陳建剛， 陳杰峰， 張昌明， 趙知辛

（陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

引言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能要求多樣化及加工精度標(biāo)準(zhǔn)化等主要因素趨于完善，對機(jī)床夾具設(shè)計(jì)行業(yè)提出更高的要求，高速、高效及低耗的加工設(shè)備及夾具裝置是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的主力軍，機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與優(yōu)化也是提高加工方法和改善加工條件的重要環(huán)節(jié)。如何有效發(fā)揮機(jī)床夾具自身功能和快速定位的優(yōu)勢是機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在機(jī)械加工工藝過程中，夾具定位誤差是不可避免的，直接影響工件的加工精度和加工質(zhì)量，對于汽車生產(chǎn)企業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車心臟，其中典型零部件（曲軸、連桿、凸輪軸以及箱體等）需要大量生產(chǎn)，在生產(chǎn)線上組合面定位的應(yīng)用十分廣泛，組合定位元件的定位誤差影響著工件的加工質(zhì)量和性能，而關(guān)于組合面定位誤差分析報(bào)道不是很多，文章就此針對生產(chǎn)一線亟待解決組合面定位誤差的問題進(jìn)行分析與研究。

1 組合面定位誤差的存在原因

組合面定位是對單一定位元件的優(yōu)化組合而產(chǎn)生的，具有快速找正、快速定位及快速裝卸等功能，在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)中占有很重要的地位，也是機(jī)床夾具設(shè)計(jì)和發(fā)展的方向，組合面定位的組合結(jié)構(gòu)根據(jù)具體實(shí)際應(yīng)用場合，結(jié)構(gòu)也不同，同時(shí)，有些組合定位方式需要不斷地改進(jìn)與優(yōu)化，從而降低定位誤差，提高零部件的加工精度，如下頁圖1所示為組合面定位在銑削和鏜削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋組合面定位的應(yīng)用實(shí)例，定位具體部位為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的底面和底面上預(yù)留的兩個(gè)工藝孔，對于具有一面兩孔特征的箱體類零部件，為實(shí)現(xiàn)快速找正、提高加工精度，需設(shè)計(jì)組合面定位。在圖1中，最初的組合定位元件采用一個(gè)面和兩個(gè)圓柱銷來定位，解決快速定位、快速找正及生產(chǎn)效率等問題，但對于一批發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋實(shí)現(xiàn)組合定位時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋上的工序尺寸存在公差允許范圍，每個(gè)零件在定位時(shí)，會有一定的公差允許的偏移量，這樣，采用一個(gè)面和兩個(gè)圓柱銷對一批發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋定位時(shí)，會出現(xiàn)過定位現(xiàn)象，影響該批零件的加工精度和使用性能，為此要對組合面定位的方案進(jìn)行研究與分析，尋找更優(yōu)化的組合面定位理論基礎(chǔ)和科學(xué)方法。

圖1 組合面定位在銑削和鏜削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體應(yīng)用

2 組合面定位模型的建立與自由度分析

對于采用一個(gè)面和兩個(gè)孔組合面定位實(shí)現(xiàn)定位的箱體類零件，工件毛坯上必須具有一個(gè)面，該面上存在兩個(gè)孔，孔可以在機(jī)械加工中鉆削，也可在毛坯鑄造時(shí)提前預(yù)留。采用一個(gè)面和該面上的兩個(gè)孔定位的方式，具有快速定位、基準(zhǔn)統(tǒng)一以及減小夾具結(jié)構(gòu)的多樣性等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際定位時(shí)，對一批零件進(jìn)行定位處理，由于制造誤差和加工環(huán)境的影響，會出現(xiàn)組合面定位上銷心距和孔心距很難完全重合，即無法實(shí)現(xiàn)組合定位的過程。為了研究解決此類問題和定位誤差，建立了如圖2所示為一面兩圓柱銷定位的三維模型作為研究基礎(chǔ)，圓柱銷1和圓柱銷2安裝在底面3的上，底面3的兩邊加工有耳座4以便與機(jī)床的工作臺相連接。當(dāng)采用如圖1所示的組合面定位對具有一面兩孔的箱體類零件定位時(shí)，底面限定3個(gè)自由度，圓柱銷1限定2個(gè)自由度，圓柱銷2限定2個(gè)自由度，合計(jì)共限定箱體的7個(gè)自由度，而在笛卡爾坐標(biāo)系中，空間任意物體只具有6個(gè)自由度，由此可知，一個(gè)面和兩個(gè)圓柱銷對箱體定位會出現(xiàn)過定位現(xiàn)象，在生產(chǎn)過程中，過定位輕則使得工件發(fā)生變形扭曲，重則折斷工件、損傷機(jī)床，存在嚴(yán)重的安全隱患。

圖2 一面兩圓柱銷組合定位模型

3 過定位的問題解決措施及理論分析

根據(jù)組合面定位元件的自身幾何特征和功能特性，通過分析與研究，解決過定位問題的方法如下。

1）根據(jù)孔和軸配合關(guān)系，改變圓柱銷的直徑分析發(fā)現(xiàn)改變圓柱銷的直徑是解決組合面定位存在過定位的方法之一，如圖1所示假設(shè)定位銷1與對應(yīng)孔的中心完全重合，則裝配條件為：定位銷1的最大直徑（d1max）為對應(yīng)定位孔的最小直徑（D1min）減去對應(yīng)定位副的最小間隙（X1min），表達(dá)式為d1max＝D1min－X1min。現(xiàn)在只需改變定位銷2的直徑，即可滿足組合面定位的工作要求，也可避免過定位帶來的弊端。分析可知減小定位銷2的直徑可以得到如圖3所示兩種極限位置的裝配情況，便于安裝需給定位銷2增加一個(gè)最小間隙補(bǔ)償值X2min，則定位銷2的裝配條件為：定位銷2的最大直徑（d2max）為對應(yīng)定位孔的最小直徑（D2min）減去對應(yīng)定位副的最小間隙（X2min），表達(dá)式為d2max＝D2min－2（δLD＋δLd＋X2min／2），其中δLD、δld為孔間距偏差和銷間距偏差。

圖3 一個(gè)面和兩個(gè)圓柱銷組合定位極限位置圖

改變圓柱銷的直徑方法可以避免組合面定位的過定位問題，根據(jù)圖3所示，當(dāng)減小定位銷2的直徑的同時(shí)，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差，而且轉(zhuǎn)角誤差隨著定位銷2的直徑減小，在不斷的增大，直至組合面定位失效。

2）根據(jù)轉(zhuǎn)角誤差形成機(jī)理，將圓柱銷設(shè)計(jì)成菱形銷。

為解決因減小圓柱銷直徑而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差，通過試驗(yàn)可以將圓柱銷幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在消除組合面定位過定位的同時(shí)，也能減小轉(zhuǎn)角誤差，即對圓柱銷的端面進(jìn)行優(yōu)化，將圓形的端面加工成菱形端面，這樣在兩個(gè)定位銷連心線方向上，即可實(shí)現(xiàn)縮小定位銷直徑的作用，也可在垂直與連心線方向減小轉(zhuǎn)角誤差的效果，從而提高了組合定位的精度。

為了驗(yàn)證一個(gè)面和一個(gè)圓柱銷、一個(gè)菱形銷的定位方案可行性，對組合定位效果進(jìn)行深入研究，通過定位基準(zhǔn)的位移誤差的大小分析在評價(jià)該方案合理性，如圖4所示為該組合定位基準(zhǔn)位移誤差兩種極限位置圖，其中圖4（a）所示當(dāng)組合面定位兩定位副的間隙以O(shè)1為圓心整體逆時(shí)針或順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的極限位置圖，圖4（b）所示為兩定位副的間隙以O(shè)1O2的水平中點(diǎn)為固定點(diǎn)，反方向時(shí)偏轉(zhuǎn)的極限位置圖。圖4中，定位副1的最大間隙為X1max，定位副2的最大間隙X2max，根據(jù)幾何比例關(guān)系可以推導(dǎo)出整體同方向偏轉(zhuǎn)角度Δα和反向偏轉(zhuǎn)角度Δβ計(jì)算公式。

圖4 組合定位基準(zhǔn)位移誤差兩種極限位置圖

由于具體實(shí)際的情況比較復(fù)雜，在采用組合面定位計(jì)算某一加工尺寸的基準(zhǔn)位移誤差時(shí)，要考慮加工尺寸的方向和位置，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)一線快速解決組合面定位誤差計(jì)算的問題，根據(jù)組合面基準(zhǔn)位移誤差理論分析建立如圖4所示的工序尺寸分布圖，對圖4中組合定位基準(zhǔn)位移誤差兩種極限位置的分析與計(jì)算，得到不同的加工位置時(shí)的工序尺寸對應(yīng)的計(jì)算公式如表1所示。

表1 一面兩孔定位時(shí)基準(zhǔn)位移誤差的計(jì)算公式

4 結(jié)論

1）組合面定位的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對于具有一個(gè)面和兩個(gè)孔的典型零部件，采用一面兩銷（其中一個(gè)為圓柱銷，一個(gè)為菱形銷）定位可以提高定位的速度，也可以減小轉(zhuǎn)角誤差。

2）基準(zhǔn)位移誤差是組合面定位的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的難點(diǎn)，本文通過兩種極限位置中常用的加工尺寸為研究對象，逐一進(jìn)行分析，給出工序尺寸在不同位置通用計(jì)算公式，可以實(shí)現(xiàn)組合定位誤差的快速計(jì)算，判斷組合面定位方案的合理性。

3）在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)動(dòng)機(jī)中典型零部件除箱體外，連桿的定位也常采用一面兩孔定位的方法，其定位誤差分析與本文研究的內(nèi)容一樣。

［1］ 陳建剛.機(jī)床夾具中圓偏心夾緊裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（5）：38－39.

［2］ 陳建剛.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.