在面向制造與裝配的設(shè)計(jì)方法(design for manufacture and assembly,DFM)的設(shè)計(jì)中,無(wú)論是面向手工裝配或自動(dòng)化裝配,都擁有若干設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可設(shè)計(jì)方法,用于指導(dǎo)零件和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),以使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更可靠和更低成本。但是,免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是面向無(wú)需裝配工序的機(jī)構(gòu),同時(shí)也面向非傳統(tǒng)加工方法,其設(shè)計(jì)方法與DFM的設(shè)計(jì)并不相同。如上所述,免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中零件的形狀和結(jié)構(gòu)首先應(yīng)當(dāng)遵循自由設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)規(guī)則;但是,由于間隙特征的引入,免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)技巧。從以下四個(gè)方面來(lái)檢驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
1構(gòu)成機(jī)構(gòu)的零件是否豐在運(yùn)動(dòng)關(guān)系:構(gòu)成機(jī)構(gòu)的零件未必都是可動(dòng)的,如圖1所示,軸需要在軸套中轉(zhuǎn)動(dòng),與軸套之間存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系;軸套安裝于固定座上,與固定座之間不存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
判別零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的上的在于盡量減少零件數(shù)量,這與DFM的設(shè)計(jì)原則是一致的。問(wèn)題在于,某些不存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件受到傳統(tǒng)加工方法的限制,不得不采用多零件裝配的方式,如圖1中的軸套和固定座,若將其改為一個(gè)零件,采用DFM思路設(shè)計(jì)時(shí),就不得不考慮對(duì)盲孔加工和加工整體外形時(shí)的裝夾。但是在面向免組裝的設(shè)計(jì)中,對(duì)此不作考慮,可以將軸套和固定座設(shè)計(jì)成一個(gè)零件,減少零件數(shù)量。
2構(gòu)成機(jī)構(gòu)的零件的形狀和結(jié)構(gòu)是否只為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能:實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能是機(jī)構(gòu)中各個(gè)零件存在的目的。理論上而言,各個(gè)零件的外形和結(jié)構(gòu)應(yīng)該是只為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能,而無(wú)需因?yàn)槠渌康亩坏貌蛔瞿承┬薷摹?
例如,圖2所示,按DFM思路,為了方便軸裝配于孔,需要延長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度,并且在軸的延長(zhǎng)段設(shè)計(jì)出方便裝夾的平面。這種為了實(shí)現(xiàn)裝配而不得不設(shè)計(jì)的形狀并不是直接針對(duì)機(jī)構(gòu)功能的,在面向免組裝的設(shè)計(jì)中可以不作考慮,以簡(jiǎn)化零件的形狀和結(jié)構(gòu)。
3間隙特征是否既能滿足運(yùn)動(dòng)屬性要求又具有可加工性:3D打印直接制造所用的原材料可以是絲材、粉末、液態(tài)材料等,免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就不得不考慮成型材料對(duì)機(jī)構(gòu)的配合間隙的影響:一旦配合間隙相對(duì)于材料尺寸太小以致間隙中的材料難以去除(例如,對(duì)SLM/EBSM工藝,如間隙太小,間隙中的粉末可能無(wú)法清除),或者配合間隙太小以致成型時(shí)易使兩個(gè)配合面粘接起來(lái)(例如如果配合間隙太小,對(duì)SLM工藝,激光穿透易使兩個(gè)配合面燒結(jié)或焊接在一起;對(duì)FDM工藝,熔融的絲材也極易滲透到另一配合面,使兩配合面粘接起來(lái)。)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能將受到影響,甚至導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無(wú)法運(yùn)動(dòng)。然而,一味地增大配合間隙也會(huì)降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。因此,面向免組裝的設(shè)計(jì)必須結(jié)構(gòu)原材料特性和工藝條件。值得注意的是,一般情況下,免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是比較難以實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合的。
4是否可以通過(guò)零件的調(diào)整改變配合面或機(jī)構(gòu)整體尺寸:采用數(shù)字化裝配的優(yōu)勢(shì)之一是在制造出機(jī)構(gòu)之前就能夠直觀地看到機(jī)構(gòu)的各個(gè)動(dòng)作位置。對(duì)于存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件,若能夠在無(wú)約束自由度上作移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作來(lái)減小配合面的面積或調(diào)整機(jī)構(gòu)的整體尺寸,對(duì)機(jī)構(gòu)的加工是有利的。如圖3所示,預(yù)先通過(guò)數(shù)字化裝配動(dòng)作,使軸向上沿軸套中團(tuán)購(gòu)網(wǎng)線提起,從而減少配合面積,再進(jìn)行3D打印直接制造,則避免了制造過(guò)程中粉末堵塞在配合間隙的問(wèn)題。
點(diǎn)和第二點(diǎn)主要是針對(duì)機(jī)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu),力求機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單;第三點(diǎn)和第四點(diǎn)則更注重提高機(jī)構(gòu)的可加工性。需要特別說(shuō)明的是,并不是通過(guò)檢驗(yàn)和優(yōu)化就可以使所有的免組裝機(jī)構(gòu)都達(dá)到優(yōu),往往這些方面只能得到部分解決或者各方面之間相互約束,需要根據(jù)具體情況作出權(quán)衡。
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