夾具定位原理在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

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.空軍濟南航空四站裝備修理廠，濟南 250022）

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

1 機械加工定位基準

定位基準在機械加工中占據(jù)重要地位?；鶞视脕泶_定工件加工中點、線與面之間的關(guān)系，即保障機床夾具中的零件維持在正確位置。從適用場所和作用角度來講，可以將基準劃分為工藝基準和設(shè)計基準。設(shè)計基準是設(shè)計圖樣的基準，在機械加工實踐中包括確定孔洞中心線或軸類工件，精準定位對稱工件的加工位置及尺寸等。工藝基準涉及的內(nèi)容更廣泛，如定位基準、裝配與測量等。

2 機械加工夾具設(shè)計原理

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

機械加工夾具設(shè)計中涉及的定位原理，實際上就是六點定位原理，即任何一個剛體結(jié)構(gòu)都涉及6個自由度（x、y、z坐標(biāo)軸上的3個移動自由度和繞著坐標(biāo)軸進行旋轉(zhuǎn)的3個自由度），借助它們的有效定位限制工件的位置。任何一種機械產(chǎn)品本身的運動都是借助支撐機構(gòu)、傳動機構(gòu)等動作機構(gòu)實現(xiàn)運動的，因此加工機械零件本身在空間上的動作尺度是可控的。在六點定位原理支持下，結(jié)合設(shè)計機械零件的動作需求與產(chǎn)品功能特性等實際情況來準確定位，可有效控制機械零件夾具設(shè)計質(zhì)量[2]。

3 機械加工夾具效用及設(shè)計標(biāo)準

3.1 機械加工夾具的效用

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

3.2 機械加工夾具的設(shè)計標(biāo)準

設(shè)計機械加工夾具需要遵從4個設(shè)計標(biāo)準[3]。第一，標(biāo)準性。依據(jù)國家關(guān)于夾具的相關(guān)標(biāo)準，標(biāo)準化設(shè)計夾具。第二，精密性。結(jié)合機械產(chǎn)品的設(shè)計精度要求來優(yōu)化設(shè)計夾具，保證其滿足機械產(chǎn)品生產(chǎn)的精度要求。第三，靈活性。結(jié)合機械產(chǎn)品加工需求，優(yōu)化設(shè)計夾具本身的結(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)計中的定位點，合理設(shè)定位置及數(shù)量，同時要結(jié)合夾具定位基準位置、形狀等合理確定定位支撐點。

4 機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、夾具支撐體、支撐板與支撐釘?shù)?。對平面幾何體類型的機械零件加工，采取六點定位的方式。

（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械加工零件以外圓柱面進行定位，包括支承定位形式和定性定位方式，涉及V形塊、止動銷及止推螺釘?shù)瘸Ｓ枚ㄎ辉?。機械零件采用圓孔定位形式時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。圓盤型機械零件要限制其自由度時，可采用平面、止動銷和圓柱銷相結(jié)合的方式。

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

除上述基本的定位形式，機械產(chǎn)品設(shè)計過程中可以靈活運用夾具組合不同類型的定位表面[4]。在若干表面同時參與定位時，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數(shù)最多的表面。設(shè)計不同種類的定位表面，可使機械產(chǎn)品加工更高效。

5 機械產(chǎn)品設(shè)計中夾具定位原理的應(yīng)用

5.1 六點定位的原則

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

5.2 機械產(chǎn)品定位分析

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

5.3 機械產(chǎn)品定位方法

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

5.4 機械產(chǎn)品定位的注意事項

在機械產(chǎn)品定位期間，為了保證定位準確性，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定位的“點”的含義。在機械產(chǎn)品定位設(shè)計期間，該定位法可有效限制機械產(chǎn)品的6個自由度。它們本身不是機械和工件之間的接觸點，而是限制機械產(chǎn)品在加工中的自由度。另一方面，準確確定夾緊與定位之間的差異性。機械產(chǎn)品夾緊主要是對機械產(chǎn)品進行固定，在空間層面上無法確定其具體位置。機械產(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)下機械產(chǎn)品定位不會在外力作用下出現(xiàn)偏移。

6 機械產(chǎn)品設(shè)計中夾具定位設(shè)計發(fā)展趨勢

機械產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中，現(xiàn)代夾具定位設(shè)計主要發(fā)展趨勢側(cè)重4個方面。第一，標(biāo)準化。機床夾具本身的通用化和標(biāo)準化具有緊密聯(lián)系。國內(nèi)關(guān)于夾具零部件涉及許多專門的標(biāo)準和規(guī)范，如《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計規(guī)范》（GB/T 26468—2011）等。夾具定位設(shè)計必須遵從設(shè)計標(biāo)準，實現(xiàn)商品化生產(chǎn)目標(biāo)，降低生產(chǎn)成本[5]。第二，精密化。機械產(chǎn)品設(shè)計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。為促進機械產(chǎn)品加工實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展目標(biāo)，持續(xù)提高機械產(chǎn)品加工效率，在夾具定位設(shè)計中運用高效化夾具，以縮短工件加工時間，提高生產(chǎn)效率。第四，柔性化。機床夾具本身的柔性化同機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)整機械產(chǎn)品設(shè)計定位工藝，確保夾具滿足不同形狀、尺寸及批次機械產(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

夾具定位在機械產(chǎn)品設(shè)計與加工領(lǐng)域占有重要地位，關(guān)系著機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量、效率及成本。在機械產(chǎn)品設(shè)計中應(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際情況，合理確定夾具形式、類型等，保證機械產(chǎn)品加工活動能有序、高效開展，確保機械產(chǎn)品設(shè)計與加工的質(zhì)量。