面向制造与装配的DFMA技术及其应用实例分析

DFMA概述

DFMA是杰弟里.布斯罗伊德博士在20世纪70年代初期创立的方法论，它包括面向制造的设计（DFM）和面向装配的设计（DFA）。DFA主要关注在组件设计时，减少连接/紧固件的数量，使零件总数最小化；理想情况下，良好的DFA约可降低25%的产品生产费用。DFM主要包含最优加工过程选择、材料选用、公差设计和过程优化[1-2]。一般来说，DFA会先于DFM进行。DFMA技术的运用，可以缩短新产品的制造及上市周期。它通过降低产品的复杂程度、减少零件数量等，来减少装配时间、降低零件成本、提升制造过程的可靠性，从而有效避免了产品开发后期由制造和装配所带来的质量问题，使得制造成本的最优化成为可能。

2 DFMA技术的应用

放眼国际，DFMA在汽车、飞机、计算机、机床生产、模具开发、通信产品、仪器仪表设计及制造领域都得到了较为广泛的应用；但是，目前国内除小部分大企业在使用之外，DFMA的应用普及水平尚有待提升[3-4]。

本文基于DFMA在某国际知名公司的实施，对DFMA技术的应用做了如下实践探讨。

2.1应用DFMA的时间及其影响

可以说，在产品的整体开发阶段都可以应用DFMA技术，但在不同时间应用DFMA所带来的产品纠错费用的差异是巨大的。最佳的应用DFMA时间是在产品的概念研究阶段，设计开始之前。到了产品的A样例阶段，也就是说等到具体的设计方案都基本确定的情况下，DFMA的应用对设计的影响就非常有限了。

图1示出了DFMA在概念设计、原型试制、生产过程中的应用及纠错费用变化趋势。早期的良好设计，对应的成本支出低；若生产过程中及产品售后发现质量缺陷，则纠错费用就开始以数量级增加。

2.2应用DFMA的前提

2.2.1建立DFMA团队

对应一个新的产品开发项目，在项目启动之初就应组建DFMA团队。这个团队一般会由新产品设计开发人员、项目经理、装配和生产计划人员、项目采购、质量保证、精益专家、样品试制、销售及工业工程（时间方法研究/人机工程学）等职能人员组成。

2.2.2建立DFMA的设计准则

DFMA的设计准则应包括但不限于以下十个方面[5]。产品的设计与制造应当：

1）支持使用中断最少的、高可用性的制造流程；

2）支持使用内嵌式、可扩展的流程（批处理，避免分组和配套）；

3）允许使用简单的诸如抓取、跨越、连接、运输等作业流程，而不会给产品带来损坏、缠绕或丢失的风险；

4）确保能够在源头识别产品缺陷并立即采取补救措施（质量控制回路短）；

5）要充分考虑防呆、防错的方法，避免诸如部件缺失或双部件、位置错误、型号错误、操作错误、调整错误等的出现；

6）能够通过简单的产品构造来避免错误的产生，例如采用很少的组件、简单的组件几何体、很少的流程或很少的部件差异等；

7）避免不灵活（有工具约束）的制造流程，例如锻造、模具铸造，可以通过任务分割以及手动和自动组件的组装来实现灵活的工作内容；

8）通过使用模块化的产品结构，在无须磨合和改进偏差的情况下，实现不同产品生产间的快速调机、换线；

9）能够控制整个产品层面、生产线或工厂层面的风险，例如避免物料运输中混料的风险；

10）支持使用久经考验的工艺或核心技术以及具有良好质量历史的批处理方案。

2.2.3建立DFMA的评价准则

DFMA要针对产品制造的每一单个过程进行评价。评价主要围绕产品设计是否可靠，制造过程是否稳定，以及生产是否精益展开[5]。

1）如果产品的设计包含以下几点，则可以认为设计是可靠的：（1）产品的制造可以使用可靠且精益的流程，流程简单且流程支持设计；（2）产品的几何结构及部件结构复杂程度较低；（3）设计有防呆、防错的方案；（4）产品的公差范围可以覆盖不同产品间由于材料波动、工具磨损、环境变化（如温湿度的波动等）以及夹紧、热处理等加工所带来的尺寸改变。

2）当产品制造的过程符合以下标准时，则可认定过程是稳定的：（1）过程能力CP>2.0（6个西格玛）；（2）产品及关键外协件的质量，可以达到0公里投诉<10X10—6，且没有悬而未决的关键及主要缺陷投诉。

3）如果产品的制造过程符合以下标准，则可认为过程是精益的：（1）实现了连续流，不存在孤岛作业；（2）使用了防呆、防错的技术装备；（3）设备检测到故障后，会自动停机（自动化）；（4）缺陷的响应时间足够短，即包含缺陷探测时间、反应时间以及执行改变时间之和的质量控制回路足够短；（5）工序过程之间无浪费。

2.3实施DFMA研讨的主要步骤

在某一新产品项目DFMA专题研讨会开始之前，需要拿到过去类似产品或该产品前期研讨会的结论、平台产品的定义、技术图纸和零件清单。另外，初步装配或生产的顺序，有关标准组件或部件的信息以及标准的制造过程等也是需要提前准备好的。

一般情况下，一个完整的DFMA专题研讨会主要步骤如下：

1）设定新产品项目的预期，比如产量、生产地点、产品的变化趋势、项目的时间框架、关键的里程碑事件与时间节点（比如产品设计定稿的截止时间、加工设备的规格型号及采购到货时间等）。

2）对产品的新颖度、变化幅度、零部件的自制或外购等进行详细分析。

3）定义产品的工艺流程及每个工序的工步，画出详细的加工过程序列图。将所有工序排列成行（主线），每个工序的多个工步（包含给料动作）上、下平行排列（分支），分别以绿、黄、红三色标识区分那些有价值增值的、辅助支持的（比如测试）以及无价值增值的工序或工步。

4）将加工过程顺序图转化为DFMA工作表。依据建立的DFMA设计与评价准则，以小组头脑风暴的形式，对每个过程进行详细分析与评估，并制定改进措施。

5）确认产品最终的加工工艺流程，并将DFMA的问题解决清单纳入项目管理文件，定期追踪、回顾，直至结案实施。

需要指出的是，DFMA不是孤立的，它与PFMEA（过程失效模式与影响分析）以及DRBFM（基于失效模式的设计评估）都是相互关联的。

3 DFMA在某一集成开关设计中的应用实例

3.1项目背景

H公司为某型号的电动工具配套开发了一款新型的集成开关SW。在这款开关的A样例前期，H公司在客户的帮助下，开展了DFMA的专题改善活动。

3.2 DFMA的研讨过程

下面举例说明设计优化的过程（未包括产品完整的工艺流程）。

首先，H公司组建了跨部门的DFMA团队，并确定了开关产品DFMA的设计与评价准则。之后，大家又围绕集成开关SW开展了DFMA的专题研讨。在研讨期间，团队成员一起对集成开关SW的设计进行了详细分析，明确了产品的构造与自制、外购部件的组成等等。然后，根据以往的开关制造经验，绘制了集成开关SW详细的加工过程序列图。团队成员又基于开关的设计与评价准则，对制造每个过程对应的产品设计都进行了详细分析与评估（部分示例如表1所示）。对评估后认定需要改进的项目，安排了相应的责任人，确定了完成时间，对产品设计进行了优化。

3.3 DFMA的输出成果

DFMA团队对SW集成开关的所有54个工步做了详细分析与评估，共认定了28个改善机会。其中7条与设计的稳健性相关，21条与过程的精益程度相关，如图2所示。

对认定的每一个问题，团队都制定了具体的改进措施以优化设计。此集成开关DFMA之后的部分设计优化方案以及优化后能带来的直接收益如表2所示。

SW设计优化之后，团队成员又对开关进行了再次的DFMA评估。评估分数由之前的36分下降为16分，评估结果显示优化后设计所带来的制程风险已大大降低，这样的设计是可以接受的。

DFMA的应用给SW集成开关项目带来了明显的成效：产品总零件数平均减少5%，装配时间平均减少18%，按当年的产量计算，年成本平均节约了近50万元。

4结束语

面向制造与装配的DFMA理念在控制技术质量、降低成本等方面具有明显的优势。随着工业4.1“零缺陷”愿景的提出，DFMA技术将逐步融入智能制造体系，在提质、增效、升级中发挥更大的作用，体现更多的实际价值。