張玉葉 張 靖

（1.蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆山 215311；2.空軍濟(jì)南航空四站裝備修理廠，濟(jì)南 250022）

夾具在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有重要作用[1]。夾具定位的精確度直接影響機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量，對(duì)提高機(jī)械加工整體效率有顯著助益。在夾具的支持下，可以準(zhǔn)確定位機(jī)械加工中相關(guān)工件并限制其自由度，以確保夾具定位元件同基準(zhǔn)面保持緊密接觸。由于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的種類、規(guī)模等方面需求不同，保證夾具定位原理運(yùn)用的質(zhì)量能有效支撐機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。

1 機(jī)械加工定位基準(zhǔn)

定位基準(zhǔn)在機(jī)械加工中占據(jù)重要地位?；鶞?zhǔn)用來確定工件加工中點(diǎn)、線與面之間的關(guān)系，即保障機(jī)床夾具中的零件維持在正確位置。從適用場(chǎng)所和作用角度來講，可以將基準(zhǔn)劃分為工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是設(shè)計(jì)圖樣的基準(zhǔn)，在機(jī)械加工實(shí)踐中包括確定孔洞中心線或軸類工件，精準(zhǔn)定位對(duì)稱工件的加工位置及尺寸等。工藝基準(zhǔn)涉及的內(nèi)容更廣泛，如定位基準(zhǔn)、裝配與測(cè)量等。

2 機(jī)械加工夾具設(shè)計(jì)原理

機(jī)械加工零件不同，涉及的加工工藝也不同。在機(jī)械零件加工前，要結(jié)合加工零件的實(shí)際形狀、尺寸等情況選擇最佳的夾具，確定最合理的刀具夾緊方法，保障機(jī)械零件加工的整體質(zhì)量。機(jī)械零件不同，裝夾期間需合理設(shè)計(jì)夾具。差異化的機(jī)械零件涉及差異化的夾具。

機(jī)械加工夾具設(shè)計(jì)中涉及的定位原理，實(shí)際上就是六點(diǎn)定位原理，即任何一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)都涉及6個(gè)自由度（x、y、z坐標(biāo)軸上的3個(gè)移動(dòng)自由度和繞著坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度），借助它們的有效定位限制工件的位置。任何一種機(jī)械產(chǎn)品本身的運(yùn)動(dòng)都是借助支撐機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等動(dòng)作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，因此加工機(jī)械零件本身在空間上的動(dòng)作尺度是可控的。在六點(diǎn)定位原理支持下，結(jié)合設(shè)計(jì)機(jī)械零件的動(dòng)作需求與產(chǎn)品功能特性等實(shí)際情況來準(zhǔn)確定位，可有效控制機(jī)械零件夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量[2]。

3 機(jī)械加工夾具效用及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 機(jī)械加工夾具的效用

機(jī)械加工夾具的效用體現(xiàn)在3個(gè)方面。第一，一般效用。夾具在機(jī)械零件加工中的一般作用是定位與夾緊。定位，即確定機(jī)械加工零件在夾具中的正確位置，借助夾具定位元件定位面與機(jī)械加工零件定位基準(zhǔn)面保持相互接觸的方式實(shí)現(xiàn)定位效用。夾緊效用則是在機(jī)械加工零件定位后對(duì)其進(jìn)行固定，保證整個(gè)機(jī)械加工中零件本身位置不會(huì)發(fā)生改變。第二，特殊效用。除一般效用外，夾具在機(jī)械零件加工中還涉及如下作用。一是對(duì)刀作用，調(diào)整刀具切削刃相對(duì)夾具或機(jī)械加工零件的正確部位；二是導(dǎo)向作用，精準(zhǔn)確定機(jī)械零件加工過程中的動(dòng)作方向。第三，在機(jī)械加工中夾具能有效控制機(jī)械加工精度。提高機(jī)械加工效率，降低生產(chǎn)作業(yè)成本，改善機(jī)械加工人員的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境與條件，保證機(jī)械加工作業(yè)的安全性，提高機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量，拓寬機(jī)床加工工藝的適用范圍。

3.2 機(jī)械加工夾具的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)機(jī)械加工夾具需要遵從4個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。第一，標(biāo)準(zhǔn)性。依據(jù)國家關(guān)于夾具的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)夾具。第二，精密性。結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度要求來優(yōu)化設(shè)計(jì)夾具，保證其滿足機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的精度要求。第三，靈活性。結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品加工需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)夾具本身的結(jié)構(gòu)，保證夾具適應(yīng)于多種不同的加工情況及條件。第四，科學(xué)性。基于夾具定位原理，科學(xué)確定夾具設(shè)計(jì)中的定位點(diǎn)，合理設(shè)定位置及數(shù)量，同時(shí)要結(jié)合夾具定位基準(zhǔn)位置、形狀等合理確定定位支撐點(diǎn)。

4 機(jī)械加工夾具定位分類與定位方案

根據(jù)幾何體定位方式的不同，將機(jī)械加工夾具定位類別及方案劃分為4種基本形式。

（1）平面幾何體定位。該種夾具定位屬于支承定位，即一種平面定位方式，常用定位元件包括夾具體平面及凸臺(tái)、夾具支撐體、支撐板與支撐釘?shù)?。?duì)平面幾何體類型的機(jī)械零件加工，采取六點(diǎn)定位的方式。

（2）圓柱幾何體定位。該種幾何體定位方式是外圓面定位方式或圓孔定位方式。外圓面定位方式的機(jī)械加工零件以外圓柱面進(jìn)行定位，包括支承定位形式和定性定位方式，涉及V形塊、止動(dòng)銷及止推螺釘?shù)瘸Ｓ枚ㄎ辉?。機(jī)械零件采用圓孔定位形式時(shí)主要采用定性定位方式，涉及心軸、定位銷等常用的定位元件。

圓盤幾何體定位。圓盤型機(jī)械零件要限制其自由度時(shí)，可采用平面、止動(dòng)銷和圓柱銷相結(jié)合的方式。

（4）機(jī)械零件以其他表面定位。除圓孔、平面以及外圓柱面，機(jī)械零件夾具設(shè)計(jì)過程中還可能會(huì)采用曲面、漸開線齒面以及圓錐面等進(jìn)行定位。

除上述基本的定位形式，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中可以靈活運(yùn)用夾具組合不同類型的定位表面[4]。在若干表面同時(shí)參與定位時(shí)，根據(jù)不同表面所起作用劃分主次部分。主要定位面是涉及定位點(diǎn)數(shù)最多的表面。設(shè)計(jì)不同種類的定位表面，可使機(jī)械產(chǎn)品加工更高效。

5 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中夾具定位原理的應(yīng)用

5.1 六點(diǎn)定位的原則

基于六點(diǎn)定位原理進(jìn)行夾具定位時(shí)，先確定機(jī)械產(chǎn)品需要定位的6個(gè)自由度，保證設(shè)計(jì)的夾具可以有效控制這6個(gè)自由度。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，沒有定位機(jī)械零件的情況下，夾具定位要有效限制機(jī)械產(chǎn)品自由度，維持及控制設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品本身穩(wěn)定性，保障機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

5.2 機(jī)械產(chǎn)品定位分析

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中開展機(jī)械產(chǎn)品定位時(shí)，要明確夾具精準(zhǔn)度。夾具精準(zhǔn)度決定了機(jī)械產(chǎn)品加工中加工產(chǎn)品的精準(zhǔn)度。在實(shí)際夾具定位過程中，一般涉及3種相對(duì)位置。第一，機(jī)械產(chǎn)品和夾具之間的相對(duì)位置。第二，機(jī)械產(chǎn)品加工機(jī)床和機(jī)械產(chǎn)品之間的相對(duì)位置。第三，夾具和機(jī)械產(chǎn)品加工機(jī)床之間的相對(duì)位置。這3種主要加工相對(duì)位置中，機(jī)械產(chǎn)品加工機(jī)床和機(jī)械產(chǎn)品之間的相對(duì)位置要借助夾具開展輔助定位。

5.3 機(jī)械產(chǎn)品定位方法

機(jī)械產(chǎn)品定位過程中涉及4種定位方法。第一，完全定位法。限制機(jī)械產(chǎn)品加工過程中的全部自由度。第二，不完全定位法。機(jī)械產(chǎn)品加工過程中不完全限制機(jī)械產(chǎn)品的自由度，只在產(chǎn)品加工有需要的情況下對(duì)其部分自由度進(jìn)行限制。第三，欠定位法。加工機(jī)械產(chǎn)品過程中未定位本應(yīng)在機(jī)械產(chǎn)品加工中定位的自由度，即欠定位法。第四，過定位法。同欠定位法正好相反，機(jī)械產(chǎn)品加工中定位本不應(yīng)定位的自由度。

5.4 機(jī)械產(chǎn)品定位的注意事項(xiàng)

在機(jī)械產(chǎn)品定位期間，為了保證定位準(zhǔn)確性，要注意如下2方面內(nèi)容。一方面，深入解讀和理解夾具定位中六點(diǎn)定位的“點(diǎn)”的含義。在機(jī)械產(chǎn)品定位設(shè)計(jì)期間，該定位法可有效限制機(jī)械產(chǎn)品的6個(gè)自由度。它們本身不是機(jī)械和工件之間的接觸點(diǎn)，而是限制機(jī)械產(chǎn)品在加工中的自由度。另一方面，準(zhǔn)確確定夾緊與定位之間的差異性。機(jī)械產(chǎn)品夾緊主要是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行固定，在空間層面上無法確定其具體位置。機(jī)械產(chǎn)品定位必須要明確夾具中產(chǎn)品的位置，尤其是要保證在夾緊狀態(tài)下機(jī)械產(chǎn)品定位不會(huì)在外力作用下出現(xiàn)偏移。

6 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中夾具定位設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，現(xiàn)代夾具定位設(shè)計(jì)主要發(fā)展趨勢(shì)側(cè)重4個(gè)方面。第一，標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)床夾具本身的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化具有緊密聯(lián)系。國內(nèi)關(guān)于夾具零部件涉及許多專門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 26468—2011）等。夾具定位設(shè)計(jì)必須遵從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)目標(biāo)，降低生產(chǎn)成本[5]。第二，精密化。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工精度需要不斷提高，并同步提高夾具定位的精度。第三，高效化。為促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品加工實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展目標(biāo)，持續(xù)提高機(jī)械產(chǎn)品加工效率，在夾具定位設(shè)計(jì)中運(yùn)用高效化夾具，以縮短工件加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。第四，柔性化。機(jī)床夾具本身的柔性化同機(jī)床柔性化之間具有高度相似性。夾具具備非常多的組合方式和調(diào)整手段。因此，可靈活調(diào)整機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位工藝，確保夾具滿足不同形狀、尺寸及批次機(jī)械產(chǎn)品的加工需求，最大限度拓寬夾具的應(yīng)用范圍。

7 結(jié)語

夾具定位在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域占有重要地位，關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量、效率及成本。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用夾具定位，要結(jié)合工件的具體類型、條件以及加工要求等實(shí)際情況，合理確定夾具形式、類型等，保證機(jī)械產(chǎn)品加工活動(dòng)能有序、高效開展，確保機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工的質(zhì)量。