工艺设计的重要性及流程

2024-01-27 百科知识版权反馈

【摘要】：当新产品转入量产后，生产部门将依据工艺设计部门提供的工艺文件组织产品生产。如图4.8所示，产品工艺包括从生产、检验、包装储存等各个环节。工艺设计工程师不仅要为新产品完成工艺设计工作，而且还要做好对工艺设计的验证工作，以保证工艺设计的质量符合批量生产的要求。4．工艺设备类规范：主要在产品投入批量生产后，由生产设备管理部门实施。

在图4.5中，第二项中试工作是产品工艺设计，主要工作内容包括为新产品设计工艺流程，选择工艺设备，设计专用工装，制订工艺文件等。例如，电子产品常见的电路板，需要根据电路板尺寸、元器件密度、电气参数、产能、质量和成本要求设计电路板加工工艺，包括确定元器件焊接顺序、焊接方式、焊接设备、检测设备，根据需要设计专用工装等。当新产品转入量产后，生产部门将依据工艺设计部门提供的工艺文件组织产品生产。

根据作者的经验，很多企业、很多产品开发人员不了解工艺设计工作，错误地认为只要完成了产品设计工作，然后将产品设计图纸交给生产部门就可以了，生产部门自然可以安排好生产工艺，生产中遇到工艺问题当然也是由生产部门自行解决。这种做法会导致新产品交付生产之后很长时间难以保证制造质量和产量，实际上是行不通的。

本小节讨论产品工艺设计的基本职责、基本方法和基本流程，并介绍相关概念和实战性问题点，重点关注产品工艺设计如何融入产品开发过程，并与产品设计工作实现并行化，为新产品顺利、快速地投入批量生产提供工艺技术保障。关于电子硬件、结构硬件等产品和部件的具体工艺技术，则不在本书讨论范围内，仅在举例说明某些论点时略有涉及。

工艺设计部门的基本职责

工艺设计部门的第一项职责——新产品工艺设计：根据新产品的技术特点、产能、质量和成本要求，设计和验证新产品制造工艺方案和工装，并编制制造工艺文件。

工艺工程师应该认识到产品工艺设计应关注的所有环节。如图4.8所示，产品工艺包括从生产、检验、包装储存等各个环节。这里所说的“生产”仅指加工和装配，即加工零件、装配部件和整机。生产环节当然是工艺设计的重点，对于电子产品，通常包括印制电路板PCB的加工、元器件焊装、结构零件加工、整机装配、等等，都需要进行工艺设计工作，因此生产环节涉及的工艺技术领域很多。

图4.8　产品工艺分类示意图

除了加工装配，原材料、半成品和成品检验检测也需要工艺，例如在电路板焊接元器件之后，需要检查是否有漏焊、虚焊、短路、断路等工艺缺陷。在事关消费者人身安全的药品食品行业，检验工艺是非常重要的。

包装、储存、搬运、运输也是工艺设计应关注的重要环节。电子元器件在储存和搬运时要注意防潮（MSD，Moisture Sensitive Device，潮湿敏感设备）、防静电（ESD，Electrostatic Discharge，静电放电），而冰箱等家用电器产品，则要特别注意产品外观保护，并注意对搬运与运输过程中的振动、冲击进行防护。

对于某些产品来说，安装、维护和维修也是工艺设计应关注的重要环节。例如空调产品，应特别关注简化安装、维护和维修工作。

在产品工艺设计工作中，要特别注意对工艺难点和关键工序的工艺设计，例如，对于手机产品，电路板元器件密度很高，电子装联工艺难度较大，就需要进行专门的工艺设计。产品散热、高精度加工、结构件表面处理等很多领域都需要较为复杂的工艺技术，或者对产品质量、生产效率和成本等影响很大，都是工艺设计的重点领域，必要时还要设计专用工装，以保障产品的制造质量、效率、成本和操作安全性。

在产品开发过程的计划阶段，需要制定新产品的工艺设计总体方案，以对新产品的全部工艺设计工作进行总体规划。新产品工艺设计总体方案的主要内容将在本小节后文中讨论。

工艺设计工程师不仅要为新产品完成工艺设计工作，而且还要做好对工艺设计的验证工作，以保证工艺设计的质量符合批量生产的要求。工艺设计工作具有创新性，因此也需要进行调试、测试和验证，经过优化、完善之后才能满足生产要求。在产品开发过程的开发阶段，工艺设计工程师必须充分利用原型样机试装、初始产品生产等环节，进行工艺调试和测试工作。验证阶段的小批量试生产工作与批量生产工作更为相似，工艺设计工程师更应抓住这个机会开展工艺验证工作，进一步完善新产品的工艺设计。

工艺验证的主要关注点包括验证工艺文件准确性、验证工艺设备及其工艺参数、验证关键工序等等。

工艺设计部门的第二项职责——开展工艺技术研究，开发工艺技术规范体系，建设新产品工艺技术平台。

工艺设计部门应该组织开发和应用各种新的工艺技术，为企业新产品开发提供有力的工艺技术保障。各种新材料、新工艺不断出现，例如电子元器件越来越小型化，电子产品功能越来越多，各种金属、非金属材料不断出现，各种数控加工设备不断发展，环保、安全性要求逐步提高，都需要开发和应用新的工艺技术。

有的情况下，工艺技术的难度是很高的，必须高度重视。例如，近年来我国在航空发动机设计领域取得了进展，各种新型发动机样机研制成功的消息时有报道，但是新型战机的发动机仍需从俄罗斯进口。自研发动机不能列装的一个主要问题就出在工艺技术方面，无法在批量生产状态下保证一致的性能指标。另一方面，作者认为，如果给予高度重视，配备与产品设计工作同等的高素质人才，必能突破各种工艺技术难点。

工艺设计部门还要做好相关的管理和业务能力建设工作，将成熟的工作经验总结出来，建立并持续优化工艺设计规范体系，包括各种工艺技术规范、标准、流程，及其IT系统。

工艺技术规通常可划分为四个类别：

1．工艺设计类规范：主要在计划阶段和开发阶段应用，由工艺设计和产品设计部门实施。

2．工艺调制类规范：主要在验证阶段应用，由试制和工艺人员实施。

3．工艺质量类规范（例如工艺检验类规范）：主要在产品投入批量生产后，由质量部门实施。

4．工艺设备类规范：主要在产品投入批量生产后，由生产设备管理部门实施。

工艺设计部门的第三项职责：外协件的外协工艺认证，以及工艺辅料技术认证。企业自行设计的零部件，交给其他企业进行生产，称为外协加工。进行外协加工的零部件称为外协件。外协加工是非常普遍的做法，但是必须要选择合格的外协工厂。(www.chuimin.cn)

在新产品开发过程中，应尽早确定有哪些外协件，并开展外协认证工作，其中包括外协工艺认证，即由工艺设计部门代表本企业，对初选的外协工厂及其试加工的外协件进行工艺质量、批量生产能力认证。及早认证合格的外协厂，有利于新产品的样机加工、试制验证和未来顺利投入量产。

需要特别说明的是，由于外协件是本企业自行设计的零部件，因此为了保证外协件的设计质量，本企业的测试部门还应该对外协件进行测试，以消除设计缺陷。类似地，外协件的试制验证等其他中试工作，开发项目组也应与外协工厂配合完成。

所谓工艺辅料，是指生产过程中用到的一些低值易耗品，例如黏胶、焊锡、干燥剂、等等。这些工艺辅料一般来说对产品功能性能影响不大，在产品设计时并未特意指定其品种。虽然如此，工艺辅料仍然应该满足一定的工艺要求，而不能随意购买，因此需要工艺设计部门从工艺技术角度进行认证，以选择合格的品种、型号、制造商。

工艺设计部门的第四项职责——关键工艺制程监控。需要特别注意，本项职责不限于正在开发的新产品，而是包括已量产的产品。工艺设计部门作为企业在工艺技术方面的权威部门，有责任协助生产部门解决重大工艺技术问题，以保证生产系统正常运转。对于那些对产品制造质量、效率、成本有特别影响的关键工序或制程，如果操作复杂，或涉及复杂程度高的工艺设备，工艺设计部门可通过生产部门随时了解这些关键工艺制程的工艺参数、工艺状态，及时发现和解决问题。

工艺设计部门的第五项职责：担任企业工艺委员会的秘书机构，参加制订制造工艺能力发展规划。企业有很多部门与工艺有关，例如开发、生产、采购、质量、客户服务等，为了做好整个企业范围内的工艺相关协调工作，并做好企业工艺能力发展规划，一种可行的做法是成立企业工艺委员会，并由工艺设计部门担任秘书机构，以组织实施工艺委员会的决策。

新产品工艺总体方案

新产品工艺总体方案由工艺设计工程师在计划阶段完成。在计划阶段，工艺工程师可以获得新产品的产能、制造质量、制造成本等制造相关信息，以及新产品设计规格、概要设计方案等技术相关信息。根据这些信息，可以分析新产品的工艺要求、工艺难点，完成高层次的工艺总体方案设计，并作为后续工艺的详细设计依据。

新产品工艺总体方案的主要内容如图4.9。

图4.9　新产品工艺总体方案的主要内容

中试工艺设计与生产现场工艺管理的区别和联系

需要注意的是，中试体系中的工艺设计部门与制造部门下设的现场工艺管理部门是不同的。中试的工艺设计部门在新产品开发过程中全程参与，为新产品设计工艺流程、工夹具，制定指导性工艺文件，并对产品设计进行工艺审查。而制造系统的现场工艺管理部门将在新产品转入量产后应用工艺设计成果，是工艺执行部门，与前者职责不同。两者是上下游协作关系，不可互相代替。

在执行工艺设计结果时，现场工艺管理部门应开展的一项重要工作，就是编制和完善现场工艺卡片。通常情况下，工艺设计部门提供的新产品工艺流程明确了相关工序，但是各个工序应该如何设立相应的工位，则要根据产能要求的变化情况，以及生产现场具体情况。各个工位的工艺卡片，也需要根据工艺设计文件进行转换。

工艺设计工作基本流程

图4.10是工艺设计工作流程的示意图，重点说明在产品开发过程中，工艺设计各项工作如何与产品设计工作实现并行化，以缩短新产品开发周期。在图4.10中，上方是产品开发的各个阶段，而矩形框表示相应的工艺设计任务。

图4.10　工艺设计工作流程示意图

从图4.10中可以看出，在概念阶段，工艺设计工程师就应该参加产品开发项目组PDT，并熟悉产品需求规格。在计划阶段，就应依据产品需求规格和产品高层设计方案，制订产品工艺总体方案和工艺设计工作的详细进度计划，从而使得工艺设计的相关准备工作得以尽早启动。在开发阶段，应制订产品和零部件的详细工艺设计工作。根据工艺总体方案，若需要设计专用工装，则应在开发阶段进行工装设计工作。

图4.10的其他任务已在本小节前文的工艺设计职责部分进行了讨论，这里不再赘述。

工艺设计KPI

以下列出三条常用的工艺设计KPI：

试制直通率：在批量试生产时，自制零部件一次通过全部工序的合格品比例。本指标可按电路板、结构零部件等分类统计。本指标综合反映了试产新产品的工艺设计质量，用于提高试生产加工质量和效率，最终提高产品转入批量生产后的工艺水平。

生产直通率：在批量生产时，自制零部件一次通过全部工序的合格品比例。本指标可按电路板、结构零部件等分类统计。本指标与工艺设计部门和生产部门都有关系，因此可由相关部门按比例分摊。本指标综合反映了量产新产品的工艺设计质量，并可促进工艺设计部门关注已量产产品的生产工艺问题，有利于提升企业生产工艺水平。

市场返修率（工艺设计）：从市场返修的产品（或部件）数量与已发货产品（或部件）总数之比。本指标可按产品、电路板、结构零部件等分类统计。本指标与产品设计、测试、工艺、生产等很多部门有关系，这里则针对因工艺设计原因导致的市场返修率。本指标可促进提高工艺设计质量和制造质量。

工艺设计的重要性及流程

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