DFMA在航空工業里的理解利用范文

本站小編為你精心準備了DFMA在航空工業里的理解利用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

本文作者：張旭單位：北京理工大學機械與車輛學院數字化制造研究所

dfma技術概述

1DFMA技術內涵

面向制造與裝配的設計與精益制造、質量工程等一樣，是一種設計理念。DFMA強調在產品設計的各個階段，對產品加工、裝配直至后續維護等進行綜合設計和優化，提高產品的可制造性、可裝配性、可維護性等。產品的可制造性、可裝配性在我國的工業界一般稱為結構工藝性，包括面向機加、鑄造、焊接、壓力成型等各種單元加工的制造工藝性以及在產品部裝、總裝階段的裝配工藝性、裝配準確性和裝配協調性等。實施DFMA的基本思想是通過減少零件數量、簡化產品結構，實現減少單個零件的加工時間和總的裝配時間，從而減少整個制造成本的目的。DFMA適用于任何企業和產品，尤其對飛機等大型復雜產品可以起到顯著作用。實施DFMA理念的企業強調在設計過程中采用并行工程方式，以保證產品的質量能夠由設計師及其他開發人員共同實現和保證。因此DFMA也被認為是并行工程的核心技術之一。

2DFMA技術的分類

DFMA強調在設計的各個階段，尤其是設計的早期，通過建立并行工程團隊，使產品設計人員能夠對關于材料選擇、制造工藝、裝配過程、維護過程等進行同步的設計與優化，以減少制造和裝配時間，從而降低生產成本，提高產品質量和可靠性。DFMA根據所達到的目標，可劃分為面向制造的設計（DesignforManufacture，DFM）、面向裝配的設計（DesignforAssembly，DFA）、面向測試的設計（DesignforTesting，DFT）、面向服務的設計（DesignforService，DFS）、面向環境的設計（DesignforEnvironment，DFE）等。其中DFM是根據企業自身及供應商的工藝水平和制造能力，綜合考慮零件的設計對零件制造過程中材料處理、加工成型、質量檢驗等環節的影響，通過對材料選擇、結構設計、尺寸公差等的改進和優化，使零件能夠在企業已有設備資源條件下，經濟、高效、高質量地制造和生產。采用DFM技術，可以在設計階段對不同設計方案進行制造時間和成本的快速定量分析，比較與評價各種結構設計與工藝方案。設計人員根據DFM評價的結果，對零件進行及時改進設計，使零件在滿足性能指標的同時，具有最好的加工工藝性。DFA是針對產品在制造過程中的裝配和檢驗，以及維護過程中的拆卸和組裝等操作，采用規劃、評價、仿真等技術手段對裝配結構進行分析、評價，并進一步提出改進建議。

3實施DFMA對產品的影響

DFA技術在20世紀70年代初由美國Boothroyd教授提出，其最初的目的是希望通過減少零件的數量以達到減少裝配環節的目的。但是，在企業中應用DFA技術后發現，采用DFA技術最大的成果是減少了零件的數量，從而減少了零件的制造時間和成本，并進一步減少了裝配時間和成本。因此，實施DFMA必須首先從產品的總體結構出發，通過材料選擇、結構優化，盡可能減少零件的數量和種類，并盡可能采用標準化的零件和結構，最終實現降低加工與裝配時間的目標。因此，DFMA的實施貫穿了產品設計的全過程，既包括了涉及產品總體的宏觀DFM技術，如產品平臺的構建、模塊化設計、供應鏈構造等，也包括了與局部的零部件的形狀、尺寸、聯接方式等有關的微觀層面的DFM技術。在總體或概念設計階段，可以通過對產品總體布局的調整和優化，如采用一體化設計或模塊化設計的思想，采用新型材料的功能復合部件的設計，大幅度減少零件的種類。在詳細設計階段，根據制造工藝和設備要求，對零部件的形狀、連接方式等進行優化，達到減少制造難度，縮短加工與裝配時間的目標。DFMA可以應用于新產品開發階段和已有產品的改型優化中。在新產品開發中，設計師在概念設計中通過減少零部件數量、簡化產品結構的方式，來保證產品的設計指標和性能要求，并使產品方便裝配。在產品的改型中，設計師通過重現設計或優化已有的組件，以優化產品的性能，并簡化制造和裝配環節。為了最大程度地應用DFMA技術，要求設計師必須具有對制造工藝、材料等領域的相關知識，設計與工藝人員必須緊密合作以確定最佳的設計和制造方案。

4DFMA的技術方法

在具體的DFMA的實施中，通常采用以下技術方案。

•建立并行工程團隊，采用設計制造一體化的設計模式。

通過建立并行工程團隊，由設計與制造工藝人員等共同完成產品的設計，并對產品的材料選擇、加工工藝、裝配過程、檢驗方法、維修與維護過程等進行綜合的分析。該方法也稱為工程與制造同步驅動的設計（EngineeringandManufacturingDrivingDesign）。

•建立DFMA的設計準則，以手冊、標準規范的形式指導設計。

總結歸納DFMA的設計準則，指導設計人員的設計。常用的設計準則包括最少零件數原則、標準化與通用化設計、易于加工的零件設計、滿足經濟加工能力的精度設計原則、易于裝配操作的設計原則（方便定位、易于搬運、防差錯設計、方便連接與緊固等）、模塊化設計、便于自動化制造、便于檢驗的設計、穩健設計方法等。設計準則通常以手冊、規范等形式發放給設計人員進行參考。

•建立DFMA的指標體系和評價準則。

實施DFMA的一項重要工作就是在對已有產品進行大量統計分析的基礎上，建立適合于企業自身產品和生產特點的DFMA評價指標體系和評價準則，如典型零件的加工時間、典型的裝配操作時間、材料成本、單位工時成本等。通過建立適合于企業自身產品特點和制造資源能力的評價指標體系和準則，使設計與工藝人員能夠快速、準確地對產品進行評價。如最初的HitachiAEM（AssembilityEvaluationMethod）方法和BoothroydDFA方法，以及之后日本的DAC（DesignforAssemblyCost-effectiveness）、英國的Lucas以及德國的AOPD（Assembly-OrientedProductDesign），都是針對產品裝配環節提出的對產品設計的評價指標和準則。BoothroydDFA方法由美國的G.Boothroyd和P.Dewhurst共同提出，該方法的基本內容與步驟如下（：1）選擇裝配方法（；2）計算理論最少零件數（；3）估算實際裝配時間和成本（；4）計算DFA指標（；5）提出改進修改建議。上述方法根據零部件的材料、形狀、裝配關系等對影響裝配操作的各項影響因素進行打分評價，最終通過對多個方案的比較，進行可裝配性的評價。

•采用計算機輔助分析工具，對零件的形狀、裝配過程、制造成本等進行分析，對多種設計方案進行比較和優化。

目前常用的工具包括BDI公司的DFMA系列軟件中的DFMCurrentCosting，可以實現對零件加工成本的計算，DFAProductSimplification實現對裝配結構簡化的分析（圖1）；Galorath公司的SEERforManufacturin（gSEER-MFG）可以實現對制造成本的分析（圖2）；Geometric公司的DFMPro可以實現與CAD環境集成的機加、注塑模具、鈑金成型等零件進行幾何可加工性的檢查和分析等（圖3）。

國外航空企業中DFMA的應用

DFMA技術受到各國政府和研究機構的重視，如美國DoD、DARPA、NIST、NSF、ONR等長期以來一直支持開發DFM等相關技術的研究。在許多國外大型的航空企業中DFMA技術也已經得到多年的應用，并取得了顯著的效果。在洛克希德•馬丁公司F-35的研制中，提出了設計時間減少50%、制造時間減少66%、加工時間減少90%、分立零件減少50%、維護支持時間減少50%等嚴格且苛刻的目標。因此，在F35中全面應用了大量先進的設計技術、數字化技術以及新材料、新工藝。并采用了工程與制造同步驅動的DFM的設計模式，最終實現了將零件數量減少50%，加工時間減少95%，制造成本降低50%，取消了裝配緊固件和裝配中的鉆孔，使制造周期從15個月縮短到5個月，達到了每月17架次的生產能力。

如在波音公司，其制造過程中的一個重大難點是孔加工。以往波音公司每天大約需要加工120萬個孔。而通過采用DFM的設計策略，以焊接工藝替代了原來的鉚接和連接方法，不僅減少了大量孔加工的大型設備，同時還提高產品質量約20%以上。

在麥道NorthropB-2轟炸機的研制中也大量采用了基于可制造性的設計、制造一體化集成技術，降低設計和制造因返工、廢品和缺陷的故障率60%，縮短研制周期50％以上。在AH64D阿帕奇直升機研制中采用了可制造性分析技術，使產品在高速切削、復合結構裝配和鋁合金的超塑成型加工中具有良好的結構，提高了產品的研制速度、制造質量和設備的利用率。采用DFMA軟件使飛行儀表板的設計零件數從74減少到9，加工時間由305h減少到20h，裝配/安裝時間從149/153h縮短到8/153h，減少總成本74%。

據BDI公司對超過100家采用DFMA技術的公司的統計，采用DFMA技術可以幫助企業平均減少裝配時間13%，縮短加工周期17%，減少零件數量和相關成本9%，實現在質量和可靠性方面的改進22%，縮短上市周期39%。

DFMA在我國航空工業中的應用現狀

我國航空制造業正在經歷快速的發展，已經在核心技術和關鍵零部件上取得了重大突破，并建立了包括先進材料加工、數字化柔性裝配等技術在內的飛機數字化制造體系。數字化設計制造、并行工程、設計制造一體化等技術在航空企業中得到了廣泛應用，基于MBD的三維數字化設計與制造、數字化預裝配、制造過程仿真等先進技術的應用為企業提升設計和制造能力提供了有力的支撐。而DFMA作為并行工程的一項核心技術，也日益得到航空企業的重視。但是由于DFMA技術的應用和實施涉及到設計理論、工藝技術、制造能力、信息化基礎、管理體制等諸多方面，在我國航空工業整體能力和水平與國際先進企業還存在一定差距的情況下，航空企業在實施DFMA中還存在以下的困難。

（1）設計水平和制造能力的不足制約了對設計的持續改進能力。

我國民用航空還處于起步階段，在基礎的設計理論、工藝技術和工業基礎等方面還存在一定差距。在實施DFMA中，不管是根據制造能力進行設計改進，還是對改進的材料和結構采用新的制造工藝和設備，都需要堅實的設計理論和制造能力做支撐。如波音公司通過采用先進的攪拌摩擦焊技術替代了傳統的鉚接，從而減少了大量的孔加工；采用新型復合材料，減少了生產現場大型制造設備的使用；采用激光定位技術大量替代了傳統的定位夾具和裝配工具，這些都是以其雄厚的設計基礎、材料技術和先進制造能力為基礎的。

（2）我國航空企業還處于發展階段，產品制造周期與制造成本等在設計中還未得到足夠的重視。

我國航空企業目前面臨的迫切問題依然是核心技術的突破和關鍵零部件的制造，技術突破和產品研發成功的緊迫性遠高于對成本、周期和效率的要求。因此，盡管一些企業采用了并行工程、設計制造一體化等技術，但取得的成效極為有限。隨著我國航空業的不斷發展，必將逐步走入國際競爭，屆時將對成本和效率有更加嚴格的要求。實施DFMA將是我國航空制造業發展的必然趨勢。

（3）缺乏有效的手段和方法，難以保證DFMA分析的準確和科學。

在我國的航空航天等行業都建立了與結構工藝性相關的標準規范、設計指南和程序文件，對設計方法、設計流程等進行規范，建立了各研制階段的工藝檢查和會簽制度，由工藝人員參與產品設計，發現設計中的可制造性問題，提出改進的意見和建議。同時借助加工仿真、虛擬裝配等對制造過程進行仿真分析，對制造過程進行驗證。但是，工藝檢查和工藝會簽主要基于工藝人員的經驗，對可制造性難以嚴格、科學的定量評價；仿真分析也一般是在詳細設計的后期，除非發生重大的制造問題，一般也難以對設計進行改進。因此，開發支持研制各個階段的數字化DFMA工具，實現對可制造性知識和經驗的積累，實現對三維模型的定量分析，實現對成本、制造周期等的準確評價，是保證DFMA成功應用于產品研制的重要條件。

結論

隨著國際航空業競爭的日益加劇，DFMA已經成為國際航空企業尋求生存與發展、提升競爭能力的有效手段。我國航空企業盡管還處于發展和起步階段，飛機中的許多核心技術、核心部件和關鍵材料及制造技術還有待突破，實施DFMA，從產品生命周期的全局優化設計，才能真正提升并增強我國航空工業在制造領域的優勢，增強我國航空工業在國際上的競爭力。DFMA并不是一項獨立的技術，需要在先進的設計理論、新材料、新工藝等基礎技術的支撐下，通過改變現有的管理體制和流程，改進產品的評價指標體系才能取得成功。當前數字化設計制造技術的發展為DFMA技術的發展提供了廣闊的前景。基于模型的定義（MBD）、數字化樣機、虛擬制造與仿真等技術，為進行科學、準確的可制造性、可裝配性評價提供了技術基礎。目前，采用數字化技術進行DFMA相關技術研究的領域主要包括總體方案設計中的可制造性分析與評價；基于可制造性約束和知識的產品建模技術；面向制造的模型檢查與驗證技術；針對各類制造工藝的結構件可制造性分析與評價；飛機數字化預裝配與DFA分析；虛擬裝配與仿真技術。從“十五”、“十一五”到“十二五”，國家已經在相關領域資助了大量的DFMA基礎研究和工程應用項目。隨著對DFMA認識的提高，以及技術的不斷成熟與完善，DFMA技術必將為我國航空制造技術的快速發展做出貢獻。