机械加工时基准与工件定位

魔神

    制订机械加工规程时，定位基准的选择是否合理，将直接影响零件加工表面的尺寸精度和相互位置精度。同时对加工顺序的安排也有重要影响。定位基准选择不同，工艺过程也将随之而异。

　　一、基准的概念及其分类

　　所谓基准是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。基准根据功用不同可分为设计基准和工艺基准两大类。

　　（一）设计基准

　　所谓设计基准是指设计图样上采用的基准。图 3-21 所示的钻套轴线 O-O 是各外圆表面及内孔的设计基准；端面 A 是端面 B 、 C 的设计基准；内孔表面 D 的轴心线是φ 40h6 外圆表面的径向跳动和端面 B 的端面跳动的设计基准。同样，图 3-21b 中的 F 面是 C 面和 E 面的设计基准，也是两孔垂直度和 C 面平行度的设计基准； A 面为 B 面的距离尺寸及平行度设计基准。

 

　　作为设计基准的点、线、面在工件上有时不一定具体存在，例如表面的几何中心、对称线、对称面等，而常常由某些具体表面来体现 ，这些具体表面称为基面。

　　（二）工艺基准

所谓工艺基准是在机械加工工艺过程中用来确定本工序的加工表面加工后尺寸、形状、位置的基准。工艺基准按不同的用途可分为工序基准、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的加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。如图 3 -22 a 所示， A 为加工面，母线至 A 面的距离 h 为工序尺寸，位置要求 A 面对 B 面的平行度（没有标出则包括在 h 的尺寸公差内）。所以母线为本工序的工序基准。 　　有时确定一个表面就需要数个工序基准。如图 3-22b 所示，φ E 孔为加工表面，要求其中心线与 A 面垂直，并与 B 面及 C 面保持距离 L 1 、 L 2 ，因此表面 A 、 B 和 C 均为本工序的工序基准。

　　2 ．定位基准

　　在加工中用作定位的基准称为定位基准。例如，将图 3 -21a 所示的零件的内孔套在心轴上加工φ 40h6 外圆时，内孔中心线即为定位基准。加工一个表面时，往往需要数个定位基准同时使用。如图 3-22b 所示的零件，加工φ E 孔时，为保证对 A 面的垂直度，要用 A 面作为定位基准；为保证 L 1 、 L 2 的距离尺寸，用 B 、 C 面作为定位基准。

　　作为定位基准的点、线、面在工件上也不一定存在，但必需由相应的实际表面来体现。这些实际存在的表面称为定位基面。

　　3 ．测量基准

　　测量时采用的基准称为测量基准。例如图 3 -21a 中，以内孔套在心轴上去检验φ 40h6 外圆的径向跳动和端面 B 的端面跳动，内孔中心线为测量基准。

　　4 ．装配基准

　　装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置时所用的基准称为装配基准。图 3-21b 所示的支承块，底面 F 为装配基准。

　　二、工件定位的概念及定位要求

　　（一）工件定位的概念

　　机床、夹具、刀具和工件组成了一个工艺系统。工件加工面的相互位置精度是由工艺系统间的正确位置关系来保证的。因此加工前，应首先确定工件在工艺系统中的正确位置，即是工件的定位。

　　而工件是由许多点、线、面组成的一个复杂的空间几何体。当考虑工件在工艺系统中占据一正确位置时，是否将工件上的所有点、线、面都列入考虑范围内呢？显然是不必要的。在实际加工中，进行工件定位时，只要考虑作为设计基准的点、线、面是否在工艺系统中占有正确的位置。所以工件定位的本质，是使加工面的设计基准在工艺系统中占据一个正确位置。

　　工件定位时，由于工艺系统在静态下的误差，会使工件加工面的设计基准在工艺系统中的位置发生变化，影响工件加工面与其设计基准的相互位置精度，但只要这个变动值在允许的误差范围以内，即可认定工件在工艺系统中已占据了一个正确的位置，即工件已正确的定位。

　　（二）工件定位的要求

　　工件定位的目的是为了保证工件加工面与加工面的设计基准之间的位置公差（如同轴度、平行度、垂直度等）和距离尺寸精度。工件加工面的设计基准与机床的正确位置是工件加工面与加工面的设计基准之间位置公差的保证；工件加工面的设计基准与刀具的正确位置是工件加工面与加工面的设计基准之间距离尺寸精度的保证。所以工件定位时有以下两点要求：一是使工件加工面的设计基准与机床保持一正确的位置；二是使工件加工面的设计基准与刀具保持一正确的位置。下面分别从这两方面进行说明：

　　1 ．为了保证加工面与其设计基准间的位置公差（同轴度、平行度、垂直度等），工件定位时应使加工表面的设计基准相对于机床占据一正确的位置。

　　如图 3 -21a 所示零件，为了保证外圆表面φ 40h6 的径向圆跳动要求，工件定位时必须使其设计基准（内孔轴线 O-O ）与机床主轴回转轴线 O ， -O ’ 重合，见图 3 -23a 所示。对于图 3-21b 所示零件，为了保证加工面 B 与其设计基准 A 的平行度要求，工件定位时必须使设计基准 A 与机床工作台的纵向直线运动方向平行，见图 3-23b 所示。孔加工时为了保证孔与其设计基准（底面 F ）的垂直度要求，工件定位时必须使设计基准 F 面与机床主轴轴心线垂直，见图 3 -23c 。

 

　　2 ．为了保证加工面与其设计基准间的距离尺寸精度，工件定位时，应使加工面的设计基准相对于刀具有一正确的位置。

　　表面间距离尺寸精度的获得通常有两种方法：试切法和调整法。

　　试切法是通过试切——测量加工尺寸——调整刀具位置——试切的反复过程来获得距离尺寸精度的。由于这种方法是在加工过程中，通过多次试切才能获得距离尺寸精度，所以加工前工件相对于刀具的位置可不必确定。例如图 3 -24a 中为获得尺寸 l ，加工前工件在三爪自定心卡盘中的轴向定位置可以不必严格规定。试切法多用于单件小批生产中。

 

　　调整法是一种加工前按规定的尺寸调整好刀具与工件相对位置及进给行程，从而保证在加工时自动获得所需距离尺寸精度的加工方法。这种加工方法在加工时不再试切。生产率高，其加工精度决定于机床、夹具的精度和调整误差，用于大批量生产。图 3-24 中示出了按调整法获得距离尺寸精度的两个实例。图 b 是通过三爪反装和挡铁来确定工件和刀具的相对位置；图 c 是通过夹具中的定位元件与导向元件的既定位置来确定工件与刀具的相对位置。

　　三、工件定位的方法

　　工件定位的方法有三种：

　　（一）直接找正法定位

　　直接找正法定位是利用百分表、划针或目测等方法在机床上直接找正工件加工面的设计基准使其获得正确位置的定位方法。如图 3-25 所示，零件在磨床上磨削内孔，若零件的外圆与内孔有很高的同轴度要求，此时可用四爪单调卡盘装夹工件，并在加工前用百分表等控制外圆的径向圆跳动，从而保证加工后零件外圆与内孔的同轴度要求。

　　这种方法的定位精度和找正的快慢取决于找正工人的水平，一般来说，此法比较费时，多用于单件小批生产或要求位置精度特别高的工件。

　　

　　（二）划线找正法定位

　　 划线找正法定位是在机床上使用划针按毛坯或半成品上待加工处预先划出的线段找正工件，使其获得正确的位置的定位方法，如图 3-26 所示。此法受划线精度和找正精度的限制，定位精度不高。主要用于批量小，毛坯精度低及大型零件等不便于使用夹具进行加工的粗加工。

　　（三）使用夹具定位

　　夹具定位即是直接利用夹具上的定位元件使工件获得正确位置的定位方法。由于夹具的定位元件与机床和刀具的相对位置均已预先调整好，故工件定位时不必再逐个调整。此法定位迅速、可靠，定位精度较高，广泛用于成批生产和大量生产中。

　　1 ．机床夹具的工作原理

　　如图 3-27 所示为套筒钻孔的工序图及其钻夹具。钻孔时，应首先借助于夹具体 1 的底面 A 1 及钻套 2 的内孔 A 2 实现钻模在机床上的定位，并用机床公用螺栓夹紧在机床工作台面上；然后工件以孔基准 S 1 和端面 S 2 为定位基准放在心轴 3 的 J 1 及 J 2 表面上定位，并借助于快换垫圈 4 ，用螺母 5 夹紧工件；最后将刀具插入钻套 2 的导向套孔 A 2 便可进行钻削加工

 

　　如此，同一批工件在夹具中便可取得确定位置。显然本工序所要求的与基准直接联系的距离尺寸 L 1 ±Δ L 1 （单位为 mm ）及位置公差Φ z （单位为 mm ）主要靠夹具来保证的。

　　图 3-28 所示为套筒铣槽工序图及铣夹具。铣削前，应借助于夹具体 1 的底面 A 1 及二个定位健 2 的公共侧面 A 2 与铣床工作台及中央 T 型槽结合而实现夹具与机床的定位，依靠 T 型螺栓将夹具夹紧在机床上；然后工件以外圆基准 S 1 和孔基准 S 2 为定位基准放在 V 型块 3 及支承 4 上定位并夹紧；最后通过对刀块 5 及塞尺 6 对刀后，便可进行铣削加工。

　　同理，该同批零件在夹具中可获得确定位置。显然本工序中与基准相联系的距离尺寸 H ，主要由夹具来保证的。

　　综合上述分析可知：欲保证工件加工面的位置精度要求，工艺系统各环节之间必须保证如下的正确几何关系：

　　（ 1 ）使工件与夹具具有确定的相互位置；

　　（ 2 ）使机床与夹具具有确定的相互位置；

　　（ 3 ）使刀具与夹具具有确定的距离尺寸联系。

　　所以，机床夹具是能使同一批工件在加工前迅速进行装夹并使工件相对于机床、刀具具有确定位置且在整个加工过程中保持上述位置关系的一种工艺装备。

　　2 ．夹具的组成

　　（ 1 ）定位元件

　　定位元件是保证工件在夹具中的正确位置的元件，如图 3-27 所示的件 3 及图 3-28 所示的件 3 及件 4 。

　　（ 2 ）安装元件

　　安装元件是保证机床和夹具正确位置的元件，如图 3-28 中的件 2 。

　　（ 3 ）调整元件（导向—对刀元件）

　　调整元件是保证刀具和夹具获得正确位置的元件。这类元件一般专指钻套、镗套、对刀块等元件，它通过对定位元件正确的位置精度，直接或间接地引导刀具，如图 3-27 中的件 2 ，图 3-28 中的件 4 和件 5 。

　　（ 4 ）夹紧装置

　　该装置一般由动力源、中间传力机构及夹紧元件组成，其作用是保持工件由定位所取得的确定位置，并抵抗动态下系统所受外力及其影响，使加工得以顺利实现，如图 3-27 中的件 4 和件 5 。

　　（ 5 ）夹具体

　　用于连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体的基础体。

　　（ 6 ）其它装置或元件

　　为满足设计给定条件及使用方便，夹具上有时设有分度机构、上下料机构等装置。

　　3 ．夹具的分类

　　根据通用程度的不同，机床夹具可分为：

　　（ 1 ）通用夹具 这类夹具具有很大的通用性。现已标准化，在一定范围内无需调整或稍加调整就可用于装夹不同的工件。如车床上的三爪自定心卡盘、四爪单调卡盘、铣床上的平口钳、分度头、回转盘等。这类夹具通常作为机床附件由专业厂生产。其使用特点是操作费时、生产率低，主要用于单件小批生产。

　　（ 2 ）专用夹具 这类夹具是针对某一工件的某一固定工序而专门设计的。因为不需要考虑通用性，可以设计得结构紧凑，操作方便、迅速，它比通用夹具的生产率高。这类夹具在产品变更后就无法利用，因此适用于大批量生产。

　　（ 3 ）成组可调夹具 在多品种小批量生产中，由于通用夹具生产率低，产品质量也不高，而采用专用夹具又不经济。这时可采用成组加工方法，即将零件按形状，尺寸和工艺特征等进行分组，为每一组设计一套可调整的“专用夹具”，使用时只需稍加调整或更换部分元件，即可加工同一组内的各个零件。

　　（ 4 ）组合夹具 组合夹具是一种由预先制造好的通用标准部件经组装而成的夹具。当产品变更时，夹具可拆卸、清洗，并在短时间内重新组装成另一种形式的夹具。因此组合夹具既适合于单件小批生产，又可适合于中批生产。

　　机床夹具也可按适用的机床分为车床夹具、钻床夹具、铣床夹具、镗床夹具、齿轮加工机床夹具等。

　　若按所使用的动力源，机床夹具又可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具，磁力夹具、真空夹具等。