陳建剛， 陳杰峰， 張昌明， 趙知辛

（陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723001）

引言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機械產(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準化等主要因素趨于完善，對機床夾具設(shè)計行業(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)代機械制造業(yè)發(fā)展的主力軍，機床夾具設(shè)計與優(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)揮機床夾具自身功能和快速定位的優(yōu)勢是機床夾具設(shè)計的關(guān)鍵，在機械加工工藝過程中，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)動機是汽車心臟，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，在機床夾具設(shè)計中占有很重要的地位，也是機床夾具設(shè)計和發(fā)展的方向，組合面定位的組合結(jié)構(gòu)根據(jù)具體實際應(yīng)用場合，結(jié)構(gòu)也不同，同時，有些組合定位方式需要不斷地改進與優(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)動機缸體、缸蓋組合面定位的應(yīng)用實例，定位具體部位為發(fā)動機缸體、缸蓋的底面和底面上預(yù)留的兩個工藝孔，對于具有一面兩孔特征的箱體類零部件，為實現(xiàn)快速找正、提高加工精度，需設(shè)計組合面定位。在圖1中，最初的組合定位元件采用一個面和兩個圓柱銷來定位，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)動機缸體、缸蓋實現(xiàn)組合定位時，由于發(fā)動機缸體、缸蓋上的工序尺寸存在公差允許范圍，每個零件在定位時，會有一定的公差允許的偏移量，這樣，采用一個面和兩個圓柱銷對一批發(fā)動機缸體、缸蓋定位時，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)和科學方法。

圖1 組合面定位在銑削和鏜削發(fā)動機缸體應(yīng)用

2 組合面定位模型的建立與自由度分析

對于采用一個面和兩個孔組合面定位實現(xiàn)定位的箱體類零件，工件毛坯上必須具有一個面，該面上存在兩個孔，孔可以在機械加工中鉆削，也可在毛坯鑄造時提前預(yù)留。采用一個面和該面上的兩個孔定位的方式，具有快速定位、基準統(tǒng)一以及減小夾具結(jié)構(gòu)的多樣性等優(yōu)點，但實際定位時，對一批零件進行定位處理，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以便與機床的工作臺相連接。當采用如圖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，底面限定3個自由度，圓柱銷1限定2個自由度，圓柱銷2限定2個自由度，合計共限定箱體的7個自由度，而在笛卡爾坐標系中，空間任意物體只具有6個自由度，由此可知，一個面和兩個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、損傷機床，存在嚴重的安全隱患。

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），表達式為d1max＝D1min－X1min?，F(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增加一個最小間隙補償值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 一個面和兩個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，當減小定位銷2的直徑的同時，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)角誤差形成機理，將圓柱銷設(shè)計成菱形銷。

為解決因減小圓柱銷直徑而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差，通過試驗可以將圓柱銷幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在消除組合面定位過定位的同時，也能減小轉(zhuǎn)角誤差，即對圓柱銷的端面進行優(yōu)化，將圓形的端面加工成菱形端面，這樣在兩個定位銷連心線方向上，即可實現(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。

為了驗證一個面和一個圓柱銷、一個菱形銷的定位方案可行性，對組合定位效果進行深入研究，通過定位基準的位移誤差的大小分析在評價該方案合理性，如圖4所示為該組合定位基準位移誤差兩種極限位置圖，其中圖4（a）所示當組合面定位兩定位副的間隙以O(shè)1為圓心整體逆時針或順時針偏轉(zhuǎn)的極限位置圖，圖4（b）所示為兩定位副的間隙以O(shè)1O2的水平中點為固定點，反方向時偏轉(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計算公式。

圖4 組合定位基準位移誤差兩種極限位置圖

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

表1 一面兩孔定位時基準位移誤差的計算公式

4 結(jié)論

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

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

3）在生產(chǎn)實踐中，發(fā)動機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.機床夾具中圓偏心夾緊裝置的設(shè)計與研究［J］.煤礦機械，2012，33（5）：38－39.

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