工件加工时的装夹与基准

时间：2024-10-07 百科知识版权反馈

【摘要】：夹紧是指工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位不变的操作。上述六个独立的运动称为六个自由度。在机械加工中，要完全确定工件的正确位置，必须用六个支承点限制工件的六个自由度，称为工件的“六点定位原理”。零件在加工、检测和装配过程中，用作依据的点、线、面称为工艺基准。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。

5.2　工件加工时的装夹与基准

5.2.1　工件的装夹

在设计机械加工工艺时，要考虑的最重要的问题之一是怎样将工件装夹在机床上或夹具中。这里装夹有两个含义，即定位和夹紧。

定位是指使工件在机床或夹具中占有某一正确位置。夹紧是指工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位不变的操作。

不同零件在不同生产条件下在机床或夹具上有不同的装夹方法，主要有三种方式。

1.直接找正法

工件安放在机床工作台或夹具上，由操作工人利用划线盘、角尺、千分表或用眼睛直接找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件，称为直接找正。例如，在四爪卡盘上加工一个有台阶的短轴（见图5－5），要求待加工表面B与表面A同轴。若同轴度要求不高，可用划线盘找正；若同轴度要求较高，则可用百分表找正，以保证表面B与表面A同轴要求。

图5－5　直接找正法

直接找正法的定位精度和找正效率取决于要求的加工精度、找正工具和工人技术水平。其生产率较低，一般仅适于单件小批生产或精度要求较高、形状简单的零件。

2.划线找正法

对于形状复杂、公差较大的铸件、锻件坯料的加工，采用直接找正法往往会顾此失彼，这时可按零件图在待加工坯料上画出中心线、对称线及待加工表面的位置线，然后按此线作基准找正工件在机床上的位置。

这种方法能保证工件相关表面间位置精度，且可通过划线调整加工余量，但需要技术水平较高的划线工人，且定位精度低（一般只能达到0.2～0.5mm），生产效率低，因此这种方法只适用于单件小批生产，毛坯精度较低，以及大型工件等不宜使用夹具的加工情况中。

3.夹具定位法

用夹具使工件获得正确位置的方法。不需找正即可迅速可靠地保证工件在机床上相对刀具有一正确位置。夹具相对于机床和刀具的位置在工件装夹前已调整好，所以在装夹工件时一般不需找正定位，就能保证工件在机床上的定位。

夹具定位法定位效率高，也比较容易保证加工精度的要求（定位精度一般可达0.01mm），因此在各种加工类型中都有应用。

5.2.2　工件的定位

工件无论采用哪种方法装夹，都必须使工件在机床上定位，以保证被加工表面的精度。定位的理论依据是六点定位原理。

1.六点定位原理

任何一个不受任何约束的刚体在空间均有六个独立的运动。如图5－6所示物体，可沿空间三个互相垂直的坐标轴x、y、z移动和绕x、y、z三个坐标轴转动。用X_y、Y_y、Z_y分别表示沿x、y、z三个坐标轴的移动，用X_r、Y_r、Z_r分别表示沿x、y、z三个坐标轴的转动。上述六个独立的运动称为六个自由度。物体的自由度可理解为物体在位置上的不确定。若采用约束消除物体的六个自由度，则物体被完全定位。

图5－6　自由度示意图

在机械加工中，要完全确定工件的正确位置，必须用六个支承点限制工件的六个自由度，称为工件的“六点定位原理”。

如图5－7所示，一个六方体在空间定位时，可在x－y平面上设置三个不共线的支撑点1，2，3约束X_r、Y_r、Z_y三个自由度；在x－z平面上设置二个支撑点4，5约束Y_y、Z_r两个自由度；在z－y平面上设置一个支撑点6约束Xy一个自由度。这就完全约束了物体在空间的六个自由度。

图5－7　长方体工件的定位分析

2.六点定位原理的应用

1）定位元件及其约束的自由度

在工件的定位中，用具体定位元件来代替上述约束点。常用的定位元件有：支承钉、支承板、长销、短销、菱销、长V形块、短V形块、长定位套、短定位套等。分析上述各种定位元件限制自由度的情况，以及这些定位元件的各种组合限制自由度的情况是非常重要的。将各种定位元件及其组合约束自由度的情况列于表5－6。

表5－6　　　　常用定位元件所限制的自由度分析

续表

2）完全定位和不完全定位

在机械加工中，要限制工件的哪些自由度需视加工要求而定，有时需要限制六个自由度，有时只需限制1个或几个（少于6个）自由度。前者称为完全定位，后者称为不完全定位。

例如，图5－8所示的工序是在铣床上铣削一批工件上的沟槽，除须对称于轴的中心线、距轴端保证尺寸a外，还须与上道工序加工出的槽b相隔180°。所以，采用两个V形块1、销2和销3定位。V形块1约束四个自由度X_y，Z_y，X_r，Z_r，销2约束一个自由度Y_r，销3约束一个自由度Y_y。可见此定位元件组合按加工要求约束了工件的六个自由度，也就是工件被完全定位。

如果轴上没有槽b，则可取消销2，不约束Yr。此时只需约束工件的5个自由度。

如果轴上没有槽b，也没有尺寸a的要求，则可取消销2和销3，不必约束Yy，Yr。此时只需约束工件的四个自由度。

这两种情况均属不完全定位。

3）过定位和欠定位

欠定位工件在定位时，为满足工件加工精度的要求，必须约束的自由度没有被约束，这样的定位称为欠定位。在加工中欠定位是不允许的。如图5.8中，若有尺寸a的要求，而在定位时没有约束Yy，则工件欠定位，尺寸a的要求无法满足。

图5－8　完全定位和不完全定位

过定位工件在定位时，同一自由度被两个或更多的定位支承点约束，这样的定位称为过定位。由于过定位有利于增加工件的刚性或传递切削运动和动力，所以在实际生产中时有采用。但过定位会对工件的定位精度产生影响，因此，采用过定位时，工件的定位表面需进行加工；定位元件的尺寸、形状和位置都要做得比较精确，以减小过定位对工件位置尺寸的影响。

例如图5－9为平面定位时的过定位情况。按六点定位原理，应该采用三点，限制Z_y、X_r、Y_r三个自由度，但图中却采用了四点约束。若工件定位面未经过加工，表面粗糙，则实际上只可能有三个支撑点与定位面接触，而实际是哪些支撑点接触，将与重力、夹紧力和切削力等因素有关，定位不稳定。如果靠夹紧力强行让定位面与四个支撑点接触，则工件和支撑点将产生变形，产生加工误差。为此可以采取下述两种方案加以改进。

图5－9　平面定位时的过定位

第一种方案是消除过定位。将四个支撑点改为三个支撑点并重新布置。也可将四个支撑点之一改为辅助支撑；辅助支撑只起支撑作用，不起定位作用。

第二种方案是将工件定位表面先进行加工，并将四个支撑点准确地调到同一平面内，这样，上述过定位既能保证定位精度又能增加支撑刚度，减小工件的受力变形。

5.2.3　工件的基准

零件设计与制造中，需要以一些指定的点、线、面作为依据，来确定其他点、线、面的位置，这些用来确定生产对象上几何要素之间相互关系所依据的点、线、面称为基准。按照基准作用不同，可把基准分为设计基准和工艺基准两大类。

1.设计基准

在设计零件图时，根据零件在装配结构中的装配关系以及零件本身结构要素之间的相互位置关系，用以标注尺寸和各表面相互位置关系所依据的点、线、面，称为设计基准。简单地说，设计图样上所采用的基准就是设计基准。如图5－10所示，齿轮的内孔、外圆和分度圆的设计基准是齿轮的轴心线。

图5－10　设计基准举例

2.工艺基准

零件在加工、检测和装配过程中，用作依据的点、线、面称为工艺基准。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）工序基准

在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。

2）定位基准

加工零件时，用以确定其在机床上相对刀具正确位置所依据的点、线、面称为定位基准。使用夹具安装时，定位基准为工件上与夹具定位元件相接触的表面。定位基准还可以进一步分为：粗基准、精基准、附加基准。

粗基准和精基准未经过机械加工的定位基准称为粗基准；经过机械加工的定位基准称为精基准。

附加基准根据零件加工要求而专门设计的定位基准称为附加基准。

3）测量基准

在加工中或加工后用以测量已加工表面形状、尺寸及其相对位置误差所依据的点、线、面称为测量基准。

4）装配基准

在装配时用以确定零件或部件在产品中的位置所依据的点、线、面称为装配基础。

必须指出，作为工艺基准的点、线、面，总是由具体的表面体现的，该表面称为基准面。

如图5－10所示齿轮孔的轴心线并不具体存在，而是由内孔表面来体现，故内孔是齿轮的定位度量、装配基准面。

5.2.4　工件定位基准的选择

定位基准选择得是否合理，对保证零件精度、安排加工顺序有着决定性影响。

1.粗基准的选择

首先，用图5－11的例子来说明粗基准的选择对加工的影响。

图5－11所示的毛坯，由于在铸造时内孔2与外圆1之间有偏心，如果选择外圆1作为粗基准（用三爪卡盘装夹外圆）加工内孔，由于此时外圆1的中心线与机床主轴的回转中心线重合，所以加工后的孔2与外圆1同轴，即加工后孔的壁厚是均的，但内孔的加工余量是不均匀的，如图5－11（a）所示；如果选择内孔2作为粗基准（用四爪卡盘夹持外圆1，然后按内孔2找正），由于此时内孔2的中心线与机床主轴的回转中心重合，所以孔2的加工余量是均匀的，但加工后的内孔2与外圆1不同轴，即加工后的壁厚是不均匀的，如图5－11（b）所示。

图5－11　两种粗基准选择的比较1—外圈 2—内孔

由此可见，粗基准的选择将影响到加工面与不加工面的相互位置，或影响到加工余量的分配。因此粗基准的选择应遵循如下原则：

1）保证相互位置要求的原则

当要求保证工件上加工表面与不加工表面的相互位置要求时，应选择不加工表面作为粗基准。这样既可使零件加工表面与不加工表面间具有较高位置精度，又可在一次安装中加工出尽可能多的加工表面。

如图5－11（1）所示，以不加工的外圆表面作为粗基准，可保证各加工表面与外圆表面有较高的同轴度或垂直度，且可在一次安装中完成绝大部分要加工表面的加工。

当零件有两个以上的不加工表面时，则应选择与加工表面位置精度要求较高的表面为粗基准。

2）保证加工表面加工余量合理分配的原则

当要求保证工件某重要表面余量均匀时，应选取该表面的毛坯面为粗基准，这可保证作为粗基准的表面加工时余量均匀。如机床床身的加工中，其导轨面要求耐磨性好，希望加工时只切去较小而均匀的一层余量，使其表层保留均匀一致的金相组织和较高的物理力学性能。因此，首先选择导轨面为粗基准加工床腿底平面，然后以床腿底平面为精基准加工导轨面（见图5－12（a））；否则，将造成导轨面加工余量不均匀（见图5－12（b））。

图5－12　床身加工粗基准选择

3）便于装夹的原则

为保证零件定位精度并可靠夹紧，以及考虑到夹具结构简单、操作方便，应选择无毛刺、浇口、冒口的光洁、平整、尺寸比较大、便于装夹的表面为粗基准。

例如，图5－13所示为一活塞外圆的加工，以内壁为粗基准，用自动定心装置来保证工件的壁厚均匀，但因金属型芯有装配缝隙而在内壁上产生飞刺，卡爪经常会压在飞刺上，造成工件不能正确定位。

4）粗基准不重复使用原则

因粗基准是未经过加工的毛坯面，定位精度较低，若在两次装夹中重复使用同一粗基准，就会造成相当大的定位误差。因此，若有已加工表面可用来定位，则不应再选用粗基准面定位。

但是，当毛坯是精密铸件或精密锻件时，毛坯的质量很高，而加工精度要求不高，这时可以重复使用某一粗基准。又如当定位基准的主要基面是精基面而且可用以保证工件的精确定位，则用来约束另一些自由度的定位基面可以再选用粗基面。另外，若某些自由度的约束没有精基面时，选用粗基面来约束这些自由度，不属于重复使用粗基准。

图5－13　活塞加工粗基准选择

2.精基准的选择

精基准的选择应从保证零件的加工精度，特别是加工表面的相互位置精度来考虑，同时也要考虑装夹方便，夹具结构简单。其选择一般应遵循如下原则：

1）基准重合原则

应尽量选择设计基准为精基准，即定位基准与设计基准重合。特别是在最后精加工时，更应遵循这个原则。这可避免由于基准不重合产生的定位误差。

如图5－14所示零件，表面1、3均已加工过。加工表面2时，若以表面3作为定位基准（见图5－14（a）），则定位基准与设计基准重合，无定位误差；若以表面1作为定位基准，将使尺寸B的总误差除本身的加工误差外，还包括尺寸4的公差。这是由于定位基准与设计基准不重合而产生了定位误差。因此，精基准应尽可能选择设计基准，以避免产生定位误差。当然，该原则并非经常能够实现，上例中的零件，采用基准重合原则，定位、夹紧均不方便，而以表面1定位，装夹方便可靠，但要计算由此引起的定位误差。

图5－14　定位误差分析

2）基准统一原则

当以某精基准定位时能方便地加工零件上大多数其他表面时，应尽早将此表面加工出来，然后以此表面为精基准加工其他表面，以利于保证各加工表面间的位置精度。避免因基准变换所产生的误差，并能简化夹具的设计和制造。

图5－15所示的发动机缸体的加工中，就是采用统一的基准——底面A及底面A上的两个工艺孔作为精基准来加工缸体上的主轴承座孔、凸轮轴座孔、气缸孔等加工面。这样就很好地保证了这些加工表面的相互位置精度。

3）互为基准原则

当两表面间的相互位置精度以及它们自身尺寸和形状精度要求都很高时，则可采取互为基准原则。例如，精密齿轮的精加工，通常是在齿面经高频淬火淬硬后再磨削齿面及内孔，因淬硬层较薄，磨削余量较小。精加工时以齿面定位磨内孔，再以内孔定位磨齿面（见图5－16）。这样加工不但保证磨齿余量小而均匀，而且还能保证轮齿基圆对内孔有较高的同轴度。