（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青 島 2 66555）

在機(jī)械加工過程中，隨著定位裝置元件和夾緊裝置元件的磨損，加工出的零件尺寸就會出現(xiàn)偏差，這就需要尺寸調(diào)整。由于相關(guān)人員知識的局限性，對機(jī)床的調(diào)整存在盲目性，導(dǎo)致機(jī)床定位元件的錯(cuò)誤更換，同時(shí)增加了測量時(shí)間和停線時(shí)間，造成不必要的停線損失。因此，本文提出用六點(diǎn)定位原理分析機(jī)床夾具的失效模式，從而在工件加工尺寸調(diào)整中，能夠有針對性的對機(jī)床夾具進(jìn)行檢查和調(diào)整，降低無謂的測量和停線時(shí)間。

1 工件定位的基本原理

1.1 六點(diǎn)定位原理

工件的定位就是使一批工件每次放置到夾具中都能占據(jù)同一位置。一個(gè)尚未定位的工件，其位置是不確定的，這種位置的不確定性稱為工件的自由度。將工件假設(shè)為剛體，則其在空間有且僅有6個(gè)自由度，一是沿X、Y、Z軸的移動(dòng)，一是沿X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1示。

圖1 工件的六個(gè)自由度

在工件定位時(shí)，通常是用一個(gè)支承點(diǎn)約束工件的一個(gè)自由度，用合理設(shè)置的六個(gè)支承點(diǎn)約束工件的六個(gè)自由度，這就是六點(diǎn)定位原理。

一面兩銷定位作為六點(diǎn)定位的衍生定位方式，在箱體類零件的加工中有著較為廣泛的應(yīng)用，青島發(fā)動(dòng)機(jī)工廠缸體工段的加工中心夾具，除毛坯面加工的加工中心夾具外，其余機(jī)床夾具都采用此種定位方式，一面兩銷的定位示意圖如圖2示。

圖2 一面兩銷定位示意圖

圖中，底面三個(gè)定位支撐限制沿方向Z的移動(dòng)、X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度，圓柱銷限制沿X方向的移動(dòng)、Y方向的移動(dòng)2個(gè)自由度，菱形銷限制沿Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

1.2 工件定位中的約束分析

運(yùn)用六點(diǎn)定位原理可以分析和判斷夾具中定位結(jié)構(gòu)是否正確，布局是否合理，約束條件是否得到滿足。

根據(jù)工件自由度被約束的情況，工件定位可分為以下幾種類型：

（1）完全定位。完全定位是指工件的六個(gè)自由度不重復(fù)的被全部約束的定位。

（2）不完全定位。根據(jù)工件的加工要求，有時(shí)并不需要完全約束工件的自由度，這樣的定位方式稱為不完全定位。

（3）欠定位。根據(jù)工件的加工要求，應(yīng)該約束的自由度沒有完全被約束的定位稱為欠定位。

（4）過定位。夾具上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的定位元件重復(fù)約束同一個(gè)自由度的現(xiàn)象稱為過定位。

2 六點(diǎn)定位原理在加工尺寸調(diào)整中的應(yīng)用

以工位CBM1060A為例，加工工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

CBM1060A曾經(jīng)發(fā)生過啟動(dòng)電機(jī)安裝孔和啟動(dòng)電機(jī)定位孔位置度超差的質(zhì)量事故，造成此次加工尺寸超差的潛在原因有三個(gè)：

（1）機(jī)床軸發(fā)生傾斜；

（2）機(jī)床夾具夾緊元件失效；

（3）機(jī)床夾具定位元件失效。

2.1 機(jī)床B軸發(fā)生傾斜可能性分析

從三坐標(biāo)測量報(bào)告來看，只有啟動(dòng)電機(jī)定位孔（H230）和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔（H208、H209）位置度超差，前端面各孔位置度都在公差范圍內(nèi)，才可以排除機(jī)床軸偏移的可能性。

2.2 機(jī)床夾緊元件失效的可能性分析

從超差工件的三坐標(biāo)測量報(bào)告可以看出，CBM1060A只是加工的部分尺寸超差，所以排除機(jī)床夾緊元件失效的可能性。

2.3 機(jī)床夾具定位元件失效可能性分析

（1）機(jī)床夾具定位分析

從機(jī)床的上料門方向看，機(jī)床坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 機(jī)床坐標(biāo)系示意圖

圖5 CBM1060A夾具圖

CBM1060A的機(jī)床夾具如圖5，定位元件的功能分析如下：

相對于機(jī)床坐標(biāo)系，則圖中1，2，3三個(gè)定位氣檢塊限制工件沿Y方向的移動(dòng)，沿X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度；4所代表的圓柱銷限制工件沿著X、Z方向的移動(dòng)2個(gè)自由度；5所代表的菱形銷限制工件沿Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

（2）機(jī)床夾具定位元件失效可能性分析

從CMM報(bào)告得知，啟動(dòng)電機(jī)定位孔（H230）和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔（H208、H209）位置度超差主要是沿著機(jī)床坐標(biāo)系X方向超差（因?yàn)槿鴺?biāo)測量儀坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系不一致，下文中都將三坐標(biāo)所測得的數(shù)值轉(zhuǎn)換為在機(jī)床坐標(biāo)系的數(shù)值）：H208機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是180.080 0 mm，實(shí)際值是179.629 mm，偏差0.451 mm；H209機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是225.560 mm，實(shí)際值是225.166 3 mm，偏差0.393 7 mm；H230機(jī)床X方向坐標(biāo)名義值是202.820 0 mm，實(shí)際值是202.397 4 mm，偏差0.422 6 mm。所以，根據(jù)上述對機(jī)床夾具定位方式的分析，可以排除機(jī)床三個(gè)定位氣檢塊失效的可能，但是圓柱銷或者菱形銷失效，都會造成啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔機(jī)床X方向位置度超差。

首先，假設(shè)是圓柱銷失效導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔機(jī)床X方向位置度超差，那么CBM1060A加工的缸體所有尺寸都將沿著機(jī)床X方向偏移，但是從三坐標(biāo)測量報(bào)告可以看出：缸體前端面的孔H101在10.2 mm深的截面，機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是170.000 0 mm，實(shí)際值是170.023 0 mm，偏差0.023 mm；H102在10.2 mm深的截面，機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是37.000 0 mm，實(shí)際值是36.966 1 mm，偏差0.033 9 mm，偏差值都在公差范圍內(nèi)，兩孔的位置度合格，所以，假設(shè)圓柱銷失效是不成立的。通過檢查機(jī)床夾具圓柱銷，沒有發(fā)現(xiàn)圓柱銷有磨損、斷裂、變形等失效現(xiàn)象。

從上述分析可以得知，只有菱形銷失效才能導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔位置度超差，下面分析菱形銷失效導(dǎo)致加工尺寸超差的可能性。

根據(jù)力學(xué)基本原理，剛體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是∑M=0，當(dāng)∑M≠0時(shí)，工件將沿著扭矩大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)粗銑TCB6006啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面時(shí)，忽略其它影響及對本研究無重要影響的作用力，并假定工藝系統(tǒng)是剛性的，切削過程穩(wěn)定不變，則缸體在粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面過程中，工件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受切削力、重力、夾緊力、工件與頂面夾板和底面定位支撐的摩擦力（轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，工件將保持靜止，此時(shí)工件還受菱形銷對工件的作用力，本文不作研究）各力投影到機(jī)床坐標(biāo)系的XOZ平面，受力分析簡圖如圖6（因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)角度比較小，可以忽略不計(jì)，本文不對各力在坐標(biāo)系中進(jìn)行分解）。

圖6 工件受力分析簡圖

圖中，F(xiàn)代表切削力，F(xiàn)1代表工件與缸體頂面夾板的摩擦力，F(xiàn)2代表工件與缸體底面定位支撐的摩擦力，根據(jù)機(jī)床夾具特點(diǎn)，可以假設(shè)工件的夾緊力P和重力G都是作用在工件的重心上，工件重心與幾何中心重合。

當(dāng)?shù)毒卟牧鲜怯操|(zhì)合金，刀具為端面銑刀，工件材料是灰鑄鐵時(shí)，切削力為：

其中，

ap為銑削深度，mm；

d為銑刀直徑，mm；

fz為每齒進(jìn)給量，mm；

B為銑削寬度，mm；

z為銑刀齒數(shù)；

粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面的刀具TCB6006，其ap=1.3 mm，d=190 mm，fz=0.14 mm，B=150 mm，z=12。

機(jī)床的夾緊力和工件的重力是恒定的，工件與頂面夾板的摩擦系數(shù)μ1和工件與底面定位支撐的摩擦系數(shù)μ2也是恒定的，當(dāng)工件是灰鑄鐵，表面是加工完的表面時(shí)，摩擦系數(shù)為0.16；夾緊力P=1 800 N；重力G=400 N；摩擦系數(shù)μ1=μ2=0.16；則工件與頂面夾板的摩擦力F1=μ1P=288 N；工件與底面定位支撐的摩擦力F2=μ2（P+G）=352 N。

假設(shè)菱形銷失效，則工件將會繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，由定位支撐和夾緊點(diǎn)的分布，以及工件的相關(guān)尺寸可得：

切削力F作用點(diǎn)到圓柱銷中心的垂直距離l=331.8 mm，工件幾何中心到圓柱銷中心的距離l1=159.7 mm。

則切削力F相對于圓柱銷的力矩M=Fl=281 N·m；

工件與頂面壓板摩擦力相對于圓柱銷的力矩M1=F1l1= μ1Pl1=46 N·m；

工件與底面定位支撐摩擦力相對于圓柱銷的力矩M2=F2l1=μ2（P+G）l1=56.4 N·m。

由此可知，菱形銷失效時(shí)，切削力相對于圓柱銷的力矩281 N·m遠(yuǎn)大于工件與頂面壓板摩擦力相對于圓柱銷的力矩與工件與底面定位支撐摩擦力相對于圓柱銷的力矩之和102.4 N·m，工件將沿著切削力的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)對CBM1060A夾具定位方式的分析及粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面時(shí)對工件的受力分析，當(dāng)菱形銷失效時(shí)，工件相對機(jī)床Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度得不到約束，工件欠定位，在大的切削力作用下，工件沿機(jī)床Y軸繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離了工件原始的位置，導(dǎo)致加工的啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔位置度超差。經(jīng)過檢查機(jī)床，發(fā)現(xiàn)機(jī)床菱形銷根部開裂，這跟根據(jù)三坐標(biāo)報(bào)告，利用六點(diǎn)定位原理所做的分析是相吻合的。

3 結(jié)束語

通過上述分析，六點(diǎn)定位原理在機(jī)床加工參數(shù)調(diào)整過程中非常有用，在機(jī)床加工零件尺寸超差后，首先根據(jù)三坐標(biāo)測量報(bào)告，運(yùn)用六點(diǎn)定位原理，對機(jī)床夾具可能的失效模式進(jìn)行分析，通過分析找出最有可能失效的夾具元件，再對夾具元件進(jìn)行檢查和更換，將大大減少設(shè)備調(diào)整的工作量，同時(shí)減少三坐標(biāo)調(diào)試件測量的時(shí)間和停線時(shí)間。

[1]吳 拓.現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.