第2章 机械制造过程.doc

机械制造工艺学- 2.16 -第2章机械制造过程学习指南:本章在介绍机械制造工艺方法与工艺过程的基础上，重点介绍有关机械加工的基础知识和基本理论，包括：机械加工的成形运动与常见表面的机械加工方法，基准与装夹的概念，定位原理与定位方法，由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工系统，刀具材料与刀具几何角度，零件结构工艺性等。学习本章内容，在了解机械加工方法和机械加工装备的同时，应深入理解有关机械加工的基本概念和基本原理，如基准的概念，工件的定位原理，刀具几何角度的定义等。学员可以通过练习和自测，检验和巩固对所学内容的掌握程度。本章建议学时为12学时。参考文献:1宾鸿赞，曾庆福主编.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，19902王先逵主编.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，19953颜永年等.快速成形技术发展状况与趋势研究.机械工艺师，1998（11）4胡永生.机械制造工艺原理.北京：北京理工大学出版社，19925冯敬之主编.机械制造工程原理.北京：清华大学出版社，19986于俊一，夏卿，包善斐编.机械制造工艺学.长春：吉林教育出版社，19857丁年雄主编.机械加工工艺词典.北京：学苑出版社，19908荆长生.机械制造工艺学.西安：西北工业大学出版社，19969徐嘉元.机械加工工艺基础.北京：机械工业出版社，199010李绍明.机械加工工艺基础.北京：北京理工大学出版社，199311金问楷.机械加工工艺基础.北京：清华大学出版社，199012东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学.机床夹具设计手册（第2版）.上海：上海科学技术出版社，19882.1机械制造工艺方法与工艺过程学习要点：了解机械制造工艺方法，熟悉机械加工工艺过程，理解工序、安装、工位、工步及走刀的含义。工艺是指制造产品的技巧、方法和程序。机械制造过程中，凡是直接改变零件形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程，称为机械制造工艺过程。它通常包括零件的制造与机器的装配两部分。2.1.1机械加工工艺过程及其组成采用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸、各表面间相互位置及表面质量，使之成为合格零件的过程，称为机械加工工艺过程。它由按一定的顺序排列的若干个工序组成，而每一个工序又可细分为安装、工位、工步及走刀等。工序指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。工作地、工人、工件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任一要素发生变更，则构成了另一道工序。一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的，如图2-1所示的阶梯轴，因不同的生产批量，就有不同的工艺过程及工序，如表2-1与表2-2(动画)所示。安装工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。如表2-2中的第2、3及5工序中，须经过两次安装才能完成其工序的全部内容。工位当采用多工位夹具或多轴（多工位）机床时，使工件在一次安装中先后经过若干个不同位置顺次进行加工。则工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。图2-4是通过立轴式回转工作台使工件变换加工位置的例子。在该例中，有4个工位，可在一次安装中实现钻孔、扩孔和绞孔加工。如果一个工序只有一次安装，该安装又只有一个工位，则工序内容就是安装内容，同时也是工位内容。工步是指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序内容。按照此定义，带回转刀架的机床（如转塔车床）或带自动换刀装置的机床（如加工中心），当更换不同刀具时，即使加工表面不变，也属不同工步。在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步（图2-5）。采用复合工步可以提高生产效率。走刀每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。思考题2-1表2-1所示阶梯轴单件生产工艺过程中的第1工序，包括几次安装？每次安装中有几个工步？2.1.2机械装配工艺过程机械装配过程是指将组成机器的全部零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程。图2-6所示为一钻夹具的装配过程。机械装配工作包括：组装、部装、总装、调试、检验、平衡、试车、涂装与包装等工作。机械装配过程由一系列的工序、工步和操作组成。装配工序是指在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作。装配工步是装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变。装配操作是指装配工步中各个装配动作。2.1.3生产类型及其工艺特点生产纲领企业根据市场要求和自身能力决定生产计划。在计划期内应当生产的产品数量称为生产纲领。计划期通常为一年，零件的年生产纲领N按下式计算：N=Qn（1+%+%）（2-1）式中Q-产品年产量（件/年）；n-每台产品中该零件数量（件/台）；-备品率；-废品率。生产类型生产类型是指企业（或车间）生产专业化程度的分类。主要根据产品的生产纲领，并考虑产品的体积、重量和其他特征，生产类型一般可分成：单件小批量生产、成批生产和大批大量生产。目前，常规的机械制造工艺基本上是在批量法则之下组织生产活动的，不同的生产类型有着不同的工艺特点，如表2-3所示。2.2机械加工方法学习要点：了解零件制造工艺方法成形法、累加法和去除法；掌握机械加工方法轨迹法、成形法、相切法和展成法；熟悉零件常见表面（外圆、孔、平面、螺纹、齿面）的机械加工方法；掌握切削加工中的运动、切削用量与切削层截面参数。2.2.1零件制造工艺方法的分类根据零件制造工艺过程中原有物料与加工后物料在重量（或质量）上有无变化及变化的方向（增大或减少），可将零件制造工艺方法分为三类：材料成形法，材料去除法和材料累加法。材料成形法特点是进入工艺过程的物料，其初始重量等于（或近似等于）加工后的最终重量。常用的材料成形法有铸造、锻压、冲压、粉末冶金、注塑成形等，这些工艺方法使物料受控地改变其几何形状，多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法特点是零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。根据工件形态的变化过程和能源作用的形式，材料去除法又可分为四种类型，见表2-4。材料去除法是目前机械零件的主要制造方法。材料累加法传统的累加方法主要是焊接、粘接或铆接，通过这些不可拆卸的连接方法使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体，见图2-7。图2-8所示为切纸型快速成形机床工作原理示意图。请观看快速成形机床工作原理及加工过程演示（视频2-1）快速原型制造技术彻底摆脱了传统的去除方法的束缚，它采用了全新的增长方法（见图2-10），并将复杂的三维加工分解为简单的二维加工的组合。快速原型制造技术的精华在于快速，它直接由CAD模型驱动，采用分层制造的方法，是对传统零件成形方法的一次革命。虽然，目前快速原型制造方法还主要用于制造产品样品和模具，但可以预见其应用将不断扩大。2.2.2零件表面的切削加工成形方法零件表面的生成零件表面可看成是一条母线沿着另一条导线运动的轨迹。母线与导线统称为形成表面的生线。切削加工时，具体实现这两根生线的是刀具的切削刃与工件的相对运动，并通过此运动将工件的表面切削成形。图2-11中，可将直线或曲线1视为母线，将绕O-O轴心旋转所形成的圆或按一定方向移动所形成的直线（或曲线）2视为导线。需要指出的是：虽然母线相同，导线也相同，但若两者间原始相对位置不同，则所形成的表面也就不同，如图2-11中b）及c)。在某些情况下，母线、导线没有严格的区分，特别是对于自由曲面（图2-11f）更是如此。不同的加工运动、不同的切削刀刃形状，形成生线的方式不同，形成零件表面的方法也不同，可归纳为以下四种表面成形方法。1）轨迹法工件表面的生线（母线和导线）均由轨迹运动生成（图2-12）。2）成型法工件的一条生线是通过刀刃的形状直接获得的（图2-13）。3）相切法工件的一条生线是刀刃运动轨迹的包络线（图2-14）。4）范成法又称展成法，其工件的一条生线也是刀刃运动轨迹的包络线，且包络线需通过刀具与工件之间的范成运动来生成（图2-15）。各种形式的齿轮、链轮大多数采用范成法加工。2.2.3切削加工的成形运动在切削和磨削加工中，工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。按照在切削过程中所起的作用，切削运动可分三类：1）主运动直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以表示，称作切削速度。2）进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动的速度用进给量f或进给速度vf表示。切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。其合成速度。3）定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成，还可以由刀具和工件共同来完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动（平动），也可以是回转运动（转动），还可以是平动和转动的复合运动。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。在加工中，工件上出现三个不断变化着的表面：待加工表面-即将被切除切削层的表面；加工表面-切削刃正在切削着的表面；已加工表面-已经切去切屑形成的新表面。（如图2-16）2.2.4典型表面加工方法外圆表面加工方法表2-5列出了一些常用的外圆表面加工方法。表中T表示平动，R表示转动，T/R表示平动与转动的复合运动。实线箭线表示主运动，虚线箭线表示进给运动，点划线箭线表示调整运动。1）车削外圆表面加工中，车削应用最为广泛。通常，工件通过夹具安装在车床主轴上，并与车床主轴一起回转，形成主运动。刀具安装在刀架上，与纵溜板一起作平行于主轴回转轴线的直线进给运动，形成圆柱面；或作与主轴回转轴线成一定角度的的直线进给运动，形成圆锥面；或沿靠模曲线运动，形成回转曲面。2）成形车削用成形车刀车削外圆通常采用径向进给方式，少数也有采用切向进给方式的。成形车削多用于自动车床上的小件加工。3）旋转拉削工件旋转，拉刀沿切向作直线进给运动，完成外圆加工。旋转拉削是一种高生产率的加工方式，适用于大批量生产。4）研磨工件回转，研具沿工件轴向作往复直线进给运动。研磨属零件表面光整加工，材料去除量很小。5）铣削外圆刀具与工件均作回转运动（刀具运动为主运动，工件运动为进给运动），可用于加工长度较短、具有不完整圆柱形的表面。6）成形外圆磨（横磨）运动形式与铣削外圆相同，多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工。7）普通外圆磨砂轮回转运动为主运动，工件进给运动包括转动和移动。多用于黑色金属、特别是淬硬钢外圆表面的精加工。8）无心磨工件放在砂轮和导轮之间，砂轮高速回转进行磨削，导轮低速回转，带动工件旋转并作轴向移动，实现进给运动。无心磨生产率高，适用于大批量生产。9）车铣加工这是一种新的加工方法。加工偏心零件外圆表面时，由于零件不能高速旋转，采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力。此时若采用端铣刀铣外圆，不仅可以获得高的切削效率，且可保证可靠的断屑。车铣时，端铣刀与工件互相垂直布置。通过改变工件转速、轴向进给和切深，可在工件上车铣出不同的形状。由于其运动模型较复杂，需采用计算机进行数据处理和加工过程仿真。10）滚压加工通过自由旋转的磙子对工件表面均匀施加压力，使被滚压表面得到强化，并形成表面残余压应力，表面粗糙度也得到减小。滚压加工还常用来成形表面花纹。内圆表面加工方法表2-6列出了几种常用的内圆表面加工方法。1）钻孔通常用于在实心材料上加工直径0.550mm的孔。钻孔加工有不同的运动形式：在钻床或镗床上加工，主运动和进给运动均由刀具完成；在车床上钻孔，主运动由工件完成，进给运动由刀具完成；在组合机床上加工时，刀具完成主运动，进给运动或由工件完成，或由刀具完成。钻孔刀具有麻花钻、扁钻、深孔钻及中心钻等。2）扩、铰孔扩、铰孔是孔加工的中间或终结工序，其成形运动与钻孔相似。3）镗孔一般刀具的回转运动为主运动，刀具或工件的作直线进给运动。镗孔加工可在镗床上进行，也可在车床、铣床、组合机床或加工中心上进行。4）拉孔利用多刃刀具，通过刀具相对于工件的直线运动完成加工工作。可以拉圆柱孔、花键孔、成形孔等，是一种高生产率的加工方法，多用于大批量生产。5）挤孔可以用挤刀挤孔，也可以用钢球挤孔。挤孔在获得尺寸精度的同时，可使孔壁硬化，使被加工孔表面粗糙度降低。6）磨孔是高精度、淬硬内孔的主要加工方法，其基本加工方式有内圆磨削、无心磨削和行星磨削。平面加工平面加工方法有刨、铣、磨、车、研等，见表2-7。1）刨平面对于牛头刨床，刨刀的直线运动为主运动，进给运动通常由工件完成；对于龙门刨床，工件的直线往复运动为主运动，进给运动通常由刀具完成。目前，牛头刨床已逐渐被各种铣床所代替，但龙门刨床仍广泛用于大件的平面加工。宽刃精刨工艺在一定条件下可代替磨削或刮研工作。2）插削是内孔键槽的常用加工方法，其主运动通常为插刀的直线运动。3）铣平面有周铣和端铣两种形式。端铣刀由于刀盘转速高，刀杆刚性好，可进行高速铣削和强力铣削。4）磨削平面也可以分圆周磨和端面磨两大类。圆周磨由于砂轮与工件接触面积小，磨削区散热排屑条件好，加工精度较高；端面磨允许采用较大的磨削用量，可获得高的加工效率，但加工精度不如圆周磨。平面磨削一般作为精加工工序，安排在粗加工之后进行。由于缓进给磨削的发展，毛坯也可直接磨削成成品。5）车（镗）平面在车床上车平面时，工件的回转运动是主运动，刀具作垂直于主轴回转轴线的进给运动。镗平面时，主运动和进给运动均由刀具来完成。6）拉平面平面拉刀相对于工件作直线运动，实现拉削加工。平面拉削是一种高精度和高效率的加工方法，适用于大批量生产。螺纹加工表2-8列出了几种常用的螺纹加工方法。1）车螺纹螺纹车刀结构简单，通用性好，可用于加工各种尺寸、形状和精度的内外螺纹。但加工效率较低，多用于单件小批生产。2）攻螺纹和套螺纹用丝锥攻螺纹和用板牙套螺纹常用于加工精度要求不高的标准内、外螺纹。3）盘形铣刀铣螺纹主要用于加工大螺距的梯形螺纹及蜗杆。4）梳形铣刀铣螺纹梳形螺纹铣刀相当于若干把盘形铣刀的组合，一般在专用的螺纹铣床上加工短而螺距不大的内、外螺纹。5）旋风铣螺纹利用装在特殊旋转刀盘上的硬质合金刀头进行内、外螺纹的高速铣削，是一种高效率的加工方法。6）磨螺纹是一种高精度的螺纹加工方法，主要用于加工外螺纹。7）滚压螺纹是一种高效率的螺纹加工方法。它利用压力加工方法使金属材料产生塑性变形以形成螺纹，所用工具有滚丝轮和搓丝板。齿形加工方法齿形有多种形式，其中以渐开线齿形最为常见。渐开线齿形常用的加工方法有两大类，即成形法和展成法，见表2-9。1）铣齿采用盘形模数铣刀或指状铣刀铣齿属于成形法加工，铣刀刀齿截面形状与齿轮齿间形状相对应。此种方法加工效率和加工精度均较低，仅适用于单件小批生产。2）成形磨齿也属于成形法加工，因砂轮不易修整，使用较少。3）滚齿属于展成法加工，其工作原理相当于一对螺旋齿轮啮合。齿轮滚刀的原型是一个螺旋角很大的螺旋齿轮，因齿数很少（通常齿数z=1），牙齿很长，绕在轴上形成一个螺旋升角很小的蜗杆，再经过开槽和铲齿，便成为了具有切削刃和后角的滚刀。4）剃齿在大批量生产中剃齿是非淬硬齿面常用的精加工方法。其工作原理是利用剃齿刀与被加工齿轮作自由啮合运动，借助于两者之间的相对滑移，从齿面上剃下很细的切屑，以提高齿面的精度。剃齿还可形成鼓形齿，用以改善齿面接触区位置。5）插齿插齿是除滚齿以外常用的一种利用展成法的切齿工艺。插齿时，插齿刀与工件相当于一对圆柱齿轮的啮合。插齿刀的往复运动是插齿的主运动，而插齿刀与工件按一定比例关系所作的圆周运动是插齿的进给运动。6）展成法磨齿展成法磨齿的切削运动与滚齿相似，是一种齿形精加工方法，特别是对于淬硬齿轮，往往是唯一的精加工方法。展成法磨齿可以采用蜗杆砂轮磨削，也可以采用锥形砂轮或碟形砂轮磨削。2.2.5切削用量与切削层截面参数切削用量包括：切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）和背吃刀量（或切削深度)ap。切削速度vc主运动速度即为切削速度。当主运动为旋转运动时，刀具或工件以最大直径处的切削速度来计算，如下式：（2-2）式中n-主运动转速（r/s）；d-刀具或工件的最大直径（mm）。若主运动为往复运动时，其平均速度为：（2-3）式中nr-主运动每秒钟往复次数（str/s）；l-往复运动行程长度（mm）。进给量f进给量f是指工件或刀具每转一周时（或主运动一循环时）,两者沿进给方向上相对移动的距离，其单位为mm/r。车削时，工件转速n、进给速度vf与进给量f间有下式的关系：（2-4）背吃刀量ap背吃刀量ap是指主刀刃与工件切削表面接触长度，在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。在主运动和进给运动作用下，工件上将有一层多余的材料被切除，这层多余的材料称为切削层。切削层在垂直于主运动方向上的断面称为切削层截面。图2-17所示为纵车外圆的情况，进给量f和背吃刀量ap是切削层截面上的两个工艺参数。而另外两个物理参数：切削厚度hD和切削宽度bD，称为切削层截面参数。切削厚度hD切削厚度即切削层的厚度，它是垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。的大小能反映切削刃单位长度上工作负荷的大小。由图可知：（2-5）切削宽度bD切削宽度即切削层的宽度，它是沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。的大小影响刀具的散热情况。由图可得：（2-6）公式（2-5）及（2-6）建立了切削层截面的工艺参数与物理参数的换算关系。式中kr为车刀主偏角（参考2.6.3节）。当工艺参数进给量f与背吃刀量ap确定后，主偏角kr越大，则切削厚度hD也越大，但切削宽度bD却越小。显然，当kr=90时：hD=f，bD=ap（图2-17c）。2.3基准与装夹学习要点：掌握基准的概念，深刻理解设计基准、工艺基准（包括工序基准、定位基准、装配基准和测量基准）的含义及其相互之间的关系；掌握装夹的概念及三种装夹方法的特点。2.3.1基准基准的概念工件是个几何形体，它由一些几何元素（如点、线、面）所构成。工件上任何一个点、线、面的位置总是要用它与另外一些点、线、面的相互关系（如尺寸距离、平行度、垂直度、同轴度等）来确定。将用来确定加工对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。按照其作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准在设计图样上所采用的基准称为设计基准。如图2-18所示的箱体零件，顶面B的设计基准为底面A（尺寸H）；孔I的设计基准为底面A与角尺面C（尺寸X1、Y1）；孔的设计基准为底面A孔I的中心（尺寸Y2、R1）；孔的设计基准为孔I与孔的中心（尺寸R2、R3）。设计人员是从零件的工作性能要求出发而确定设计基准的。图2-18中孔I与孔、孔之间，孔与孔之间均有齿轮啮合传动关系。为保证齿侧啮合间隙量，孔采用了孔I中心作设计基准，孔采用了孔I与孔的中心作为的设计基准。图2-18箱体零件简图思考题2-2试指出图2-19所示零件的设计基准。工艺基准工艺基准是指在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。1）工序基准工序基准是在工序图上用来确定本道工序所加工的表面加工后位置尺寸和位置关系的基准。工序基准的选择应主要考虑如下两个方面的问题：尽可能用设计基准作工序基准。当采用设计基准为工序基准有困难时，可另选工序基准，但必须可靠地保证零件的设计尺寸和技术要求。所选工序基准应尽可能用于工件的定位和工序尺寸的检查。2）定位基准定位基准是加工中用作定位的基准。定位基准可进一步分为粗基准、精基准和附加基准。粗基准使用未经机械加工的表面作定位基准，称为粗基准。精基准使用已经机械加工的表面作定位基准，称为精基准。附加基准仅仅是为了机械加工工艺需要设计的定位基准，称为附加基准。例如，轴类零件常用的顶尖孔，某些箱体零件加工所用的工艺孔，支架类零件用到的工艺凸台（图2-20）等都属于附加基准。3）测量基准零件测量时所采用的基准，称为测量基准。4）装配基准装配时用来确定零件或部件在机器中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。装配基准一般与零件的主要设计基准相一致。2.3.2工件的装夹装夹的概念在机械加工时，工件在机床上或者夹具中需装夹好以后才能进行加工。装夹应实现两个方面：定位与夹紧。1）定位使工件在机床上或夹具中占有某一个正确的位置。2）夹紧对工件施加一定的外力，使工件在加工过程中保持定位后的正确位置不变动。装夹方式工件在机床上的装夹方式，取决于生产批量、工件大小及复杂程度、加工精度要求及定位的特点等。主要装夹形式有三种：直接找正装夹、划线找正装夹和夹具装夹。1）直接找正装夹将工件装在机床上，然后按工件的某个（或某些）表面，用划针或用百分表等量具进行找正，以获得工件在机床上的正确位置。直接找正装夹效率较低，但找正精度可以很高，适用于单件小批生产或定位精度要求特别高的场合（图2-21）。2）划线找正装夹这种装夹方法是按图纸要求在工件表面上事先划出位置线、加工线和找正线，装夹工件时，先按找正线找正工件的位置，然后夹紧工件（图2-22）。划线找正装夹不需要专用设备，通用性好，但效率低，精度也不高，通常划线找正精度只能达到0.10.5mm。此方法多用于单件小批生产中铸件的粗加工工序。3）使用夹具装夹使用夹具装夹，工件在夹具中可迅速而正确的定位和夹紧（图2-23）。这种装夹方式效率高、定位精度好而可靠，还可以减轻工人的劳动强度和降低对工人技术水平的要求，因而广泛应用于各种生产类型。2.4定位原理学习要点：定位是机械加工中一个极为重要的问题。学习本节要深刻理解和牢固掌握定位原理，熟知常用的定位方法。深刻理解欠定位与过定位的概念，能正确分析和处理有关欠定位与过定位的问题。深刻理解定位误差的概念，能正确计算定位误差。2.4.1六点定位原则六点定位任何一个位置尚未确定的工件，均具有六个自由度，即沿空间三个直角坐标轴X、Y、Z方向的移动与绕它们的转动，分别以、表示。要使工件在机床夹具中正确定位，必须限制或约束工件的这些自由度。如图2-24中所示，采用六个定位支承点合理布置，使工件有关定位基面与其相接触，每一个定位支承点限制了工件的一个自由度，便可将工件六个自由度完全限制，使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原则。两点说明：1）机械加工中关于自由度的概念与力学中自由度的概念不完全相同。机械加工中的自由度实际上是指工件在空间位置的不确定性。这里特别要注意将定位与夹紧的概念区分开来。工件一经夹紧，其空间位置就不能再改变，但这并不意味着其空间位置是确定的。例如，图2-25所示板状工件安放在平面磨床的磁性工作台上，扳动磁性开关后，工件即被夹紧，其位置就被固定。但工件放在工作台什么位置上并不确定，既可以放在1的位置上（图中实线所示），也可以放在2的位置上（图中虚线所示），也即工件的、和三个自由度未被限制。2）六点定位原则中点的含义是限制自由度，不要机械地理解成接触点。例如，图2-25所示板状工件安放工作台上限制了3个自由度，是三点定位。实际上，工件与工作台面接触点可能有多个。典型定位元件的定位分析在实际生产中，工件总是通过定位元件实现其在夹具或机床上的定位。定位元件有多种形式，常用的有支承钉、支承板、定位销、定位套、心轴、V型块等，其中多数已标准化。表2-10给出一些典型定位元件的定位分析，请读者特别注意其限制的自由度。多个表面定位分析在多个表面同时参与定位的情况下，各定位表面所起的作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面（如图2-24工件底面A），称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面（如图2-24工件侧面B），称定位点数为1的表面为第三定位基准面或止动面（如图2-24工件端面C）。在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面（或定位元件）很重要。如表2-10中工件以孔在固定锥销与浮动锥销上的定位一例，应首先确定固定锥销限制的自由度，他们是、。然后再分析浮动锥销限制的自由度。孤立地看，浮动锥销限制、两个自由度，但与固定锥销一起综合考虑，它实际限制的是自由度和。完全定位与不完全定位工件定位时6个自由度完全被限制，称为完全定位。工件定位时6个自由度中有1个或1个以上自由度未被限制，称为不完全定位。图2-34a所示为铣削长方体工件上平面工序，要求保证Z方向上的高度尺寸及上平面与底面的平行度，只需限制、3个自由度即可。而图2-34b所示为铣削一个通槽，需限制除了外的其他5个自由度。图中c所示在同样的长方体工件上铣削一个键槽，在三个坐标轴的移动和转动方向上均有尺寸及相互位置的要求，因此，这种情况必须限制全部的6个自由度，即完全定位。若将图2-34中的e与b相比较，图e为圆柱体的工件，而图b为长方体工件。虽然，它们均是铣一个通槽，加工内容、要求相同。但是，加工定位时，图b的定位基面是一个底面与一个侧面，而图e只能采用外圆柱面作为定位基面。因此，图e对于的限制就无必要，则限制4个自由度就可以了。再如图2-34d所示过球体中心打一通孔，定位基面为球面，则对三个坐标轴的转动自由度均无必要限制，所以，限制、2个移动就够了。若将图2-34的f与e对照：均是在圆柱体工件上铣通槽，但图f的加工要求增加了一条，被铣通槽与下端槽需对中。虽然，它们的定位基面仍是外圆面，但图f需增加对自由度的限制，共需限制5个自由度才正确。2.4.2欠定位与过定位欠定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装位，因而是不允许的。图2-35为在铣床上加工长方体零件台阶面的两种定位方案。为保证尺寸B和H，需限制除以外的5个自由度。若采用图a的定位方式，只能限制、3个自由度，属欠定位，无法保证尺寸B。在图b中，加入一块支承板后，除以外的5个自由度均被限制，尺寸B和H可以得到保证。过定位如果工件的某一个自由度被定位元件重复限制，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定。通常，如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。合理的过定位起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。过定位实例分析之一图2-36所示为加工连杆小头孔工序中以连杆大头孔和端面定位的两种情况。图b中，长圆柱销限制了、4个自由度，支承板限制了、3个自由度。显然、被2个定位元件重复限制，出现了过定位。如果工件孔与端面垂直度保证很好，则此过定位是允许的。但若工件孔与端面垂直度误差较大，且孔与销的配合间隙又很小时，定位后会造成工件歪斜及端面接触不好的情况，压紧后就会使工件产生变形或圆柱销歪斜。结果将导致加工后的小头孔与大头孔的轴线平行度达不到要求。这种情况下应避免过定位的产生。最简单的解决办法是将长圆柱定位销改成短圆柱销（图a所示），由于短圆柱销仅限制、2个移动自由度，、的重复定位被避免了。过定位实例分析之二图2-37所示工件以底平面定位，要求限制3个自由度、。图a采用了4个支承钉，属过定位。若工件定位面较粗糙，则该定位面实际只能与3个支承钉接触，造成定位不稳定。如施加夹紧力强行使工件定位面与4个支承钉均接触，则必然导致工件变形而影响加工精度。为避免过定位，可将支承钉改为3个。也可将4个支承钉中的1个改为辅助支承，辅助支承只起支承作用而不起定位作用。如果工件的定位面是已加工面，且很规整，则完全可以采用4个支承钉，而不会影响定位精度，反而能增强支承刚度，有利于减小工件的受力变形。此时，还可用支承板代替支承钉（如图b所示），或用一个大平面代替支承钉（如平面磨床的磁性工作台）。过定位实例分析之三图2-38所示工件以底面及与其垂直的两圆柱孔为定位基准。若采用一个平面和两个短圆柱销定位（如图a所示），则平面限制3个自由度、，短圆柱销1限制2个自由度、，短圆柱销2限制2个自由度、。其中自由度被重复限制，属过定位。此时，由于工件孔心距的误差和两定位销中心距的误差，可能导致两定位销无法同时进入工件孔内。为解决这一过定位问题，可将两定位销之一在定位干涉方向（Y向）上削边，做成菱形销（图b），以避免干涉。另外，过定位还常常与夹紧力的作用方向有关。例如，表2-10长销小平面组合定位的情况，若夹紧力作用在工件右端面而指向定位小平面，则属于过定位。实际上在这种情况下，定位平面接触面积虽小，但呈环形，相当于较大的平面。但若夹紧力的方向作用于定位孔的径向（如采用可涨心轴），则不存在过定位。此时即使采用较大平面也无妨。思考题2-3图2-23所示夹具中，有无过定位？若有过定位，是否允许？为什么？思考题2-3答案心轴限制4个自由度，大端面限制3个自由度，其中和（心轴轴向方向为Z方向）被重复限制，属于过定位。这种过定位是允许的，而且是必要的，为的是加强刚性。但前提是必须保证齿轮坯的孔与端面垂直。思考题2-4答案齿轮以孔及小端面定位，由于小端面与心轴端面成环形接触，是3点定位；而心轴与孔配合，是4点定位，其中和（心轴轴向方向为Z方向）被重复限制，属过定位。又夹紧力垂直于端面，若孔与小端面存在垂直度误差，则夹紧后会使孔轴线与心轴轴线不同轴。在这种情况下加工大端面，将会使大端面与孔轴线不垂直。解决办法是采用可胀心轴或在端面处加球面垫圈（图2-40）。思考题2-4齿轮毛坯在端面心轴上定位（心轴与孔为间隙配合）车削大端面，如图2-39所示。车削后发现大端面与孔同轴度超差，试分析其原因，并提出解决办法。2.4.3定位误差定位误差的概念定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。例如在一根轴上铣键槽，要求保证槽底至轴心的距离H。若采用V型块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置，如图2-41所示。则实际加工时，由于工件外圆直径尺寸有大有小，会使外圆中心位置发生变化。若不考虑加工过程中产生的其它加工误差，仅由于工件圆心位置的变化而使工序尺寸H也发生变化。此变化量（即加工误差）是由于工件的定位而引起的，故称为定位误差。定位误差的来源1）由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。例如图2-39所示例子，其定位误差就是由于工件定位面（外圆表面）尺寸不准确而引起的。2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。例如，图2-42所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸b的误差会使工件顶面位置发生变化，从