《机械制造工艺学》二版王先奎机械制造工艺学chPPT课件

1 第一章绪论 第四节工件加工时的定位及基准 2 第四节工件加工时的定位及基准 一 工件的定位二 基准 3 一 工件的定位 1 工件的装夹2 定位原理 4 装夹有两个含义 即定位和夹紧 定位是指确定工件在机床或夹具中占有正确位置的过程 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位置不变的操作 1 工件的装夹 5 定位 双联齿轮2的内孔套在心轴3上将大齿轮端面靠在靠4垫上 夹紧 螺母1将双联齿轮2它固紧在靠垫4上 6 装夹有三种主要的方法 1 夹具中装夹2 直接找中装夹3 划线找正装夹 7 工件的定位过程可以由操作工人直接在机床上利用千分表 划线盘等工具 找正某些有相互位置要求的表面 然后夹紧工件 称之为直接找正装夹 直接找正装夹效率低 但找正精度可以很高 适合于单件小批量生产或在精度要求特别高的生产中使用 1 直接找正装夹 8 9 按图纸要求在工件表面上划出位置线以及加工线和找正线装夹工件时 先在机床上按找正线找正工件的位置 然后夹紧工件 划线装夹不需要其它专门设备 通用性好 但生产效率低 精度不高 一般划线找正的对线精度为0 1mm左右 适用于单件 中小批生产中的复杂铸件或铸件精度较低的粗加工工序 2 划线找正装夹 10 为保证加工精度要求和提高生产率 通常多采用夹具装夹 用夹具装夹工件 不再需要划线对找正 直接由夹具来保证工件在机床上的正确位置 并在夹具上直接夹紧工件 一般情况下操作比较简单 也比较容易保证加工精度要求 在各种生产类型中都有应用 3 夹具装夹 11 2 定位原理 1 六点定位原理2 工件的实际定位3 定位完全和不完全定位4 欠定位和过定位5 定位分析方法 12 一个物体在空间可以有六个独立的运动 在直角座标系中分别为3个平移运动和3个转动 习惯上 把上述6个独立运动称作六个自由度 1 六点定位原理 13 支承钉 在实际应用中 常把接触面积很小的支承钉看作是约束点 14 六点定位原理 一个物体在空间可以有六个独立的运动 若采用6个按一定规则布置的约束点 就可以限制工件的6个自由度 实现完全定位 称为六点定位原理 15 定位元件的种类 支承钉 支承板 长销 短销 长V形块 短V形块 长定位套 短定位套 固定锥销 浮动锥销等 注意 定位元件所限制的自由度与其大小 长度 数量及其组合有关长短关系 大小关系 数量关系 组合关系 2 工件的实际定位 22 根据工件加工面的位置度 包括位置尺寸 要求 需要6个根据工件加工面的位置度 包括位置尺寸 要求自由度全部被限制的定位 称作完全定位根据工件加工面的位置度 包括位置尺寸 要求 仅需要限制1个或几个 少于6个 自由度的定位 称作不完全定位 3 完全定位和不完全定位 23 a Z方向移动自由度 球体铣平面 b x y方向移动自由度 球体钻通孔 24 c X Y方向转动自由度 Z方向移动自由度 长方体上通铣平面 25 d X Z方向移动自由度 X Z方向转动自由度 轴上通铣键槽 26 e X Z方向移动自由度X Y Z方向转动自由度 长方体上铣通槽 27 e X Y Z方向移动自由度X Y Z方向转动自由度 长方体上铣不通槽 28 注意 有时为了使定位元件帮助承受切削力 夹紧力或为了保证一批工件的进给长度一致 常常对无位置尺寸要求的自由度也加以限制 29 A 欠定位根据工件加工面位置尺寸要求必须限制的自由度没有得到全部限制 或者说在完全定位和不完全定位中 约束点不足 这样的定位称为欠定位 欠定位是不允许的 4 欠定位和过定位 30 加工槽 有尺寸A和B的要求 欠定位 31 32 B 过定位工件在定位时 同一个自由度被两个或两个以上约束点约束 这样的定位被称为过定位 或称定位干涉 不允许 如果工件的定位面为没有经过机械加工的毛坯面 或虽经过了机械加工 但仍然很粗糙 这时过定位是不允许的 允许 如果工件的定位面经过了机械加工 并且定位面和定位元件的尺寸 形状和位置都做得比较准确 比较光整 则过定位不但对工件加工面的位置尺寸影响不大 反而可以增强加工时的刚性 这时过定位是允许的 33 过定位例 34 过定位例 35 过定位例 36 过定位例 球面垫圈 37 在讨论工件定位的合理性问题时 主要应研究的三个问题 1 满足加工工件的需求 研究满足工件加工面位置度要求所必须限制的自由度2 从加工的角度分析 从承受切削力 设置夹紧机构以及提高生产率的角度分析在不完全定位中还应限制哪些自由度3 欠 过定位问题 在定位方案中 是否有欠定位和过定位问题 能否允许过定位的存在 38 5 定位分析方法 1 总体分析法从工件定位的总体来分析限制了那些自由度 2 分件分析法分别从各个定位面的所受约束来分析所限制的自由度 图1 25定位分析方法 39 设计定位方案时的考虑因素1 根据加工面的尺寸 形状和位置要求确定所需限制的自由度 2 利用总体分析法和分件分析法来分析是否有欠定位和过定位 若有过定位 应分析是否允许 3 从承受切削力 夹紧力 重力 以及为装夹方便 易于加工尺寸调整等角度考虑 在不完全定位中是否应有附加自由度的限制 40 基准是机械制造中用来确定生产对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点 线或面从设计和工艺两个方面看基准 可把基准分为两大类 基准 设计基准 工艺基准 二 基准 41 设计者在设计零件时 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的相互位置关系 确定标注尺寸 或角度 的起始位置 这些尺寸 或角度 的起始位置作设计基准 设计图上所采用的基准就是设计基准 设计基准可以是点 也可以是线或者面 一 设计基准 42 43 44 零件在加工工艺过程中所采用的基准称为工艺基准 工艺基准又可进一步分为 工序基准 定位基准 测量基准和装配基准 工艺基准 工序基准 定位基准 测量基准 装配基准 粗基准 精基准 附加基准 二 工艺基准 45 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 1 工序基准 作为基准的点 线 面在工件上不一定能具体找到 而是由某些具体表面来体现 这些表面可称为基面 46 在设计工序基准时 主要应考虑如下三个方面的问题 1 应尽量用设计基准作为工序基准 2 工序基准应尽可能用于工件的定位和工序尺寸的检查 3 当采用设计基准为工序基准有困难时 可另选工序基准 但必须可靠的保证零件设计尺寸的技术要求 工序基准或者定位基准与设计基准不重合 则需要计算 三个方面的问题 47 概念 在加工时用于工件定位的基准 称为定位基准定位基准是获得零件尺寸的直接基准 占有很重要的地位 2 定位基准 粗基准 定位基准未经加工 毛坯的加工 精基准 定位基准经过机械加工附加基准 根据机械加工需要而专门设计的定位基准 顶尖孔 斜面上增加的圆柱 48 加工大端外圆时 49 加工大端侧平面标注方式不一样 50 在加工中或加工后用来测量工件的形状 位置和尺寸误差 测量时所采用的基准 称为测量基准 3 测量基准 51 52 4 装配基准 在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准 称为装配基准 图例 53 54 在分析基准问题 特别是工艺基准问题时 有几点值得注意 1 作为基准的点 线 面在工件上不一定能具体找到 而是由某些具体表面来体现 这些表面可称为基面 55 56 2 作为基准可以是几何意义上的点和线 无面积 及很小的面例如1 代表轴心线的中心孔是锥面 例如2 用V形块支承轴颈实现定位 理论上是两条线 但由于弹性变形 实际上具有一定接触面积 3 表面角度位置精度 平行度 垂直度等 的关系也是一样 也都具有基准关系 图中 面对外圆柱面 面 的平行度 是以 面为基准的 57 工件在机床上的定位实际上包括工件在夹具上的定位和夹具在机床上的定位两个方面 这里只讨论工件在夹具上的定位问题 即着重讨论具体的定位方法与定位元件以及定位误差的分析计算 三 工件在夹具上的定位及定位误差计算 58 设计夹具时 必须根据工件的加工要求和已确定的定位基面 选择定位方法及定位元件并分析定位精度 1 工件以平面定位 一 工件的定位方法及基准位置误差 59 两种类型 未经机械加工的平面定位已经机械加工的平面定位1 定位元件的布置在机械加工中 对于箱体 床身 机座等零件 常选择平面作为定位基面 实现工件以平面的定位元件有支承钉和支承板 定位示意图如下 1 工件以平面定位 60 61 在用一组基面定位时 习惯上把限制自由度最多的定位基面称第一定位基面 依次就是第二 第三定位基面 或者分别称为主要定位基面 导向基面和止推基面 这三个基面的选择及其定位元件的布置 一般应遵守下述原则 62 A 主要定位基面 第一定位基面 应该是 工件上最大且较精确的平面 在主要定位基面范围内布置的支承钉或支承板等定位元件 应能限制三个自由度 由各支承元件构成的支承面 其面积应尽可能大 粗基准不选用支承平板作定位元件 63 B 导向基面 第二定位基面 应选择工件上窄长的平面 一般布置两个定位支承 限制二个自由度 为了提高导向精度 两个定位支承相距应尽量远 C 止推基面 第三定位基面 一般选面积较小的面 布置一个定位支承 限制一个自由度 64 2 支承元件的结构形式一般常用的支承元件 按其在定位中的作用分为 主要支承和辅助支承 1 主要支承主要支承是指能起限制工件自由度作用的支承 它可分为 固定支承 可调支承和自位支承 65 A 固定支承属于固定支永的定位元件有支承钉和支承板 B 可调支承即支承的高度尺寸在一定范围内可以进行调整 C 自位支承 浮动支承 自位支承是指支承本身的角向位置在工件定位过程中能随工件定位基面位置变化而自动与之适应 66 A 固定支承属于固定支承的定位元件有支承钉和支承板 67 68 固定支承在安装 直接安装在夹具体的孔中 与孔的配合为 或 夹具体上承托支承头的表面应凸起 以便把各个凸出面一次加工成一个平面夹具体采用通孔安装固定支承平头支承采用安装后一次磨平的方法使支承钉定位平面在一个平面 69 70 B 可调支承即支承的高度尺寸在一定范围内可以进行调整 71 C 自位支承 浮动支承 自位支承是指支承本身的角向位置在工件定位过程中能随工件定位基面位置变化而自动与之适应 72 73 2 辅助支承辅助支承是在一夹具中对工件不起限制自由度作用的支承 它主要用于提高工件的支承刚性 防止工件因受力产生变形 辅助支承不应确定工件在夹具中的位置 因此只有当工件按定位元件定好位以后 再调节辅助支承的位置使其与工件接触 这样每装卸工件一次 必须重新调节辅助支承 74 75 76 3 平面定位时的基准位置误差由于定位副 工件的定位基准和定位元件工作表面 的制造误差 引起同批工件中的定位基准在夹具中的位置的最大变动量 称为基准位置误差 用 jw表示 77 在工件以平面作为主要定位基准定位时 只要定位基面为精基面 夹具上的定位元件工作面 简称定位平面 又处在同一平面上 则定位基面与定位平面接触较好 同批工件中的定位基准的位置基本上是一致的 所以基准位置误差很小 可以忽略不计 当工件以粗基准定位时 由于通常都不以严格的要求来规定此平面的精度 在这种情况下也就没有必要计基准位置误差 因此 在工件以平面作为主要定位基准定位时 jw 0 78 二 工件以孔定位工件以孔为定位基准时 常用的定位元件是各种心轴和定位销 1 间隙配合圆柱心轴为使于工件的装卸 孔与心轴采用间隙配合 因孔 轴之间存在间隙 会产生基准位置误差 其值可按两种情况考虑 1 定位基准孔与心轴任意方向接触 2 定位基准孔与心轴固定边接触 79 80 81 1 定位基准孔与心轴任意接触的基准位置误差当心轴垂直放置 定位孔与心轴可以在任意方向接触时 如图下图所示 当孔径最大而轴径最小时 则定位孔的几何中心 即定位基准 在夹具中位置的变动量为O1O2 即为该种情况下所产生的基准位置误差 用 jw表示 82 83 84 式中Dmax 工件定位孔最大直径 Dmin 工件定位孔最小直径 dmax 定位心轴最大直径 dmin 定位心轴最小直径 TD 工件定位孔直径公差 Td 定位心轴直径公差 xmin 孔与轴间的最小配合间隙 85 86 2 定位基准孔与心轴固定边接触时的基准位置误差当心轴水平放置时 因受重力影响或在夹紧力作用下定位孔只能单向位移而与心轴固定边接触时 如图下图所示 在孔径最大 Dmin TD 轴径最小 dmax Td 的情况下 孔的中心 即定位基准 会下移到处O2 而当孔径最小为Dmin 轴径最大为dmax时 则上移到O1 在两种可能的极限情况下 孔中心位置的最大变动量 即基准位置误差为 87 88 由上可见 由于定位副 定位孔与定位轴 的制造误差 导致产生了基准位置误差 降低了定心精度 89 圆柱心轴极限尺寸的确定方法 根据工件定位基准的基本尺寸 采用公差标准中的基孔制的规定选择间隙配合 如果工序中定位基准尺寸公差不是基孔制的孔时 先将其转换成基孔制的公差形式 再以换算后的基本尺寸按g7 f8确定定位心轴的尺寸公差 90 例如 工件定位基准尺寸为 60H7 600 03 则按g6选得定位心轴得尺寸为 将其转换为入体公差形式为 91 工件定位孔尺寸 g6的心轴尺寸 92 2 过盈配合圆柱心轴圆柱心轴中间的定位部分与工件孔用过盈配合 如图 采用过盈心轴 装卸工件比较费时 但由于孔与轴间无间隙 基准位置误差为零 所以定心精度较高 93 3 圆锥心轴圆锥心轴 如下图 一般具有很小的锥度K 通常K 1 5000 1 1000 对于磨床用的圆锥心轴 其锥度可以更小 如K 1 10000 1 5000 采用圆锥心轴 孔 轴间的间隙得以消除 定心精度较高 可达0 005 0 01mm 94 95 4 定位销 96 5 圆锥销 97 三 工件以外圆柱面定位工件以外圆作为定位基准时 可以在V形块 圆孔 半圆孔 定心夹紧装置中定位 其中最常用的是在V形块中定位 98 1 在V形块中定位定位基准不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面 都可以采用V形块定位 它的最大特点是对中性好 即工件定位外圆的轴线与V形块两斜面对称轴线保证重合 不受定位外圆直径误差的影响 对加工表面与外圆轴线有对称度要求的工件 常采用V形块定位 99 A V形块的结构及安装尺寸 100 101 B 工件以外圆在V形块上定位时的基准位置误差 102 103 104 105 2 在圆柱孔中定位工件以外圆在圆柱孔中定位 与前述的孔在心轴或定位销上定位情况相似 只是外圆与孔的作用正好对换 其定位误差为 106 3 在半圆孔中定位对于工件尺寸较大或定位外圆不便于直接插入定位圆孔时 可用半圆孔定位 采用这种定位方法时 定位元件为切成两半的定位套 其下半部 如下图中件1 固定在夹具体上半部 件2 装在铰链盖板上 前者起定位作用 后者起夹紧作用 107 108 基准位置误差 109 四 工件以特殊表面定位 110 五 工件以一组基准定位1 用一面二孔定位在加工箱体 壳体等类零件时 常用一个平面和两个圆柱孔定位 两个圆柱孔可以是工件结构上原有的 也可以是为定位需要而专门加工的工艺孔 111 1 减小第二定位销的直径这可使孔与销之间的间隙增大 用以补偿中心距的误差 为此 第二定位销的直径可按下述方法计算 假定工件两个孔径最小极限尺寸分别为D1 D2两定位销最大直径分别为d1 d2 销与孔间最小间隙为x1min D1 d1 x2min D2 d2 两定位孔中心距及偏差为L LD 两定位销中心距及偏差为L Ld 112 113 当在一种极端情况下 即两定位基准孔的孔径及孔心距都是最小极限尺寸 而两定位销的直径及销心距都是最大极限尺寸时 仍能保证工件顺利装卸 则由上图所示的几何关系得 114 115 116 117 这种定位方法产生的基准位置误差如下 由于孔与销是属间隙配合 对单个孔来说 各方向基准位置误差即为孔的中心位置变动量 118 两销在X Y方向上的基准位置误差为 119 120 对两孔来说 基准位置误差为两孔连心线相对两销连心线偏转时所造成的转角误差 121 2 将第二定位销作成菱形销 削边销 这是经常采用的一种办法 如图所示 将第二定位销作成菱形 只在垂直于连心线O1O2方向上保留局部圆柱面 其直径的基本尺寸与孔径的相同 公差带按f7或g6选取 这样使得孔与销间的最小间隙减小 从而减小转角误差 122 123 124 125 由于菱形销结构尺寸已标准化 尺寸b可参照标准选取 由上式计算x2min 然后按d2 D2 x2min确定定位销的最大直径 并由h7或h6确定d2的公差 最后计算最大转角误差2 以判断上述设计是否满足加工要求 否则就需要对有关参数作适当调整 126 2 以一面一孔定位 127 一 定位误差及其产生原因同批工件在夹具中定位时 工序基准位置在工序尺寸方向的最大变动量 称为定位误差 以 dw表示 引起定位误差的原因为 1 由基准不重合误差 bc引起的定位误差2 由基准位置误差 jw引起的定位误差 四 定位误差分析 128 1 由 bc引起的定位误差在研究夹具的定位方案中 若工件的工序基准与定位基准不重合 就会导致工序基准相对定位基准的位置产生变动 即产生了基准不重合误差 bc 这对定位误差有直接的影响 bc的数值一般等于定位基准到工序基准间的尺寸 简称定值尺寸 的公差 129 例如 如图所示 图a中工件各面在前工序中都已加工好 现要求铣一通槽 要求保证工序尺寸A B C 其定位方案如图b所示 现分析尺寸B加工时的有关误差 130 131 bc在工序尺寸方向上的分量 投影 即为 bc引起的定位误差 dw bccos 式中 定位尺寸与工序尺寸方向间的夹角 注意 定位尺寸有可能是某一尺寸链中的封闭环 此时应按尺寸链原理计算出该尺寸公差 132 2 由 jw引起的定位误差 jw在工序尺寸方向上的分量 投影 即为 jw引起的定位误差 dw jwcos 式中 基准位