机械智能制造工件的自由度与加工要求的关系研究

夏宝林

（四川职业技术学院机械工程系，四川 遂宁 629000）

1.前言

在进行机床夹具设计时，首先应解决工件的定位问题，正确分析工件的加工要求与自由度之间的关系，才能合理确定定位方案，避免出现不合理的定位（如欠定位），或导致夹具结构复杂，或降低加工效率，造成不必要的经济损失。

2.工件的自由度

工件的自由度是指其在空间位置的不确定 度。可以用六个自由度描述，沿三个坐标轴的移动的自由用表示，绕三个坐标轴的转动的自由度用表示，如图1所示。

图1 工件的自由度

如果工件的六个自由度都存在，其是一个空间自由体，无法完成加工和保证加工要求，因此在加工时必须限制其影响工件在加工过程中正确位置的自由度，自由度的限制是通过定位实现的。

3.工件的定位原理及其应用

利用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中位置完全确定的法则，称为六点定则。

在实际生产过程中会出现完全定位、不完全定位、欠定位、重复定位四种定位类型。完全定位在批量生产与自动线上应用十分普遍。不完全定位在单件小批量生产中应用较广，在批量生产与自动线上不能采用完全定时采用。欠定位是绝对不允许出现和采用的。重复定位会产生不良的后果，必须消除其不良后果方可使用，一般在粗加工和半精加工时不用，在精度要求高时，往往会采用。

4.工件的加工表面及加工要求

4.1 加工表面

工件的加工表面常见的有平面、回转体表面和沟槽几种类型。其位置由工序基准（点、线、面）进行确定。

平面的位置通过面对点、面对线或面对面三种情况确定。对称平面通过其对称中心平面确定其位置。

回转体表面应通过其回转中心确定位置。回转中心为线时，其位置由线对点、线对线或线对面三种情况确定；回转中心为点时，其位置由点对点、点对线或点对面三种情况确定。

4.2 加工要求

加工要求是指通过机械加工达到零件图上的技术要求。此处主要指尺寸精度和形位公差。正确分析工件的加工要求，才能准确判断影响加工要求的自由度，避免采用不合理的定位类型。

图2 工件的加工要求

运用夹具安装工件进行加工时，其所能保证的加工要求是指本工序加工时需保证的尺寸精度（不包括定尺寸的表面，如槽的宽度和孔的直径等）和形位公差（定向与定位）要求，公差分标注的和未标注的两种。如图2所示，夹具所能保证的是Z方向键槽的深度尺寸H以及X方向的对称度t和键槽底平面与侧平面的未注平行度公差。

5.自由度对典型加工表面位置的影响

夹具安装工件时，是采用调整法加工，因此刀具在加工尺寸方向上的位置固定不变。加工表面是通过刀具在运行平面的相对运动完成的，其正确位置是通过定位时限制影响其位置的自由度保证。

5.1 平面

通过一个点确定加工表面位置时，如图3 a）所示，需保证的加工要求只有尺寸H。加工表面与工序基准之间是面与点的关系，不会影响基准与刀具运行平面之间的位置关系，只有会影响，并影响H尺寸。因此影响加工表面正确位置的只有。

图3 对单一平面的影响

通过一条线确定加工表面位置时，如图3b）所示，需保证的加工要求为尺寸H和加工表面与母线的未注平行度公差。加工表面与工序基准之间是面与线的关系，不会影响基准与刀具运行平面之间的位置关系，和会影响，并影响尺寸H，还会影响平行度。因此影响加工表面正确位置的有和。

通过一个平面确定加工表面位置时，如图1所示。加工表面与工序基准之间是面与面的关系，需保证的加工要求为尺寸H和加工表面与底平面的两个方向未注平行度公差，不会影响基准与刀具运行平面之间的位置关系，会影响，并影响H尺寸、还会影响平行度，因此影响加工表面正确位置的有。

5.2 回转体表面

通过一个点确定加工表面位置时，如球体上的圆柱面、圆锥面或成形回转面，其均由球心确定其位置。一般只有三个移动自由度会影响其位置。

通过一条线确定加工表面位置时，如圆柱体上的圆柱面、圆锥面或成形回转面，其均由回转中心线确定其位置。除了绕其转动的自由度，其余均会会影响其位置。

图4 对回转体表面的影响

通过一个点和一个平面确定加工表面位置时，如图4所示。加工表面的轴线既要过球心，还与平面成一定的角度，会影响其相对球心的位置。图4a）会影响轴线与平面的位置；图4b）会影响轴线与平面的位置。

通过一条线和两个面确定加工表面位置时，如圆柱体加工一平面后，再在其上加工回转体表面，其轴线既要过圆柱体的轴线心，还与平面成一定的角度，将图4的球体变为圆柱体，一般六个自由度都会影响加工表面的位置。

通过三个方向确定加工表面位置时，如非回转体零件上的回转体表面，则六个自由度均会影响加工表面的位置。

圆柱面，轴向无尺寸要求，则轴向的移动自由度不会影响其位置，如图4b）所示。如果坐标轴不通过回转表面的轴心（或球心），则绕该坐标轴的转动自由度会影响其位置。

5.3 沟槽

通过一个点确定加工表面位置时，如球体上加工一个槽，参见图2，两个方向都是面与点的关系，因此只有和会影响加工表面的位置。

通过一条线确定加工表面位置时，如圆柱体上加工一个槽，如图2所示，两个方向都是面与线的关系，因此影响加工表面位置有。

图5 对沟槽的影响

通过一个点与一个平面确定加工表面的位置，如图5所示。图5a）槽的两侧面与球心是面与线的关系，影响其位置的只有和；槽与平面是面与面的关系，底面与平面平行，影响其位置的有，侧面与平面垂直，影响其位置的只有；因此，影响其位置的有影响图5b）位置的则为

通过一线与一个平面确定加工表面的位置，将图5的球体变为圆柱体，槽与轴心线是面与线的关系，槽与平面是面与面的关系，除了外，其余均会影响加工表面的位置。

通过平面确定加工表面位置时，如非回转体零件上的不通槽，一般是通过三个平面确定其位置，则六个自由度均会影响加工表面位置。如果是不通槽，则槽长度方向的移动自由度也会影响加工表面的位置。

6.工件的自由度与加工要求的关系

由上述分析可知，工件的自由度分为影响加工要求和不影响加工要求两类。影响加工要求的自由度会直接工件的距离尺寸和形位公差。移动自由度直接影响距离尺寸，有时也会影响对称度与位置度；转动自由度直接影响形位公差，有时也会影响位置尺寸。不影响加工要求的自由度又分为可以限制和不能限制两种。能够限制而没有限制的自由度则只影响工件的加工效率，不能限制的自由度，如回转体零件绕其回转中心旋转的自由度，其既不影响加工要求也不影响加工效率，定位时只能采用不完全定位或重复定位。

7.结束语

工件的加工要求与零件的结构、加工表面的形状有关，应先正确分析工件的加工要求。自由度与坐标系的建立有关，应先建立坐标系，再分析自由度。影响加工要求的自由度，在定位时必须限制，否则将会出现欠定位，直接影响尺寸精度和形位公差。不影响加工要求的自由度，在定位时可以限制也可以不限制。能够限制而没有限制的只会影响加工效率，单件、小批量生产一般都不限制，在大批量加工时均会限制。