌補,而提出幾何尺寸與公差規範 (Geometric Dimensioning and Tolerancing ASME Y14.5M)[3],ISO隨後亦公佈1101[4], 內容幾乎相同,明確規範基準與基準系統之符 號、意義及適用情況,促使設計、製作加工與 檢測之間只有一種語言與明確意義,而無第二 種解釋,避免爭議,大大提升研製效率及品 質,同時也更進一步推向大量生產之零組件達 到100%全互換之境界,降低產品售價,引發消 費端購買意願,提升人類幸福水準。圖4為尺寸 起點符號,可標註於圖1~3之點上,如標註於X 點更能顯示起點位置,提供量測依據,避免與 設計之爭議。

幾何公差規範為彌補尺寸公差在基準定義不 明確方面之缺陷,另新創基準符號,由一條直 線尾端指向一個正三角形(塗滿或空白)表示,如 圖5。零件基準可能不止一處,為製作加工與量 測之依據,另外用英文字母大寫A、B、C外加 正方形框分別表示第一、第二、第三基準之位 置(圖6)。

對大尺寸且重之零件或有撓性之沖壓鈑金件 (及射出成形塑膠件),其支撐處往往需有一定 之區域,可用基準目標符號,將一圓形框用一 水平線分割為兩區,下半框註以大寫字母及 數字,字母為基準型態,數字表示基準目標號 碼,上半框標註補充說明事項,如基準目標尺 寸,如空間不足,可用引線拉出到適宜位置, 如圖7。基準目標對點以交叉符號表示(X),對 線為以實線連結兩個交叉符號(X-X)表示。對大 型鑄造件翻鑄及後續進行銑削加工時,基準區 域可採用圓形或正方形內部以剖面細線表示, 如圖8。

一般方位性之公差僅需一個或兩個基準即 可,如在位置度關係中就需用到三個面基準系 統,甚至必要時尚需考慮選定先後順序。以車 削零件為例,第一基準選圓形面,第二及第三 基準面互為垂直,且垂直於第一基準面之中央 圓心。有厚度之銑削塊狀零件之第一基準面為 底面,第二基準為垂直於第一基準面之水平邊 緣面(或垂直邊緣面),第三基準面垂直於第二基 準面之垂直邊緣面(或水平邊緣面),且又垂直於 第一基準面,猶如銑床加工順序,此基準系統 同樣適用於薄殼沖壓鈑金件。

指定某形態之位置度公差或輪廓度公差或傾 斜度公差時,用於標註理論上正確之位置( 30 ) 、輪廓或角度( 60o )之尺度,是不加註公差,而 是以尺度外加方框表示,該零件之相對應實際 尺度僅受限於公差框內所標註之位置度公差或 輪廓度公差或傾斜度公差,更非以未註公差比 對或僅作參考。圖9表示如搭配基準尺寸(Basic dimension BASIC BSC)標註,優點為彌補+/- 公差之缺陷及不合理之處,消除累積公差之困 擾,合理增大製作公差達57%以上,配合MMC/ LMC可再額外增大製作公差(Bonus tolerance/ Zero tolerance),大幅降低模具工具製作成 本,量產件之檢具與治具(Functional gauge and fixture)設計依據零件圖之尺寸公差與幾何 公差進行虛擬情況(可達情況 實效情況 Virtual condition VC)計算,可快速完成,提升研製效 率與良率,且與老外相同等級品質,協助準時 甚至提前交貨。

期盼國內機械產業早日引用基準與基準尺寸 觀念,將可獲得不可言喻之龐大利益(無偷工減 料現象,而合理擴增製作公差),同時驟降材 料、人力、時間、再現性測試等資源之浪費, 提升生產研製效率及品質,縮小與高科技國 家之技術落差,早點與國際工藝接軌,多賺外 匯,持續強化自身產業體質與競爭力。

參考文獻
1 ISA, 1926/1941/ISO 286-1 &-2, 2010/ISO 129, 1985.
2 ASA B4a, 1925/ANSI B4.1, 1947/1967/ANSI B4.2, 1978.
3 ANSI Y14.5M, 1982(R1988), ASME Y14.5M, 1994/2009, Dimensioning and Tolerancing, AN INTERNATIONAL STANDARD.
4 ISO 1101, Geometrical Product Specifications(GPS)-Geometrical tolerancing-Tolerances of form, orientation, location and run-out, 1966/2012.

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