導讀：
在做公差分析之前，必須明白公差來源的前因後果，否則做不好公差分析。
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一個虛假繁榮的夢
每個工程師心中都有一個夢，這個夢就是加工製造的零件同三維圖中設計的零件尺寸一模一樣，這樣就可以避免大多數的生產組裝問題，包括間隙、斷差（未對齊）和發生干涉造成裝不上等，產品開發就會變得輕輕鬆鬆。
▲一個虛假繁榮的夢
現實是殘酷的，這樣的夢永遠都不會出現。即使在上圖中的正方體實物寬度尺寸測量結果同設計尺寸一模一樣，但是如果把小數點從2位變成3位、4位，我們會發現二者永遠都不可能一模一樣。
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不完美的世界
這樣的配合看上去完美無缺，零部件加工時沒有任何偏差。但是，實際上，即使如此完美，這些零部件也有0.003mm左右的偏差。
▲看似完美的世界
這是電火花加工（Electrical Discharge Machining， 簡稱EMD）的零件。電火花加工的普通精度可達0.01～ 0.05 mm，在精密光整加工時可小於0.005 mm。
▲電火花加工
而對於其它大多數加工製造工藝來說，例如注塑成型，要達到0.01～ 0.05 mm的精度就已經非常非常困難了，這會導致零件不良率急劇增加，加工成本大幅上升。
▲注塑成型
▲注塑成型後測量值與設計值存在偏差
當然，更不用奢望0.003mm的精度了。即使以成本為代價，也達不到這樣的精度。
正是因為這種偏差的存在，造成零部件加工製造後，在裝配時經常會出現這樣的情況：間隙、對不齊（斷差）、裝不上等，繼而影響到產品的質量、功能和可靠性等。
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為什麼零件尺寸會產生偏差
不同製造工藝的零件尺寸產生偏差的原因存在差異。下面以注塑成型為例來詳細說明。
注塑成型時，零件尺寸發生偏差的具體原因有：
1）注塑模具的加工誤差
注塑模具的零部件由各種工藝加工的，例如機加工、CNC和電火花等，這些加工工藝在加工零部件時，會產生尺寸偏差。同時，零部件在組裝成注塑模具時會存在組裝偏差。
2）注塑成型時收縮
塑膠充填滿模具型腔後，在冷卻的過程中會發生收縮。在塑料的物性表中，會給出塑料的縮水率，通過縮水率可以反推模具型腔的尺寸。但是，這個縮水率是在實驗室理想環境中測量出來，是一個範圍，本身就存在偏差。
3）成型條件的不同
在注塑成型時，不同的成型條件包括保壓時間、熔化溫度、充填速度、保壓大小和模具溫度，都會影響塑料的收縮率，這會導致與注塑模具設計時的收縮率存在差異。零件的壁厚大小也會影響收縮率。
4）各種成型缺陷
注塑成型時的各種成型缺陷，例如縮水、變形和翹曲等，嚴重影響零件尺寸的精度。
5）其它
不同批次塑料成分的差異、注塑加工時的溫度、溼度和環境等，都會造成尺寸產生偏差。
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什麼是公差
產品設計工程師在三維圖中繪製的零件，與實際加工出來的零件總是存在偏差，這是工程師必須面對的不完美的世界。而對於偏差，必須加以管控，否則不完美的世界就會變成悲慘世界。
公差就是在這樣的情況下出現的。
公差是零件尺寸所允許的偏差值，設定零件的公差即是設定零件製造時尺寸允許的偏差範圍。
上圖所示的正方體寬度設計尺寸為40mm，公差為±0.10mm，意味著零件加工後寬度尺寸可以接受的範圍為39.90mm~40.10mm，任何超過該範圍加工的零件均是不合格品。
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公差設計很難
公差僅僅是需要設計一個範圍，是不是也太容易了？
這僅僅是看起來簡單，實際上應用卻非常難。稍不留神，就是一個大水坑。
難在什麼地方呢？
1）不同製造工藝所能達到的精度不一樣
製造工藝很多，例如注塑、衝壓、機加工、壓鑄和粉末成型等，每一種工藝其所能達到的精度不一樣，有的可以達到很高的精度，例如高精度的電火花加工可以達到0.003mm；而有的達不到很高的精度，只能做到0.1mm左右，例如較大尺寸的粉末成型。
即使是同一種工藝所使用的材料不同其精度也不同，例如ABS的注塑成型與PBT的注塑成型所能達到的精度就相差較大。
由於缺乏對不同工藝的瞭解，這就造成了工程師在設計公差時變得無所適從，不知道該如何去設計零件的尺寸公差。
2）公差是寬鬆好是精密好？
公差設計得太精密，工廠說根本上達不到這個精度，同時成本也很高；公差設計得太寬鬆，成本確實降低了，但是產品容易出現間隙、斷差和裝不上等問題，產品的質量、功能和可靠性等又擔心出問題；
工程師真的是陷入了兩難。有沒有兩全其美的辦法？
這就是公差分析的終極目的：合理定義零件的尺寸公差，使得零件能夠在製程能力所能達到的精度下、以較低的成本進行製造，同時滿足產品的質量、功能和可靠性等要求。
這也是“公差分析”系列文章準備告訴各位工程師的，敬請關注。
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關於作者：
鍾元，2020年3月出版《面向成本的產品設計：降本設計之道 》（DFC）
2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》（DFMA）
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