機(jī)械智能制造工件的自由度與加工要求的關(guān)系研究

夏寶林

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

1.前言

在進(jìn)行機(jī)床夾具設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)解決工件的定位問(wèn)題，正確分析工件的加工要求與自由度之間的關(guān)系，才能合理確定定位方案，避免出現(xiàn)不合理的定位（如欠定位），或?qū)е聤A具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或降低加工效率，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2.工件的自由度

工件的自由度是指其在空間位置的不確定 度。可以用六個(gè)自由度描述，沿三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)的自由用表示，繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度用表示，如圖1所示。

圖1 工件的自由度

如果工件的六個(gè)自由度都存在，其是一個(gè)空間自由體，無(wú)法完成加工和保證加工要求，因此在加工時(shí)必須限制其影響工件在加工過(guò)程中正確位置的自由度，自由度的限制是通過(guò)定位實(shí)現(xiàn)的。

3.工件的定位原理及其應(yīng)用

利用合理分布的六個(gè)支承點(diǎn)限制工件的六個(gè)自由度，使工件在夾具中位置完全確定的法則，稱(chēng)為六點(diǎn)定則。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)完全定位、不完全定位、欠定位、重復(fù)定位四種定位類(lèi)型。完全定位在批量生產(chǎn)與自動(dòng)線上應(yīng)用十分普遍。不完全定位在單件小批量生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，在批量生產(chǎn)與自動(dòng)線上不能采用完全定時(shí)采用。欠定位是絕對(duì)不允許出現(xiàn)和采用的。重復(fù)定位會(huì)產(chǎn)生不良的后果，必須消除其不良后果方可使用，一般在粗加工和半精加工時(shí)不用，在精度要求高時(shí)，往往會(huì)采用。

4.工件的加工表面及加工要求

4.1 加工表面

工件的加工表面常見(jiàn)的有平面、回轉(zhuǎn)體表面和溝槽幾種類(lèi)型。其位置由工序基準(zhǔn)（點(diǎn)、線、面）進(jìn)行確定。

平面的位置通過(guò)面對(duì)點(diǎn)、面對(duì)線或面對(duì)面三種情況確定。對(duì)稱(chēng)平面通過(guò)其對(duì)稱(chēng)中心平面確定其位置。

回轉(zhuǎn)體表面應(yīng)通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心確定位置?；剞D(zhuǎn)中心為線時(shí)，其位置由線對(duì)點(diǎn)、線對(duì)線或線對(duì)面三種情況確定；回轉(zhuǎn)中心為點(diǎn)時(shí)，其位置由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)線或點(diǎn)對(duì)面三種情況確定。

4.2 加工要求

加工要求是指通過(guò)機(jī)械加工達(dá)到零件圖上的技術(shù)要求。此處主要指尺寸精度和形位公差。正確分析工件的加工要求，才能準(zhǔn)確判斷影響加工要求的自由度，避免采用不合理的定位類(lèi)型。

圖2 工件的加工要求

運(yùn)用夾具安裝工件進(jìn)行加工時(shí)，其所能保證的加工要求是指本工序加工時(shí)需保證的尺寸精度（不包括定尺寸的表面，如槽的寬度和孔的直徑等）和形位公差（定向與定位）要求，公差分標(biāo)注的和未標(biāo)注的兩種。如圖2所示，夾具所能保證的是Z方向鍵槽的深度尺寸H以及X方向的對(duì)稱(chēng)度t和鍵槽底平面與側(cè)平面的未注平行度公差。

5.自由度對(duì)典型加工表面位置的影響

夾具安裝工件時(shí)，是采用調(diào)整法加工，因此刀具在加工尺寸方向上的位置固定不變。加工表面是通過(guò)刀具在運(yùn)行平面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成的，其正確位置是通過(guò)定位時(shí)限制影響其位置的自由度保證。

5.1 平面

通過(guò)一個(gè)點(diǎn)確定加工表面位置時(shí)，如圖3 a）所示，需保證的加工要求只有尺寸H。加工表面與工序基準(zhǔn)之間是面與點(diǎn)的關(guān)系，不會(huì)影響基準(zhǔn)與刀具運(yùn)行平面之間的位置關(guān)系，只有會(huì)影響，并影響H尺寸。因此影響加工表面正確位置的只有。

圖3 對(duì)單一平面的影響

通過(guò)一條線確定加工表面位置時(shí)，如圖3b）所示，需保證的加工要求為尺寸H和加工表面與母線的未注平行度公差。加工表面與工序基準(zhǔn)之間是面與線的關(guān)系，不會(huì)影響基準(zhǔn)與刀具運(yùn)行平面之間的位置關(guān)系，和會(huì)影響，并影響尺寸H，還會(huì)影響平行度。因此影響加工表面正確位置的有和。

通過(guò)一個(gè)平面確定加工表面位置時(shí)，如圖1所示。加工表面與工序基準(zhǔn)之間是面與面的關(guān)系，需保證的加工要求為尺寸H和加工表面與底平面的兩個(gè)方向未注平行度公差，不會(huì)影響基準(zhǔn)與刀具運(yùn)行平面之間的位置關(guān)系，會(huì)影響，并影響H尺寸、還會(huì)影響平行度，因此影響加工表面正確位置的有。

5.2 回轉(zhuǎn)體表面

通過(guò)一個(gè)點(diǎn)確定加工表面位置時(shí)，如球體上的圓柱面、圓錐面或成形回轉(zhuǎn)面，其均由球心確定其位置。一般只有三個(gè)移動(dòng)自由度會(huì)影響其位置。

通過(guò)一條線確定加工表面位置時(shí)，如圓柱體上的圓柱面、圓錐面或成形回轉(zhuǎn)面，其均由回轉(zhuǎn)中心線確定其位置。除了繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，其余均會(huì)會(huì)影響其位置。

圖4 對(duì)回轉(zhuǎn)體表面的影響

通過(guò)一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)平面確定加工表面位置時(shí)，如圖4所示。加工表面的軸線既要過(guò)球心，還與平面成一定的角度，會(huì)影響其相對(duì)球心的位置。圖4a）會(huì)影響軸線與平面的位置；圖4b）會(huì)影響軸線與平面的位置。

通過(guò)一條線和兩個(gè)面確定加工表面位置時(shí)，如圓柱體加工一平面后，再在其上加工回轉(zhuǎn)體表面，其軸線既要過(guò)圓柱體的軸線心，還與平面成一定的角度，將圖4的球體變?yōu)閳A柱體，一般六個(gè)自由度都會(huì)影響加工表面的位置。

通過(guò)三個(gè)方向確定加工表面位置時(shí)，如非回轉(zhuǎn)體零件上的回轉(zhuǎn)體表面，則六個(gè)自由度均會(huì)影響加工表面的位置。

圓柱面，軸向無(wú)尺寸要求，則軸向的移動(dòng)自由度不會(huì)影響其位置，如圖4b）所示。如果坐標(biāo)軸不通過(guò)回轉(zhuǎn)表面的軸心（或球心），則繞該坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度會(huì)影響其位置。

5.3 溝槽

通過(guò)一個(gè)點(diǎn)確定加工表面位置時(shí)，如球體上加工一個(gè)槽，參見(jiàn)圖2，兩個(gè)方向都是面與點(diǎn)的關(guān)系，因此只有和會(huì)影響加工表面的位置。

通過(guò)一條線確定加工表面位置時(shí)，如圓柱體上加工一個(gè)槽，如圖2所示，兩個(gè)方向都是面與線的關(guān)系，因此影響加工表面位置有。

圖5 對(duì)溝槽的影響

通過(guò)一個(gè)點(diǎn)與一個(gè)平面確定加工表面的位置，如圖5所示。圖5a）槽的兩側(cè)面與球心是面與線的關(guān)系，影響其位置的只有和；槽與平面是面與面的關(guān)系，底面與平面平行，影響其位置的有，側(cè)面與平面垂直，影響其位置的只有；因此，影響其位置的有影響圖5b）位置的則為

通過(guò)一線與一個(gè)平面確定加工表面的位置，將圖5的球體變?yōu)閳A柱體，槽與軸心線是面與線的關(guān)系，槽與平面是面與面的關(guān)系，除了外，其余均會(huì)影響加工表面的位置。

通過(guò)平面確定加工表面位置時(shí)，如非回轉(zhuǎn)體零件上的不通槽，一般是通過(guò)三個(gè)平面確定其位置，則六個(gè)自由度均會(huì)影響加工表面位置。如果是不通槽，則槽長(zhǎng)度方向的移動(dòng)自由度也會(huì)影響加工表面的位置。

6.工件的自由度與加工要求的關(guān)系

由上述分析可知，工件的自由度分為影響加工要求和不影響加工要求兩類(lèi)。影響加工要求的自由度會(huì)直接工件的距離尺寸和形位公差。移動(dòng)自由度直接影響距離尺寸，有時(shí)也會(huì)影響對(duì)稱(chēng)度與位置度；轉(zhuǎn)動(dòng)自由度直接影響形位公差，有時(shí)也會(huì)影響位置尺寸。不影響加工要求的自由度又分為可以限制和不能限制兩種。能夠限制而沒(méi)有限制的自由度則只影響工件的加工效率，不能限制的自由度，如回轉(zhuǎn)體零件繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的自由度，其既不影響加工要求也不影響加工效率，定位時(shí)只能采用不完全定位或重復(fù)定位。

7.結(jié)束語(yǔ)

工件的加工要求與零件的結(jié)構(gòu)、加工表面的形狀有關(guān)，應(yīng)先正確分析工件的加工要求。自由度與坐標(biāo)系的建立有關(guān)，應(yīng)先建立坐標(biāo)系，再分析自由度。影響加工要求的自由度，在定位時(shí)必須限制，否則將會(huì)出現(xiàn)欠定位，直接影響尺寸精度和形位公差。不影響加工要求的自由度，在定位時(shí)可以限制也可以不限制。能夠限制而沒(méi)有限制的只會(huì)影響加工效率，單件、小批量生產(chǎn)一般都不限制，在大批量加工時(shí)均會(huì)限制。