第八讲工件的定位与定位基准的选择

第八讲工件的定位与定位基准的选择机械加工中，为了保证工件的位置精度和用调整法获得尺寸精度时，工件相对于机床与刀具必须占有一正确位置，即工件必须定位。而工件装夹定位的方式有：直接找正、划线找正和用夹具装夹三种方式，下面我们讨论工件在夹具中的定位问题。工件在夹具中的定位涉及到定位原理、定位误差、夹具上采用的定位元件和工件上选用的定位基准等几方面的问题，有关定位误差的计算和定位元件的选用在夹具设计一章讲授，这里只介绍定位原理和定位基准的选择。一、定位原理1．六点定则工件在夹具中的定位的目的，是要使同一工序中的所有工件，加工时按加工要求在夹具中占有一致的正确位置(不考虑定位误差的影响)。怎样才能各个工件按加工要求在夹具中保持一致的正确位置呢?要弄清楚这个问题，我们先来讨论与定位相反的问题，工件放置在夹具中的位置可能有哪些变化?如果消除了这些可能的位置变化，那么工件也就定了位。任一工件在夹具中未定位前，可以看成空间直角坐标系中的自由物体，它可以沿三个坐标轴平行方向放在任意位置，即具有沿三个坐标轴移动的自由度X，Y，Z；同样，工件沿三个坐标轴转角方向的位置也是可以任意放置的，即具有绕三个坐标轴转动的自由度X，Y，Z。因此，要使工件在夹具中占有一致的正确位置，就必须限制工件的X，Y，Z；X，Y，Z六个自由度。图2-16工件的六个自由度为了限制工件的自由度，在夹具中通常用一个支承点限制工件一个自由度，这样用合理布置的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定，称为“六点定位规则”，简称“六点定则”。例如用……使用六点定则时，六个支承点的分布必须合理，否则不能有效地限制工件的六个自由度。在具体的夹具结构中，所谓定位支承是以定位元件来体现的，如上例中长方体的定位以六个支承钉代替六个支承点(图2-17c)，这种形式的六点定位方案比较明显，下面再介绍其他形式工件的定位方案。2．对定位的两种错误理解我们在研究工件在夹具中的定位时，容易产生两种错误的理解。一种认为：工件在夹具中被夹紧了，也就没有自由度而言，因此，工件也就定了位。这种把定位和夹紧混为一谈，是概念上的错误。我们所说的工件的定位是指所有加工工件在夹紧前要在夹具中按加工要求占有一致的正确位置，(不考虑定位误差的影响)而夹紧是在任何位置均可夹紧，不能保证各个工件在夹具中处于同一位置。如图2-20所示定位方式，由于在x方向上没有定位销，工件在x方向的任一位置均可被夹紧，实际上就是工件沿x方向移动的自由度没有消除，使一批工件在x方向的位置不确定，造成各个工件孔到端面的尺寸不一。另一种错误的理解认为工件定位后，仍具有沿定位支承相反的方向移动的自由度，这种理解显然也是错误的。因为工件的定位是以工件的定位基准面与定位元件相接触为前提条件，如果工件离开了定位元件也就不成为其定位，也就谈不上限制其自由度了。至于工件在外力的作用下，有可能离开定位元件，那是由夹紧来解决的问题。3．工件定位时应限制的自由度与加工要求的关系上述几例中，工件的定位都采用了六个支承点，限制了工件全部六个自由度，使工件在夹具中占有唯一确定的位置，称为完全定位。当工件在x、y、z三个方向都有尺寸精度或位置精度要求时，需采用这种完全定位方式。但是，并不是所有加工都必须设置六个支承点，来限制工件的六个自由度。如图2-19所示在轴上铣油槽，若轴为没有键槽的光轴且油槽为通槽时，则只需限制；x、y、z、z四个自由度，x、y、z的自由度可不限制，只需用长V形铁定位即可。又如图2-2la在车床上加工通孔，只需限制四个自由度，不需限制x、y、z自由度，用三爪自动定心卡盘装夹即可。再如在乎面磨床上磨平面，当工件只有厚度和平行度要求时，工件只需限制三个自由度，如图2-2lb所示，工件放置在平面磨床磁力工台就可加工。综上所述，加工时工件的定位需要限制几个自由度，完全由工件的技术要求所决定。根据加工要求，工件不需要限制的自由度而没有限制的定位，称为不完全定位。不完全定位在加工中是允许的。在考虑定位方案时，为简化夹具结构，对不需限制的自由度，一般不设置定位支承点。但也不尽然，如在光轴上铣通槽，按定位原理，轴的端面可不设置定位销，但常常设置一定位档销，一方面可承受一定的切削力，以减小夹紧力，另一方面也便于调整机床的工作行程。又如图2-18所示在环状工件上钻通孔，Z的自由度可不限制，但被短销限制了，若有意不限制，反而夹具的结构更难实现。4．欠定位与过定位(1)欠定位根据工件的加工技术要求，应该限制的自由度而没有限制的定位称为欠定位。欠定位必然会不能保证本工序的加工技术要求，是不允许的。如图2-20所示的工件钻孔，若在x方向上未设置定位档销，孔到端面的距离尺寸就无法保证。(2)过定位工件的同一自由度被二个以上不同定位元件重复限制的定位，称为过定位。如图2-X所示在插齿机上插齿时工件的定位，工件3以内孔在，L、轴1上定位，限制了工件x、y、z、z四个自由度，又以端面在凸台3上定位，限制了工件x、y、z、z三个自由度，其中；、/被心轴和凸台重复限制。由于工件内孔和心轴的间隙很小，当工件内孔与端面的垂直度误差较大时，工件端面与凸台实际上只有一点相接触。如图2-23a所示，造成定位不稳定。更为严重的是，工件一旦被夹紧，在夹紧力的作用下，势必引起心轴或工件的变形，如图2-23b所示。这样就会影响工件的装卸和加工精度，这种过定位是不允许的。但是，在有些情况下，形式上的过定位是允许的。1一心轴2-工作台3一支承凸台4--：5一压垫6-7-压紧螺母如上例中，当工件的内孔和定位端面是在一次装夹下加工出来的，具有好的垂直度，而夹具的心轴和凸台也具有很好的垂直度，即使二者仍有很小的垂直度偏差，但可由心轴和内孔之间的配合间隙来补偿。因此，尽管心轴和凸台重复限制了XY自由度，属于过定位，但不会引起相互干涉和冲突，在夹紧力作用下，工件或心轴不会变形。这种定位的定位精度高，刚性好，是可取的。综上所述，欠定位不能保证工件的加工要求，是不允许的。过定位在一般情况下，由于定位不稳定，在夹紧力的作用下会使工件或定位元件产生变形，影响加工精度和工件的装卸，应尽量避免；但在有些情况下，只要重复限制自由度的支承点不使工件的装夹发生干涉及冲突，这种形式上的过定位，不仅是可取的，而且有利于提高工件加工时的刚性，在生产实际中也有较多的应用。二、定位基准的选择在定位的原理中已讲到，工件在夹具中的定位实际上是以工件上的某些基准面与夹具上定位元件保持接触，从而限制工件的自由度。那么，究竟选择工件上哪些面与夹具的定位元件相接触为好呢?这就是定位基准的选择问题。定位基准的选择是工艺上一个十分重要的问题，它不仅影响零件表面间的位置尺寸和位置精度，而且还影响整个工艺过程的安排和夹具的结构，必须十分重视。在介绍定位基准的选择原则之前，先介绍有关基础准的一般知识。(一)基准的概念及分类基准的广义含义就是“依据”的意思。机械制造中所说的基准是指用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。根据作用和应用场合不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类，工艺基准又可分为：工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。1．设计基准零件图上用以确定零件上某些点、线、面位置所依据的点、线、面。2．工艺基准，零件加工与装配过程中所采用的基准，称为工艺基准它包括以下几种。(1)工序基准工序图上用来标注本工序加工的尺寸和形位公差的基准。就其实质来说，与设计基准有相似之处，只不过是工序图的基准。工序基准大多与设计基准重合，有时为了加工方便，也有与设计基准不重合而与定位基准重合的。(2)定位基准加工中，使工件在机床上或夹具中占据正确位置所依据的基准。如用直接找正法装夹工件，找正面是定位基准；用划线找正法装夹，所划线为定位基准；用夹具装夹，工件与定位元件相接触的面是定位基准。作为定位基准的点、线、面，可能是工件上的某些面，也可能是看不见摸不着的中心线、中心平面、球心等，往往需要通过工件某些定位表面来体现，这些表面称为定位基面。例如用三爪自定心卡盘夹持工件外圆，体现以轴线为定位基准，外圆面为定位基面。严格地说，定位基准与定位基面有时并不是一回事，但可以替代，这中间存在一个误差问题，有关这个问题在夹具设计一章讲授。(3)测量基准工件在加工中或加工后测量时所用的基准。(4)装配基准装配时，用以确定零件在部件或产品中的相对位置所采用的基准。如图2-24d所示床头箱箱体的D面和E面，就是确定箱体在床身上相对位置的装配基准。上述各类基准应尽可能使其重合。如在设计机器零件时，应尽可能以装配基准作设计基准以便直接保证装配精度。在编制零件加工工艺规程时，应尽量以设计基准作工序基准，以便直接保证零件的加工精度。在加工和测量工件时，应尽量使定位基准和测量基准与工序基准重合，以便消除基准不重合误差。(二)定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分。零件开始加工时，所有的面均未加工，只能以毛坯面作定位基准，这种以毛坯面为定位基准的，称为粗基准，以后的加工，必须以加工过的表面做定位基准，以加工过表面为定位基准的称精基准。在加工中，首先使用的是粗基准，但在选样定位基准时，为了保证零件的加工精度，首先考虑的是选择精基准，精基准选定以后，再考虑合理地选择粗基准。1．精基准的选择原则选择精基准时，重点考虑是如何减少工件的定位误差，保证工件的加工精度，同时也要考虑工件装卸方便，夹具结构简单，一般应遵循下列原则：(1)基准重合原则所谓基准重合原则是指以设计基准作定位基准，以避免基准不重合误差。(2)基准统一原则当零件上有许多表面需要进行多道工序加工时，尽可能在各工序的加工中选用同一组基准定位，称为基准统一原则。基准统一可较好地保证各个加工面的位置精度，同时各工序所用夹具定位方式统一，夹具结构相似，可减少夹具的设计、制造工作量。基准统一原则在机械加工应用较为广泛，如阶梯轴的加工，大多采用顶尖孔作统一的定位基准；齿轮的加工，一般都以内孔和一端面作统一定位基准加工齿坯，齿形；箱体零件加工大多以一组平面或一面两孔作统一定位基准加工孔系和端面；在自动机床或自动线上，一般也需遵循基准统一原则。(3)自为基准原则有些精加工工序，为了保证加工质量，要求加工余量小而均匀，采用加工面自身作定位基准，称为自为基准原则。例如在导轨磨床上磨削床身导轨时，为了保证加工余量小而均匀，采用百分表找正床身表面的方式装夹工件，如图2-26所示，又如浮动镗孔、浮动铰孔、珩磨及拉削孔等，均是采用加工面自身作定位基准。(4)互为基准原则为了使加工面获得均匀的加工余量和加工面间有较高的位置精度，可采用加工面间互为基准反复加工。例如加工精度和同轴度要求高的套筒类零件，精加工时，一般先以外圆定位磨内孔，再以内孔定位磨外圆。又如加工精密齿轮时，通常是齿面淬硬后再磨齿面及内孔。由于齿面磨削余量很小，为了保证加工要求，采用图2-27所示装夹方式，先以齿面为基准磨孔，再以内孔为基准磨齿面，这样不但使齿面磨削余量小而均匀，而且能较好地保证内孔与齿切圆有较高的同轴度。(5)装夹方便原则所选定位基准应能使工件定位稳定，夹紧可靠，操作方便，夹具结构简单。以上介绍了精基准选择的几项原则，每项原则只能说明一个方面的问题，理想的情况是使基准既“重合”又“统一”，同时又能使定位稳定、可靠，操作方便，夹具结构简单。但实际运用中往往出现相互矛盾的情况，这就要求从技术和经济两方面进行综合分析，抓住主要矛盾，进行合理选择。还应该指出，工件上的定位精基准，一般应是工件上具有较高精度要求的重要工作表面，但有时为了使基准统一或定位可靠，操作方便，人为地制造一种基准面，这些表面在零件的工件中并不起作用，仅仅在加工中起定位作用，如顶尖孔、工艺搭子等。这类基准称为辅助基准。2．粗基准的选择原则选择粗基准时，重点考虑如何保证各个加工面都能分配到合理的加工余量，保证加工面与不加工面的位置尺寸和位置精度，同时还要为后续工序提供可靠精基准。具体选择一般应遵下列原则：1)为了保证零件各个加工面都能分配到足够的加工余量，应选加工余量最小的面为粗基准。2)为了保证零件上加