包 捷 趙超一 彭定元

（廣東美的廚房電器制造有限公司 佛山 528311）

引言

蒸烤箱是一種密封的對(duì)食物進(jìn)行蒸煮與燒烤烹飪的電器，目前蒸烤箱品類較多，外觀風(fēng)格各式各樣，其開(kāi)門方式一般分為側(cè)拉門與下拉門式兩種，下拉門式蒸烤箱多見(jiàn)于中高端品類，隨著用戶審美的提高，其外觀也是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)，而整機(jī)間隙是外觀優(yōu)劣的核心指標(biāo)。

下拉門式蒸烤箱由爐門組件，腔體，底板，鉸鏈，外罩等部件構(gòu)成，主要通過(guò)鉸鏈完成爐門下拉開(kāi)啟操作，其產(chǎn)品裝配爆炸示意圖參看圖1，開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)蒸烤箱結(jié)構(gòu)時(shí)，單個(gè)部件的尺寸公差設(shè)定依賴經(jīng)驗(yàn)，而當(dāng)零部件裝配成整機(jī)后，誤差累加會(huì)加劇外觀間隙問(wèn)題，影響產(chǎn)品外觀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致部件干涉引發(fā)性能故障。

圖1 下拉門式蒸烤箱裝配結(jié)構(gòu)爆炸示意圖

目前國(guó)內(nèi)外采用CETOL 軟件對(duì)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)進(jìn)行公差分析，張先令針對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)兩端配合外觀面差問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，制定并驗(yàn)證了整改優(yōu)化方案[1]。郭亮亮，孫金鑫等建立了聚變實(shí)驗(yàn)堆真空室在CETOL 中的仿真模型，確定了影響目標(biāo)的關(guān)鍵尺寸[2]。王振林針對(duì)車前罩與前大燈的間隙段差進(jìn)行公差仿真分析，通過(guò)優(yōu)化定位方案，加強(qiáng)車身制造精度[3]。

在當(dāng)前的研究成果中，專門針對(duì)蒸烤箱的研究較為少見(jiàn)，通過(guò)CETOL 軟件對(duì)下拉門式蒸烤箱外觀間隙值進(jìn)行仿真，找到影響外觀間隙的核心關(guān)鍵零部件，可以對(duì)平臺(tái)零部件尺寸進(jìn)行合理優(yōu)化，提升制程裝配合格率，改善產(chǎn)品外觀。

1 公差分析理論

公差分析是一個(gè)循環(huán)往復(fù)迭代的過(guò)程，結(jié)合產(chǎn)品裝配關(guān)系，通過(guò)對(duì)核心部件的尺寸公差的優(yōu)化分配，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)尺寸的精度要求，公差分析法一般由極值分析法與統(tǒng)計(jì)分析法兩類方法構(gòu)成。

1.1 極值分析法

極值分析法又稱最壞情況分析法，即要求對(duì)應(yīng)的零部件的尺寸公差都處于極限偏差。

極值法的一維狀態(tài)計(jì)算公式：

式中：

T0—裝配尺寸公差；

Ti—第i個(gè)零部件尺寸公差。

二維及以上狀態(tài)的計(jì)算公式：

式中：

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)零部件處于極限公差的概率較小，此方法對(duì)制造精度要求高，雖計(jì)算簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)成本較高。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法也稱概率分析法，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)建立相應(yīng)的數(shù)理模型，考慮零部件尺寸的實(shí)際概率分布，使得其公差在彈性范圍內(nèi)，也可滿足裝配精度要求。與極值法不同之處在于：在一定概率分布范圍內(nèi)滿足裝配要求即可，可適度放寬對(duì)零部件的公差要求，從而降低制造成本。

貢獻(xiàn)度表示尺寸鏈各組成環(huán)尺寸公差對(duì)于封閉環(huán)尺寸公差的貢獻(xiàn)程度大小.利用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算的貢獻(xiàn)度公式為：

式中：

Contributionxi—第i 個(gè)零部件貢獻(xiàn)度；

σxi—第i 個(gè)零部件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)差；

σU—組成環(huán)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)差。

敏感度表示尺寸鏈中各組成環(huán)的尺寸變化對(duì)于目標(biāo)尺寸的影響程度，其計(jì)算公式為：

式中：

F—目標(biāo)尺寸函數(shù)；

h—零部件尺寸公差；

?h —公差變動(dòng)量。

2 仿真模型建立與分析

以某款20 L 下拉門式蒸烤箱為例，采用旋鈕結(jié)合玻璃面板觸屏操作模式，其三維仿真模型如圖2所示，涉及的外觀面有A 面，B 面等。

圖2 下拉門式蒸烤箱三維仿真模型

水盒與爐門之間的間隙稱為C 縫間隙，C 縫過(guò)大，影響外觀；C 縫過(guò)小，開(kāi)門時(shí)旋鈕容易碰到水盒，產(chǎn)生干涉。

電腦板、門面與玻璃面板之間的裝配關(guān)系參看圖3，其中玻璃面板上面印有圓形按鍵絲印，通過(guò)雙面膠貼在門面上；電腦板上面有圈狀彈簧，電腦板與門面螺釘固定裝配，其上的圈狀彈簧接觸玻璃面板內(nèi)表面。當(dāng)用戶觸碰按鍵絲印時(shí)，壓力傳導(dǎo)至彈簧產(chǎn)生微小形變，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，觸發(fā)電腦板工作。卷狀彈簧理論上與按鍵絲印同心，實(shí)際因裝配誤差會(huì)存在偏心情況，偏心值超過(guò)一定數(shù)值，會(huì)存在彈簧會(huì)與絲印部分重疊，遮擋絲印，從而造成按鍵文字顯示不全的現(xiàn)象，影響外觀。

圖3 下拉式蒸烤箱外觀間隙示意圖

綜上所述，關(guān)于下拉門式蒸烤箱外觀間隙，定義以下幾個(gè)物理量觀察指標(biāo)，分別為C 縫間隙，左側(cè)彈簧與絲印的圓心距，右側(cè)彈簧與絲印的圓心距，門面與外罩A 面高低段差。其具體標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 外觀間隙指標(biāo)表

模型仿真基于以下假設(shè)：①蒸烤箱的各零部件不會(huì)發(fā)生熱變形，如腔體組件，鉸鏈，金屬支架等；②所有零部件的公差分布均滿足正態(tài)分布；③對(duì)間隙指標(biāo)影響不大的零部件如金屬發(fā)熱管，排氣罩，電機(jī)等部件可省略。

將三維軟件與CETOL 建立通訊連接，結(jié)合各零部件的裝配次序，設(shè)定好對(duì)應(yīng)的約束關(guān)系，依據(jù)圖紙輸入對(duì)應(yīng)零部件的尺寸公差。仿真結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2可知：初始設(shè)計(jì)狀態(tài)爐門與水盒C 縫間隙，左側(cè)彈簧與絲印的圓心距，右側(cè)彈簧與絲印的圓心距，門面與外罩A 面高低段差的sigma 水平較低，分別只有1.53，1.65，1.09，0.76。

表2 CETOL 外觀間隙仿真結(jié)果

爐門與水盒C 縫間隙，左側(cè)彈簧與絲印的圓心距，右側(cè)彈簧與絲印的圓心距，門面與外罩A 面高低段差的具體尺寸分布圖如圖4所示。由圖可知：

圖4 外觀間隙仿真分布圖

1）蒸烤箱的爐門與水盒C 縫間隙實(shí)際為4.0 ～6.0 mm之間，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為4.5 ～5.5 mm，裝配成功率87.49 %；

2）左側(cè)彈簧與絲印的圓心距實(shí)際間隙為-0.9～0.9 mm之間，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為-0.5～0.5 mm，裝配成功率為90.10 %；

3）右側(cè)彈簧與絲印的圓心距實(shí)際為-1.2～1.4 mm，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為-0.5～0.5 mm，裝配成功率為72.60 %；

4）門面與外罩A 面高低段差實(shí)際為-1.1～1.3 mm，間隙標(biāo)準(zhǔn)值為0～0.8 mm，實(shí)裝配成功率只有55.28 %。

3 優(yōu)化方案

上述幾項(xiàng)外觀間隙指標(biāo)偏低的主要原因是蒸烤箱的構(gòu)成部件復(fù)雜，難以直接用理論分析，誤差累積導(dǎo)致指標(biāo)超差，為改善對(duì)應(yīng)外觀間隙指標(biāo)，需對(duì)零部件尺寸公差進(jìn)行優(yōu)化，以爐門與水盒C 縫間隙為例，各零部件尺寸的貢獻(xiàn)度分布截選如圖5所示，由圖5可知，對(duì)指標(biāo)貢獻(xiàn)度較大，且可通過(guò)工藝進(jìn)行調(diào)控的尺寸有以下幾個(gè)：①鉸鏈支架上固定孔邊距38.5 mm；②鉸鏈下固定孔邊距39.2 mm；③下金屬支架長(zhǎng)度67.5 mm；④鉸鏈支架固定孔徑4.5 mm。幾個(gè)關(guān)鍵尺寸如圖6所示。

圖5 各零部件尺寸的貢獻(xiàn)度分布（截選）

圖6 影響C 縫間隙的關(guān)鍵尺寸圖示

根據(jù)以上方法，針對(duì)其他外觀間隙指標(biāo)，找出貢獻(xiàn)度靠前的關(guān)鍵尺寸并對(duì)其修正優(yōu)化，具體尺寸公差修正如表3所示。

表3 尺寸公差修正表

優(yōu)化后的外觀間隙指標(biāo)的仿真結(jié)果如表4所示，爐門與水盒的C 縫間隙、左側(cè)與右側(cè)彈簧與絲印的圓心距、門面與外罩A 面高低段差的具體尺寸分布圖如圖7所示。由圖可知：

圖7 優(yōu)化后的外觀間隙仿真分布圖

表4 優(yōu)化后間隙段差仿真結(jié)果

1）爐門與水盒的C 縫間隙實(shí)際為4.2～5.8 mm 之間；C 縫間隙sigma 值由1.53 提升至1.81，裝配成功率由初始的87.49 %，改善至92.9 %；

2）左側(cè)彈簧與絲印的圓心距為-0.7～0.7 mm 之間；圓心距sigma 值由1.65 提升至2.21；裝配成功率由初始的90.1 %改善至97.32 %；

3）右側(cè)彈簧與絲印的圓心距為-0.8～1.1 mm 之間；圓心距sigma 值由1.09 提升至1.42；裝配成功率由初始的72.6 %改善至84.58 %；

4）門面與外罩A 面高低段差實(shí)際為-0.6～0.9 mm；A 面段差sigma 值由0.76 提升至1.08；裝配成功率由初始的55.28 %改善至71.89 %。

通過(guò)優(yōu)化鉸鏈支架上固定孔邊距、鉸鏈下固定孔邊距、鉸鏈支架固定孔徑、下金屬支架長(zhǎng)度等9 個(gè)關(guān)鍵尺寸公差，對(duì)外觀間隙指標(biāo)改善效果較為明顯，優(yōu)化手段可通過(guò)提升生產(chǎn)工藝制造精度實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1）制定了下拉門式蒸烤箱外觀間隙的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在CETOL 軟件中構(gòu)建起公差仿真模型，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)表明：初始設(shè)計(jì)狀態(tài)爐門與水盒C 縫間隙，左側(cè)彈簧與絲印的圓心距，右側(cè)彈簧與絲印的圓心距，門面與外罩A 面高低段差的sigma 水平較低。

2）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝水平，根據(jù)各部件尺寸公差對(duì)于間隙指標(biāo)的貢獻(xiàn)度分布，確定對(duì)指標(biāo)影響較大的關(guān)鍵尺寸，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，爐門與水盒C 縫間隙裝配成功率漲幅6.2 %；左側(cè)彈簧與絲印的圓心距裝配成功率漲幅7 %；右側(cè)彈簧與絲印的圓心距裝配成功率漲幅16.5 %；門面與外罩A 面高低段差裝配成功率漲幅達(dá)30 %。

3）針對(duì)工程師設(shè)計(jì)下拉門式蒸烤箱的零部件時(shí)，如鉸鏈，外罩，支架等，為其提供理論依據(jù)，對(duì)于關(guān)鍵尺寸需增加精度要求，而對(duì)于非關(guān)鍵尺寸可在合理情況下適當(dāng)放大公差，降低設(shè)備精度要求從而節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有較大的工程指導(dǎo)意義與實(shí)用價(jià)值。