DFMA在航空工业里的理解利用范文

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本文作者：张旭单位：北京理工大学机械与车辆学院数字化制造研究所

dfma技术概述

1DFMA技术内涵

面向制造与装配的设计与精益制造、质量工程等一样，是一种设计理念。DFMA强调在产品设计的各个阶段，对产品加工、装配直至后续维护等进行综合设计和优化，提高产品的可制造性、可装配性、可维护性等。产品的可制造性、可装配性在我国的工业界一般称为结构工艺性，包括面向机加、铸造、焊接、压力成型等各种单元加工的制造工艺性以及在产品部装、总装阶段的装配工艺性、装配准确性和装配协调性等。实施DFMA的基本思想是通过减少零件数量、简化产品结构，实现减少单个零件的加工时间和总的装配时间，从而减少整个制造成本的目的。DFMA适用于任何企业和产品，尤其对飞机等大型复杂产品可以起到显著作用。实施DFMA理念的企业强调在设计过程中采用并行工程方式，以保证产品的质量能够由设计师及其他开发人员共同实现和保证。因此DFMA也被认为是并行工程的核心技术之一。

2DFMA技术的分类

DFMA强调在设计的各个阶段，尤其是设计的早期，通过建立并行工程团队，使产品设计人员能够对关于材料选择、制造工艺、装配过程、维护过程等进行同步的设计与优化，以减少制造和装配时间，从而降低生产成本，提高产品质量和可靠性。DFMA根据所达到的目标，可划分为面向制造的设计（DesignforManufacture，DFM）、面向装配的设计（DesignforAssembly，DFA）、面向测试的设计（DesignforTesting，DFT）、面向服务的设计（DesignforService，DFS）、面向环境的设计（DesignforEnvironment，DFE）等。其中DFM是根据企业自身及供应商的工艺水平和制造能力，综合考虑零件的设计对零件制造过程中材料处理、加工成型、质量检验等环节的影响，通过对材料选择、结构设计、尺寸公差等的改进和优化，使零件能够在企业已有设备资源条件下，经济、高效、高质量地制造和生产。采用DFM技术，可以在设计阶段对不同设计方案进行制造时间和成本的快速定量分析，比较与评价各种结构设计与工艺方案。设计人员根据DFM评价的结果，对零件进行及时改进设计，使零件在满足性能指标的同时，具有最好的加工工艺性。DFA是针对产品在制造过程中的装配和检验，以及维护过程中的拆卸和组装等操作，采用规划、评价、仿真等技术手段对装配结构进行分析、评价，并进一步提出改进建议。

3实施DFMA对产品的影响

DFA技术在20世纪70年代初由美国Boothroyd教授提出，其最初的目的是希望通过减少零件的数量以达到减少装配环节的目的。但是，在企业中应用DFA技术后发现，采用DFA技术最大的成果是减少了零件的数量，从而减少了零件的制造时间和成本，并进一步减少了装配时间和成本。因此，实施DFMA必须首先从产品的总体结构出发，通过材料选择、结构优化，尽可能减少零件的数量和种类，并尽可能采用标准化的零件和结构，最终实现降低加工与装配时间的目标。因此，DFMA的实施贯穿了产品设计的全过程，既包括了涉及产品总体的宏观DFM技术，如产品平台的构建、模块化设计、供应链构造等，也包括了与局部的零部件的形状、尺寸、联接方式等有关的微观层面的DFM技术。在总体或概念设计阶段，可以通过对产品总体布局的调整和优化，如采用一体化设计或模块化设计的思想，采用新型材料的功能复合部件的设计，大幅度减少零件的种类。在详细设计阶段，根据制造工艺和设备要求，对零部件的形状、连接方式等进行优化，达到减少制造难度，缩短加工与装配时间的目标。DFMA可以应用于新产品开发阶段和已有产品的改型优化中。在新产品开发中，设计师在概念设计中通过减少零部件数量、简化产品结构的方式，来保证产品的设计指标和性能要求，并使产品方便装配。在产品的改型中，设计师通过重现设计或优化已有的组件，以优化产品的性能，并简化制造和装配环节。为了最大程度地应用DFMA技术，要求设计师必须具有对制造工艺、材料等领域的相关知识，设计与工艺人员必须紧密合作以确定最佳的设计和制造方案。

4DFMA的技术方法

在具体的DFMA的实施中，通常采用以下技术方案。

•建立并行工程团队，采用设计制造一体化的设计模式。

通过建立并行工程团队，由设计与制造工艺人员等共同完成产品的设计，并对产品的材料选择、加工工艺、装配过程、检验方法、维修与维护过程等进行综合的分析。该方法也称为工程与制造同步驱动的设计（EngineeringandManufacturingDrivingDesign）。

•建立DFMA的设计准则，以手册、标准规范的形式指导设计。

总结归纳DFMA的设计准则，指导设计人员的设计。常用的设计准则包括最少零件数原则、标准化与通用化设计、易于加工的零件设计、满足经济加工能力的精度设计原则、易于装配操作的设计原则（方便定位、易于搬运、防差错设计、方便连接与紧固等）、模块化设计、便于自动化制造、便于检验的设计、稳健设计方法等。设计准则通常以手册、规范等形式发放给设计人员进行参考。

•建立DFMA的指标体系和评价准则。

实施DFMA的一项重要工作就是在对已有产品进行大量统计分析的基础上，建立适合于企业自身产品和生产特点的DFMA评价指标体系和评价准则，如典型零件的加工时间、典型的装配操作时间、材料成本、单位工时成本等。通过建立适合于企业自身产品特点和制造资源能力的评价指标体系和准则，使设计与工艺人员能够快速、准确地对产品进行评价。如最初的HitachiAEM（AssembilityEvaluationMethod）方法和BoothroydDFA方法，以及之后日本的DAC（DesignforAssemblyCost-effectiveness）、英国的Lucas以及德国的AOPD（Assembly-OrientedProductDesign），都是针对产品装配环节提出的对产品设计的评价指标和准则。BoothroydDFA方法由美国的G.Boothroyd和P.Dewhurst共同提出，该方法的基本内容与步骤如下（：1）选择装配方法（；2）计算理论最少零件数（；3）估算实际装配时间和成本（；4）计算DFA指标（；5）提出改进修改建议。上述方法根据零部件的材料、形状、装配关系等对影响装配操作的各项影响因素进行打分评价，最终通过对多个方案的比较，进行可装配性的评价。

•采用计算机辅助分析工具，对零件的形状、装配过程、制造成本等进行分析，对多种设计方案进行比较和优化。

目前常用的工具包括BDI公司的DFMA系列软件中的DFMCurrentCosting，可以实现对零件加工成本的计算，DFAProductSimplification实现对装配结构简化的分析（图1）；Galorath公司的SEERforManufacturin（gSEER-MFG）可以实现对制造成本的分析（图2）；Geometric公司的DFMPro可以实现与CAD环境集成的机加、注塑模具、钣金成型等零件进行几何可加工性的检查和分析等（图3）。

国外航空企业中DFMA的应用

DFMA技术受到各国政府和研究机构的重视，如美国DoD、DARPA、NIST、NSF、ONR等长期以来一直支持开发DFM等相关技术的研究。在许多国外大型的航空企业中DFMA技术也已经得到多年的应用，并取得了显著的效果。在洛克希德•马丁公司F-35的研制中，提出了设计时间减少50%、制造时间减少66%、加工时间减少90%、分立零件减少50%、维护支持时间减少50%等严格且苛刻的目标。因此，在F35中全面应用了大量先进的设计技术、数字化技术以及新材料、新工艺。并采用了工程与制造同步驱动的DFM的设计模式，最终实现了将零件数量减少50%，加工时间减少95%，制造成本降低50%，取消了装配紧固件和装配中的钻孔，使制造周期从15个月缩短到5个月，达到了每月17架次的生产能力。

如在波音公司，其制造过程中的一个重大难点是孔加工。以往波音公司每天大约需要加工120万个孔。而通过采用DFM的设计策略，以焊接工艺替代了原来的铆接和连接方法，不仅减少了大量孔加工的大型设备，同时还提高产品质量约20%以上。

在麦道NorthropB-2轰炸机的研制中也大量采用了基于可制造性的设计、制造一体化集成技术，降低设计和制造因返工、废品和缺陷的故障率60%，缩短研制周期50％以上。在AH64D阿帕奇直升机研制中采用了可制造性分析技术，使产品在高速切削、复合结构装配和铝合金的超塑成型加工中具有良好的结构，提高了产品的研制速度、制造质量和设备的利用率。采用DFMA软件使飞行仪表板的设计零件数从74减少到9，加工时间由305h减少到20h，装配/安装时间从149/153h缩短到8/153h，减少总成本74%。

据BDI公司对超过100家采用DFMA技术的公司的统计，采用DFMA技术可以帮助企业平均减少装配时间13%，缩短加工周期17%，减少零件数量和相关成本9%，实现在质量和可靠性方面的改进22%，缩短上市周期39%。

DFMA在我国航空工业中的应用现状

我国航空制造业正在经历快速的发展，已经在核心技术和关键零部件上取得了重大突破，并建立了包括先进材料加工、数字化柔性装配等技术在内的飞机数字化制造体系。数字化设计制造、并行工程、设计制造一体化等技术在航空企业中得到了广泛应用，基于MBD的三维数字化设计与制造、数字化预装配、制造过程仿真等先进技术的应用为企业提升设计和制造能力提供了有力的支撑。而DFMA作为并行工程的一项核心技术，也日益得到航空企业的重视。但是由于DFMA技术的应用和实施涉及到设计理论、工艺技术、制造能力、信息化基础、管理体制等诸多方面，在我国航空工业整体能力和水平与国际先进企业还存在一定差距的情况下，航空企业在实施DFMA中还存在以下的困难。

（1）设计水平和制造能力的不足制约了对设计的持续改进能力。

我国民用航空还处于起步阶段，在基础的设计理论、工艺技术和工业基础等方面还存在一定差距。在实施DFMA中，不管是根据制造能力进行设计改进，还是对改进的材料和结构采用新的制造工艺和设备，都需要坚实的设计理论和制造能力做支撑。如波音公司通过采用先进的搅拌摩擦焊技术替代了传统的铆接，从而减少了大量的孔加工；采用新型复合材料，减少了生产现场大型制造设备的使用；采用激光定位技术大量替代了传统的定位夹具和装配工具，这些都是以其雄厚的设计基础、材料技术和先进制造能力为基础的。

（2）我国航空企业还处于发展阶段，产品制造周期与制造成本等在设计中还未得到足够的重视。

我国航空企业目前面临的迫切问题依然是核心技术的突破和关键零部件的制造，技术突破和产品研发成功的紧迫性远高于对成本、周期和效率的要求。因此，尽管一些企业采用了并行工程、设计制造一体化等技术，但取得的成效极为有限。随着我国航空业的不断发展，必将逐步走入国际竞争，届时将对成本和效率有更加严格的要求。实施DFMA将是我国航空制造业发展的必然趋势。

（3）缺乏有效的手段和方法，难以保证DFMA分析的准确和科学。

在我国的航空航天等行业都建立了与结构工艺性相关的标准规范、设计指南和程序文件，对设计方法、设计流程等进行规范，建立了各研制阶段的工艺检查和会签制度，由工艺人员参与产品设计，发现设计中的可制造性问题，提出改进的意见和建议。同时借助加工仿真、虚拟装配等对制造过程进行仿真分析，对制造过程进行验证。但是，工艺检查和工艺会签主要基于工艺人员的经验，对可制造性难以严格、科学的定量评价；仿真分析也一般是在详细设计的后期，除非发生重大的制造问题，一般也难以对设计进行改进。因此，开发支持研制各个阶段的数字化DFMA工具，实现对可制造性知识和经验的积累，实现对三维模型的定量分析，实现对成本、制造周期等的准确评价，是保证DFMA成功应用于产品研制的重要条件。

结论

随着国际航空业竞争的日益加剧，DFMA已经成为国际航空企业寻求生存与发展、提升竞争能力的有效手段。我国航空企业尽管还处于发展和起步阶段，飞机中的许多核心技术、核心部件和关键材料及制造技术还有待突破，实施DFMA，从产品生命周期的全局优化设计，才能真正提升并增强我国航空工业在制造领域的优势，增强我国航空工业在国际上的竞争力。DFMA并不是一项独立的技术，需要在先进的设计理论、新材料、新工艺等基础技术的支撑下，通过改变现有的管理体制和流程，改进产品的评价指标体系才能取得成功。当前数字化设计制造技术的发展为DFMA技术的发展提供了广阔的前景。基于模型的定义（MBD）、数字化样机、虚拟制造与仿真等技术，为进行科学、准确的可制造性、可装配性评价提供了技术基础。目前，采用数字化技术进行DFMA相关技术研究的领域主要包括总体方案设计中的可制造性分析与评价；基于可制造性约束和知识的产品建模技术；面向制造的模型检查与验证技术；针对各类制造工艺的结构件可制造性分析与评价；飞机数字化预装配与DFA分析；虚拟装配与仿真技术。从“十五”、“十一五”到“十二五”，国家已经在相关领域资助了大量的DFMA基础研究和工程应用项目。随着对DFMA认识的提高，以及技术的不断成熟与完善，DFMA技术必将为我国航空制造技术的快速发展做出贡献。