关于夹具定 位法则的探 讨

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1、第?卷第?期?年?月东南大学学才良? ? !? ? ? ? ? ? ? ?关于夹具定 位法则的 探讨郑志达?自动控制工程系?摘要夹具设计六点定位 法则出自刚休力学,离工 程 实际芒远?应用中有许 多混乱?作 者在总结实践经验的基拙 上,研究了弹 性变形、配合 间隙和定位面的误差等因素,时法则进 行探讨?提出了比较接 近实际的定位设计法则。关抽词机床夹具,定位,设 计 准则,理 论 中?法分类号? ?目前,夹 具定位设计参照 六点定位法则进行?这个法则本身不 完善,对工件、夹具弹性体和定位面之间可能存在的间隙、误差等因素没有反映,距离工程实际甚远?应用中又未能规定其适用范围,因而出现许多混乱,使

2、夹具定位设计依据不足?现有六点定位法则及应用中存在的问题?用六个合理分布的支承点?或称支持点?限制工件六 个自山度的方 法,称为六点定位法则。这里说的定位点概念不清,既把刚体在空间直角坐标中自由度的限制说成定位点,又把工件和定位元件的接触点说成定位点?两者并非同一件事?夹具上 定位元件接触工件限制 自由度,它是限制自由度的必要条件,却不是充分条件?六个自由度的限制是定位的根本目的?应包括一切定位方式所起的定位作用?关于定位状态的论述为?定位元件工作面对工件紧密接触?这 不符合实际?其一,紧密没有准则,其二,工件只与夹紧力指向的定位元件工作而 是紧密接触?又如圆孔对心轴定位的配合面总是存在间隙的

3、?无法做到紧密接触?因此,判断定位 状态缺少准则。?六点定位法则 的应用指明定位和夹紧是两个概念?这是 必要的,但是某些夹具上定位方式之 间的干涉和超定位现象须在夹紧状态 下才表现出来?因此不能把定位、夹紧截然分开,?六点定位法 则从 刚体力学 导 出,距工程 实际甚远?一方面 臾具 定位元件和工件都是弹性体,定位时会发 生弹性变形?另一方 面圆孔 对 心 轴、槽对销等定 位 方式的配合面之间存在间晾,弹性补偿和间隙补偿是客观存在的事实,不能忽略它们?本文予?甲?月?日收脚?君东南大学 学才又第?卷?六点定位法则的论述中未 提到定位面 之间 存在误差会改变定位 性质这一实质性问题?应用中有时考

4、虑了误差的影响?例如两孔对两销的定位,中心距误 差造成的干涉?有时却不考虑误差 的影响,例如长圆孔对小锥度心轴,轴向自由度的限制已失去应用价值?因此,必须研究误 差对定位的影 响?关于超定位的 论 述,有人 说“应尽量避免”,有人说“也可采用”?以致近年来有“超定位越多越可靠”,“应 用超定位改善定位”等提法?超定位是好是坏留下 了模糊概念?经 过对普通夹具 和精密夹具的定位 进行研究,确认夹具上仅有基本定位系统受六点定位法则支配?尚有不受六点定位法则支配的系统?夹具定位设计的混乱还在于把不受法则支配的系统亦用 六点定位法则去指导?以下对法则进行完善并介绍不受六点定位法则支配系统的规律?对六点

5、定位法则的改进七?误位形晌定位性质夹具 上 由定位元件组成 对?件直接定位 的 系统称为基本定位系统?工件和基本定位系统都是有误差 的,这种 误差具有正态分布特征?只有在基本定位系统存在误 差 的情况下,定位方式之间才会发生干涉和对 定位 的破坏作用?误差 的存在是六点定位法则应用的必要条件?八? 八?说基本定位系统的 设 计受六点定位法则指导、图?所示,工件以大端面和长圆柱孔定位,大端面 限制?,和宁三个 自由度,长圆孑?限制牙,分,宁和节四个 自由度,其中和节自由度既受到大端面限制,又受到圆孔限制,按照原来的法,明显 地超定位了?然而只要 工件、夹具定位面 的 尺寸、形状、位?都没有误 差

6、,相互 之间对 自由度的限制就不会产生干涉,长圆柱孔和大端面都能与夹具上定位元件工作表面吻合?实际上,夹具和工件定位面都是有误差 的,误差使定位方式之间发生干涉,甚至破坏定 位?司司司? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图?没有误差的定位误差 改变定位 方式 的性质?例如平面定位,工件?已加工 平面 的平面度公差使表面具有平面 的性质,工件放 置稳定,夹紧时变形小?铸、锻毛 坯 的平面毛基准平面度误差 太大,实际上已失去平面性质,即使放在理想平面上也是放置不稳的?又如小锥度心轴用 于工件长 圆孔定位,限制工件窗,营,节和节四个 自由度,每个工件?轴向的位置是一定的,而一批工件的位耸变动太

7、大,失去 限制 自由度的作用?工程上都认为小锥度心轴限制四个自由度?这一 说法的基础是工件内孔和 心轴存在 误差,误差 破坏了?轴向的定位作用?在没有误 差的情况 下,工件?轴方向位置不变,就有定位作用?因此,误 差 的存在既是 工件在夹具中定位的实际情况,又是六点定位法则应 用的必 要条 件。指导夹具定位设计时,对工件毛基准平面,夹具上 只能采用三 个球面支承钉组成的平面定位?三点决定一个平面?,为放里稳定和夹紧牢固 而设 置的第四个支承钉 必须做成浮动或可调式,不参与定位?而已加工平面墓准定位时,夹具上 可采用四条 或更 多的支承板组成的?平面定位?它们都起到限制三个自由度的作用,第?期郑

8、志达?关于夹具 定位法则的探计定位设计时须对定位方式进行误差计算,才能确定其定位性质?这种计算不 同于通常的定位误 差计算,前者判断定位作用?后者计算加工误差带来影响的大小?定位点的您义六点定位法则的定位点应 该是夹具定 位 方式对 工件自山度的 限制,限制一个自山度叫做一个定位点?它与夹具上定位元件和工件是否接触没有直接联系?例如,“对标记”、“对外形”、千?百?分表校正等方式定位都是定位点?接触点或接触面?对 自由度的限制作用,必须满足夹具使用要求。点。例如,顶尖间定位轴类工件在普通车床上人 工操作加工,限制工件五个 自由度,为五点定位?然而在柔性制造系统的车加 工中心机床上自动加工时?由

9、于顶尖孔钻得忽深忽浅,轴向失去定位作用,需要 另外设 置止推定位点限制轴向自由度?见图?不 应把定位点仅当作定位元件对工件的不满足使用要求的 限制作用?不是 定 位噜任三三母汗?图?止推?颇尖又如轴套类工件用小锥度心轴定位,虽然每个零件在心轴上轴向位 置 是一定的,但一批工件因轴向位置相 差太 大,不能满足磨削外圆时纵向行程自动磨削范围而失去定位作用?因此,关于六点定位法则比较恰当的提法是?夹 具上定位方式对?件自山度的 限制,限制作用满足使 用要求称定位点,限制一个 自由度为一个定位点,一 ?几件的六个自山度都被 限制,工件在夹具中的位里按夹具使用要求完全确定称做六点完全定 位?而在考虑误差

10、 因素的情况下,关于定位的概念应 该是?工件、欠其定 位?吴差在公差范围内变动时,定位方式对工件自由度的 限制能够满足夹具使用 要求称定位点,限制个自山度为一个定位点,工件的六个自山度都限制,毛件在夹具中的位置按夹 具使用要求完全确定 称做六点完全定位?间除对定位的影晌配合定位面 之间存在的间隙是一种不 可 忽略的定位 现象,它补偿着定位面误差引起的干涉?不能简单地根据定位方式判断它对 自由度的限制作用和相 互干涉?例如两孔定位,一般情况 下把 其中一个圆柱销,设计成菱形销来避免 中心距变动引起的干涉?但是放大孔、销 配合间隙?不是配合公差?,缩小中心距误 差也可以避免干涉?又如 大端面、长圆

11、孔联合定位,只要孔与心轴配合有足够的间隙,简单地看来似 乎干涉厂,实际上任何不垂直偏差都在间隙范围内,补偿了长心轴垂直度偏差引起的干涉?虽然定位面 配合间隙必须满足夹具使 用要求,不能任意扩 大,但由于加工对定位正确程度的要求在很大范围内变动,配合间隙可以适当放大或缩小作为调节定位方式的 因素?见应用实例?弹性变形对定位 的补俄弹性理论认为物体弹性变形是应力应变的结果。受到力 学和物体物理性能的影响?物体工作时受到的力,分为面力和体力,面力引起接触处表面变形,体力使物体产生伸长、缩东南大学学才又第? ?卷短、弯 曲、扭转等变形?夹具与工件的弹性变形,一般情况下以接触变形为主,变形量在工件制造公

12、差范围内波动并不破坏定位,反而补偿着定位面 误差造成的干涉?支承钉、支承板等定位元件定位夹紧力指向定位支承,接触面变形 影响与夹紧力平行的尺寸精度?以大端面、内孔定位的切齿夹具,山于定位心轴对端面垂直度误差引起接触面间变形,主要发生在心轴上?大端面? 上夹紧力引起的高度方向变形 不影响定位精度?,心轴与工件接触表面变形 和心轴弯曲?维持大端面定位限制三个 自由度?小端面和长内孔定位的车床加工 用心轴,夹紧力指向小端面,则接触变形 主要发生在小端面,维持长内孔定位限制四个 自由度,弹性变形使端面接触良好?弹性变形量 由接触变形和弯 曲变形 两部分组成?以切齿夹具为例说明如下?端面心轴联合定位的切

13、齿夹具,心轴直径功?,工作高度? ? ?夹紧时齿坯大端面压平花?夹紧力大 于? ? ? ?,一大端面上由心轴弯曲引起的附加表面变形忽略不 计?根据弹性力学算得心轴承受最大表面挤压弹性变形时 心轴上附加弯力?为? ?由此心轴弯 曲弹性变形 为?一? ? ? ?一? ? ? !? ? !? ,式中,?为心轴直径,?为心轴工作部分长度此时心轴表 面挤压弹性变形为“一,?会?一? ?一? ?,式中,?为工件和心轴材料的弹性模量?设 两者相等?,?为工件和心轴挤压变形接触面的宽度?,算表明以定位 孔 圆弧面挤压变形为主?弯曲仅为其?总变形量可达一? ?只要 加工精度允许,弹性变形补偿 了心轴对端面 的不

14、 垂直而 不破坏定位元件?心轴?和工件的定位 表面?千涉与超定位在搞清间隙、弹性补偿后,建议对超定位给出明确的定义?原六点定位法则中称两个以上定位点限制同一个自山度为超定位,但没有对限制程度作出说明,而限制程度是至关重要的?达到破坏定位程度的夹具 不能使用,未达到破坏程度的情况下 则仅仅是相互 之 间发生 了干涉?干涉和超定位两个概念 应该分开?在干涉范畴内,?和?两种定位方式在某个自由度发生干 涉,它们 的关系将是?干涉?,该 自由度?定位方式为主,改进干涉的方面在?或者?干涉?,则 该 自由度?定位方式为主,改进 干涉的方面是?由于弹性补偿的存在,某个自由度虽然出现几种定位方式间的干涉,但

15、并不破坏定位?通过合理设计可以把干涉减至最小?但是不允许某个 自由度上发生?和?定位方式干涉相等,随便哪种方式定位的现象?这是设计失误,会失去定位可靠性,极易发生破坏定位?超定位的定义应是?两个以上定位点限制同一个 自由度而破坏定位的现象称超定位?超定位夹 具和 欠定位夹 具一样不能使用?干涉和超定位是量变与质变的关系?量变阶段为干涉,发展 到破坏定位就 是超定位?是干涉还是超定位应 通过定 位 时的误 差、间隙和弹性补偿计算来确定?定位 状 态关于定位的判 断须在统一的状 态下进行。定位状态为定位 设 计、实施的状态?建议把夹第?期郑志达?关于夹具定位法则的探讨具使用前的最终状态作为 定位状

16、 态,对具有夹紧机构的 臾具,则为 夹紧后的 状态?因为干涉、补偿和对定位的破坏现象,须在夹紧力?重力?作用下才表现 出来?不包括错误 夹紧对定位的破坏?但是,这与夹紧后工件能不能动是 两回事,前而讲的是定位状态,后面讲的是定位状态的保持?两者不容混淆?不受六点定位法则支配的系统夹具 上 的定位系统除了基本定位系统之外,尚有与定位有关但不受六点定位法则支配的系统,如预定位、复位销、固定辅助支承、夹 具内部的定位 系统等?预定位设 施预定位设施使工件进入定位位置之前,预先接近定位位置,或者防止工件脱离定位位置?例如,图?所示盒形 工件以底面和两个圆孔定位,夹具上由大平面、伸缩圆柱销和菱形销组成基本定位系统定位?为 了安装工件时便于对准圆孔,在长侧面安置 两块侧面支承板,短侧面安置一块侧面支承板组成预定位设施?预定位设施不