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技術趨勢
撓性板件塑膠件量測困擾與對策
2018.03.15∣瀏覽數:993

國內機械產業長久以來有一困擾,對精密連 接器小尺寸之切削件、薄殼沖壓板金件,及大 型且重之組合件、射出成形塑膠件等之尺寸檢 測,經常產生爭議,客戶、設計、製造加工、 檢測各部門之解釋不一致,甚至翻遍[設計便覽] 亦查無相關規則可參考,其他尺寸公差配合規 範亦均無所訂定,直到幾何公差規範才有增訂 相關規則供機械產業界依循,彌補尺寸公差規 範之缺陷,使設計、製造、檢測、客戶之間運 作更順利,設計圖之尺寸形狀只有一種解釋, 消除爭議。
文 ◆ 陳銘德

對一般薄殼之板件或塑膠件於電腦銀幕設計 時不覺得有柔軟變形之問題(結構強度分析才 顯示),設計工程師可盡情發揮構思,滿足產 品功能需求之形狀與大小做出最佳設計。實務 上,薄殼之板件於成形後,離開模具取出時為 柔軟之零件,當想檢測尺碼與形狀時,必定發 生如何固定支撐之技術問題,除非有與模具一 致之精度支撐塊或架(類似汽車車身組焊之夾治 具,但製作成本極昂),且能佈置於檢測工作 平台上,確保水平度與垂直度,但如此規模往 超出一般模具製造業之能力。或許另採用移動 式量測儀具到沖壓模具上,進行檢測零件可勝 任,然需有移動式3軸量測儀具(3D Coordinate measuring machine CMM),而其購置費用亦 不便宜。如欠缺上述兩種方式,又能滿足撓性 件(柔軟件)之量測,值得探討。如從設計圖賦 予適當註解,即可解決,前題是設計工程師須具備一些幾何公差規範之相關基本知識(有公信 力),在設計圖標註與說明,讓製作加工與檢測 部門有所依據,且只有一種解釋。

一般非剛體於自由狀態情況可分為兩類,首 先為零件本身固有之撓性擺動軟件(Inherently flexible parts),僅因重力就造成品檢測時之扭 曲,經常導致設計工程師與品檢工程師各自解 讀不一致,爭議不斷,如薄金屬環、橡膠、墊 圈(金屬、橡膠、麻) 等。另外;本身雖固有剛性 體(Inherently rigid parts),但因製程中須施加 固持力或於釋放內應力(如銑床工序前必需將零 件夾持固定),而造成工件變形,變形量超出設 計需求規格,如沖壓彎曲成形板件、焊接熱效 應變形或鉚接成為大尺寸且重之次總成組件(如 汽車門板組件、引擎蓋組件、後廂蓋組件、飛 機機身各段組件等)及射出成形大尺寸塑膠件之 縮水率因素等。

另 外 ; 板件於沖壓或抽引工序後彈回現象 (Spring back),可作為組裝面基準形素,這些 形素將可用於組裝過程中為螺栓、螺牙固持或 其他拘束夾具限制。自由狀態下之零件可能在 公差內或超公差,如於組裝時有加以拘束,則 可影響最後之公差結果,亦可改變零件之物理 性質。為確保功能需求,設計師可規定於使用 螺栓或螺牙組裝情況下,基準平面加以拘束, 在規定拘束限制情況下,所有相關於基準之性 質將可驗證。

自由狀態(Free State Ⓕ )係指大圓徑薄殼或 非剛性工件因胚件不規則且受固持而變形,或 於凸緣各處固持力不均產生變形,製程檢測合 格,拆解後不一定合格。對策為整修胚件且固 持力自然均衡,於無負荷狀態檢測各重要部位 需滿足配賦之公差。自由狀態下之平均直徑 (Average Diameter)計算為自由狀態下易變形 之真圓度或圓筒度公差盡可能放大,量測時最 少需採取四處之數據再取平均值(AVG ψ)。

拘束狀態(Restrained State)意義為容易變形 零件除製程檢測合格外,不必考量拆解後之狀 況,待固持施力均勻組裝後,再次檢測其功能 部位尺寸,均需落於公差範圍內。

上圖1右端部位之平均直徑需滿足平均直徑 ψ23.390±0.020 (單位inch)。左端部位之平均 直徑需滿足ψ48.370±0.030,其自由狀態下之 真圓度公差為0.100。凸緣對基準面B,以8支 ψ0.750-20 螺栓施以扭力120 in/lbs鎖緊固持 後,於基準A旋轉數圈後,相對於A之軸心線,其偏轉(擺)度或跳動度需落於0.050 inch公差內。

下圖2為一薄殼零件,其平均直徑之外徑為 ψ5.500±0.010 (單位inch),平均直徑需滿足 真圓度0.030。換言之;於自由狀態下,真圓 度公差需落於0.030 inch內,且其尺寸大小為 ψ5.490~ψ5.510。

平均直徑ψ5.510 inch之計算至少採取四 處之數據再取平均值(5.540+5.525+5.495+ 5.480=22.040,22.040/4=5.510),如圖3 左示意圖。同樣平均直徑ψ5.490 inch之計 算(5.520+5.500+5.480+5.460=21.960, 21.960/4=5.490),如圖3右示意圖。

國內機械業當迎頭趕上,早日揚棄各自解讀 之困境重複上演,人力、材料、工時等資源浪費不斷,設計圖愈完整,後續製作、加工、檢 測就愈沒爭議,不僅提升自己設計能力,也替 老闆省許多資源成本,為公司企業提高競爭力 與存活力。多學習參閱高科技已頒佈相關規 範,師其所長,溝通無礙,平起平坐,獲得尊 重,提升競爭力,爭取協同設計(Co-design)機 會,多賺外匯,增加工作機會。

參考資料
1. USAS B4.1/B4.2 Limits and Fits, 1967/1978。
2. CNS B1/B2,限界與配合, 1944/2012。
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4. JIS B 0401-2 ISO system of limits and fits- Part 2: Tables of standard tolerance grades and limit deviations for holes and shafts, 1998。
5. ISO 286-1 ISO code system for tolerances on linear sizes-Part 1: Bases of tolerances, deviations an fits, 1962/2010。
6. ISO 286-2 ISO code system for tolerances on linear sizes- Part 2: Tables of standard tolerance classes and limit deviations for holes and shafts, 1962/2010。
7. ASME /ANSI Y14.5M Geometric Dimensioning and Tolerancing, 1994/2009。
8. ISO 1101 Geometric tolerancing- Tolerances of form, orientation, location and run-out, 2012。