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技術趨勢
孔件之治具銷徑設計與公差
2019.08.20∣瀏覽數:179

孔件之治具銷徑尺寸與製作公差設計, 對客製化量產之經營活動重要性居於關鍵地 位,尤其資訊業產品組裝必需面對,正確合 理製作公差不僅直接影響製作難易,且決定 製作費用,因此如何設計治具與選用製作公 差就成為獲利之根基。
文 ◆ 陳銘德

吳董接到一筆沖壓板件兼製作治具 之訂單,規格簡單只有兩孔之孔心距為 600±1mm,孔徑為ψ10±0.3mm。開模冲 製板件之難度不大,但治具銷徑尺寸設計課 之工程師們看法不一致,大部分設計師基於 以前經驗,認為銷徑為ψ7.7mm,致於銷徑 公差應盡量精車,控制於ψ0.01~0.02mm之 內,對加工師傅而言,尚可達到精度需求。 但年輕之小惠設計師認為銷徑尺寸ψ7.7mm 可能略小,將因與孔徑(ψ10±0.3mm)之間 隙過大,組裝時,板件將會產生移動,不利 於組裝工作。小惠工程師曾自費學習幾何公 差課程,對幾何公差之ㄧ些基本原則有些概念。

小惠設計師首先將兩孔之孔心距 600 ± 1mm 建議改為基準尺寸 ( B a s i c dimension BASIC BSC) 600 mm,再補足 孔徑之幾何公差,假設配賦正位度(位置度) ψ0.3 M mm,則可得孔徑尺寸變異與幾何公 差之關係,如表1所示。

項次1說明當孔徑於最大材料情況(最多留 料情況 Maximum material condition MMC M )時,亦即孔徑最小時(ψ9.7mm),其正 位度為ψ0.3mm,此時並無紅利公差(Bonus tolerance),得總公差為ψ0.3mm。當孔徑 隨製作加工偏離MMC時,正位度亦可等量增 大。當孔徑加工到ψ10.3mm(LMC),其正位 度可增到ψ0.9mm,如項次4。再依據虛擬情 況/可達情況/實效情況 (Virtual condition VC) 原則,孔徑於MMC時再扣除幾何公差,以 本例而言為ψ9.4mm (可做為銷徑之下限), 但考量師傅之製作工藝水準,一般取5~10% 之銷徑尺寸、銷徑位置與磨耗量,作為銷徑 之上限即ψ9.49mm,而其正位度取ψ0 Mmm。表2顯示治具之銷徑尺寸變化時與正位度變化之關係。

小惠設計師認為治具之銷徑ψ9.40~ψ9.49 mm,其正位度取ψ0 M mm,並向直屬主管 王課長說明設計原委與結果。當孔徑最小時 (ψ9.70mm),再考量幾何形狀誤差(ψ0.3 mm),即剩下ψ9.40mm,而治具之銷徑 於最大時為ψ9.49mm,再扣除幾何形狀誤 差ψ0mm,仍為ψ9.49mm,初看似干涉 ψ0.09mm,實際上孔件製作成最大孔徑與銷 徑加工成最小徑之機率很低,孔件製作時, 一般取尺寸中值(ψ10.0mm)為目標,也較保 險,而治具之銷徑ψ9.45mm為加工目標, 耐磨耗量需考慮使用受其成本在內,最大為 ψ9.49mm,避免間隙過大。

王課長對於孔心距之600±1mm改為 600 mm,於瞭解基準尺寸(Basic dimension BASIC BSC)意義後,頗為認同激賞,但對 於孔徑之正位度ψ0.3mm之建議有點意見, 可否改為小一些,小惠設計師認為初次以不 超過尺寸公差之半,進行設計,原則上再縮 小些也合理,因此再以ψ0.1mm進行設計。 孔徑尺寸變異與幾何公差之關係,如表3所 示。

再依據虛擬情況 / 可達情況 / 實效情況 (Virtual condition VC)原則,孔徑於MMC 時再扣除幾何公差,以本例而言為ψ9.6mm (銷徑之下限),但考量師傅之製作工藝水 準,銷徑之上限即ψ9.67mm,而其正位度取 ψ0 M mm。表4顯示治具銷徑尺寸變化時與 正位度變化之關係。

當孔徑之正位度以ψ0.1mm時,則設計治具 之銷徑大小為ψ9.60~9.67mm,其正位度為 0 M 。如孔徑於MMC時,其VC=ψ9.60mm,銷徑於 MMC 時為ψ 9.67mm ,干涉量為 ψ0.07mm,比ψ0.09mm縮小。

大部分設計師認為治具之銷徑為ψ7.7mm 係考量孔心距之公差±1mm之思維邏輯,如 果孔心距之尺寸公差增加為±2mm,則治具 之銷徑驟降為ψ5.7mm,可推理後續組配工 序之餘隙更大,更不利於組裝產線之基本穩 固需求作業。

第二案結果出來後,轉呈王課長審查,對 於小惠工程師使用零公差時機,再度令王課 長欽佩,零公差並非刁難製作加工師傅,反 而讓師傅有更寬廣之尺寸公差帶。當然如能 於板件孔徑之幾何公差直接賦予正位度為0 M (老外汽機車板件使用頻率蠻高,研判考 量後續焊接變形量較大之因素,讓板件之孔 位有較寬廣製作與組裝之空間),不僅好加 工,更能提高合格率,相對也提升獲利。同 時可避免可能發生將來使用檢具套量孔徑合格後之抽測尺寸卻超公差之困境,因依圖示 超公差就不合格,但已通過檢具套量表示一 定可組裝,犧牲可用之好零件殊為可惜,這 種情況零公差就扮演及時救援之利器,將不 合格零件轉化為合格零件,符合公司企業賦 予檢測部門之基本守則。設計工程師能正確 瞭解使用幾何零公差技術,不僅有利於製作 加工,兼提高合格率,又可降低工具、模具 製作費用,直接增加公司企業獲利。

考量目前公司現場加工部門員工對幾何 公差接受程度與設計課多數資深設計師之既 存觀念,不宜一次到位在設計圖面標註零公 差,可能被誤解為標新立異,無法取得共識 而更排斥幾何公差,王課長頗認同此理念, 將三案轉呈董座審核,必要時將率全設計課 工程師出席簡報會議詳細說明,尋求共識, 減少阻力,提升效率與良率,增加核心技術 與獲利。

參考資料
1. ASME /ANSI Y14.5M, Dimensioning and Tolerancing, An international standard, 2009.
2. JIS B0023, Maximum material requirement and least material requirement, 1996.
3. ASME Y14.43, Dimensioning and Tolerancing, Principles for Gages and Fixtures, 2011.
4. ISO 1101, Geometric tolerancing- Tolerances of form, orientation, location and run-out, 2012.

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