夹具定位原理在机械产品设计中的应用

2023-04-05张玉叶

现代制造技术与装备 2023年1期

张玉叶张靖

（1.苏州托普信息职业技术学院，昆山 215311；2.空军济南航空四站装备修理厂，济南 250022）

夹具在现代机械产品的设计应用中具有重要作用[1]。夹具定位的精确度直接影响机械产品的加工质量，对提高机械加工整体效率有显著助益。在夹具的支持下，可以准确定位机械加工中相关工件并限制其自由度，以确保夹具定位元件同基准面保持紧密接触。由于机械产品设计的种类、规模等方面需求不同，保证夹具定位原理运用的质量能有效支撑机械产品设计工作。

1 机械加工定位基准

定位基准在机械加工中占据重要地位。基准用来确定工件加工中点、线与面之间的关系，即保障机床夹具中的零件维持在正确位置。从适用场所和作用角度来讲，可以将基准划分为工艺基准和设计基准。设计基准是设计图样的基准，在机械加工实践中包括确定孔洞中心线或轴类工件，精准定位对称工件的加工位置及尺寸等。工艺基准涉及的内容更广泛，如定位基准、装配与测量等。

2 机械加工夹具设计原理

机械加工零件不同，涉及的加工工艺也不同。在机械零件加工前，要结合加工零件的实际形状、尺寸等情况选择最佳的夹具，确定最合理的刀具夹紧方法，保障机械零件加工的整体质量。机械零件不同，装夹期间需合理设计夹具。差异化的机械零件涉及差异化的夹具。

机械加工夹具设计中涉及的定位原理，实际上就是六点定位原理，即任何一个刚体结构都涉及6个自由度（x、y、z坐标轴上的3个移动自由度和绕着坐标轴进行旋转的3个自由度），借助它们的有效定位限制工件的位置。任何一种机械产品本身的运动都是借助支撑机构、传动机构等动作机构实现运动的，因此加工机械零件本身在空间上的动作尺度是可控的。在六点定位原理支持下，结合设计机械零件的动作需求与产品功能特性等实际情况来准确定位，可有效控制机械零件夹具设计质量[2]。

3 机械加工夹具效用及设计标准

3.1 机械加工夹具的效用

机械加工夹具的效用体现在3个方面。第一，一般效用。夹具在机械零件加工中的一般作用是定位与夹紧。定位，即确定机械加工零件在夹具中的正确位置，借助夹具定位元件定位面与机械加工零件定位基准面保持相互接触的方式实现定位效用。夹紧效用则是在机械加工零件定位后对其进行固定，保证整个机械加工中零件本身位置不会发生改变。第二，特殊效用。除一般效用外，夹具在机械零件加工中还涉及如下作用。一是对刀作用，调整刀具切削刃相对夹具或机械加工零件的正确部位；二是导向作用，精准确定机械零件加工过程中的动作方向。第三，在机械加工中夹具能有效控制机械加工精度。提高机械加工效率，降低生产作业成本，改善机械加工人员的生产作业环境与条件，保证机械加工作业的安全性，提高机械加工产品的质量，拓宽机床加工工艺的适用范围。

3.2 机械加工夹具的设计标准

设计机械加工夹具需要遵从4个设计标准[3]。第一，标准性。依据国家关于夹具的相关标准，标准化设计夹具。第二，精密性。结合机械产品的设计精度要求来优化设计夹具，保证其满足机械产品生产的精度要求。第三，灵活性。结合机械产品加工需求，优化设计夹具本身的结构，保证夹具适应于多种不同的加工情况及条件。第四，科学性。基于夹具定位原理，科学确定夹具设计中的定位点，合理设定位置及数量，同时要结合夹具定位基准位置、形状等合理确定定位支撑点。

4 机械加工夹具定位分类与定位方案

根据几何体定位方式的不同，将机械加工夹具定位类别及方案划分为4种基本形式。

（1）平面几何体定位。该种夹具定位属于支承定位，即一种平面定位方式，常用定位元件包括夹具体平面及凸台、夹具支撑体、支撑板与支撑钉等。对平面几何体类型的机械零件加工，采取六点定位的方式。

（2）圆柱几何体定位。该种几何体定位方式是外圆面定位方式或圆孔定位方式。外圆面定位方式的机械加工零件以外圆柱面进行定位，包括支承定位形式和定性定位方式，涉及V形块、止动销及止推螺钉等常用定位元件。机械零件采用圆孔定位形式时主要采用定性定位方式，涉及心轴、定位销等常用的定位元件。

圆盘几何体定位。圆盘型机械零件要限制其自由度时，可采用平面、止动销和圆柱销相结合的方式。

（4）机械零件以其他表面定位。除圆孔、平面以及外圆柱面，机械零件夹具设计过程中还可能会采用曲面、渐开线齿面以及圆锥面等进行定位。

除上述基本的定位形式，机械产品设计过程中可以灵活运用夹具组合不同类型的定位表面[4]。在若干表面同时参与定位时，根据不同表面所起作用划分主次部分。主要定位面是涉及定位点数最多的表面。设计不同种类的定位表面，可使机械产品加工更高效。

5 机械产品设计中夹具定位原理的应用

5.1 六点定位的原则

基于六点定位原理进行夹具定位时，先确定机械产品需要定位的6个自由度，保证设计的夹具可以有效控制这6个自由度。机械产品设计过程中，没有定位机械零件的情况下，夹具定位要有效限制机械产品自由度，维持及控制设计的机械产品本身稳定性，保障机械产品的加工质量。

5.2 机械产品定位分析

在机械产品设计中开展机械产品定位时，要明确夹具精准度。夹具精准度决定了机械产品加工中加工产品的精准度。在实际夹具定位过程中，一般涉及3种相对位置。第一，机械产品和夹具之间的相对位置。第二，机械产品加工机床和机械产品之间的相对位置。第三，夹具和机械产品加工机床之间的相对位置。这3种主要加工相对位置中，机械产品加工机床和机械产品之间的相对位置要借助夹具开展辅助定位。

5.3 机械产品定位方法

机械产品定位过程中涉及4种定位方法。第一，完全定位法。限制机械产品加工过程中的全部自由度。第二，不完全定位法。机械产品加工过程中不完全限制机械产品的自由度，只在产品加工有需要的情况下对其部分自由度进行限制。第三，欠定位法。加工机械产品过程中未定位本应在机械产品加工中定位的自由度，即欠定位法。第四，过定位法。同欠定位法正好相反，机械产品加工中定位本不应定位的自由度。

5.4 机械产品定位的注意事项

在机械产品定位期间，为了保证定位准确性，要注意如下2方面内容。一方面，深入解读和理解夹具定位中六点定位的“点”的含义。在机械产品定位设计期间，该定位法可有效限制机械产品的6个自由度。它们本身不是机械和工件之间的接触点，而是限制机械产品在加工中的自由度。另一方面，准确确定夹紧与定位之间的差异性。机械产品夹紧主要是对机械产品进行固定，在空间层面上无法确定其具体位置。机械产品定位必须要明确夹具中产品的位置，尤其是要保证在夹紧状态下机械产品定位不会在外力作用下出现偏移。

6 机械产品设计中夹具定位设计发展趋势

机械产品设计领域中，现代夹具定位设计主要发展趋势侧重4个方面。第一，标准化。机床夹具本身的通用化和标准化具有紧密联系。国内关于夹具零部件涉及许多专门的标准和规范，如《承压设备带压密封夹具设计规范》（GB/T 26468—2011）等。夹具定位设计必须遵从设计标准，实现商品化生产目标，降低生产成本[5]。第二，精密化。机械产品设计与加工精度需要不断提高，并同步提高夹具定位的精度。第三，高效化。为促进机械产品加工实现可持续化发展目标，持续提高机械产品加工效率，在夹具定位设计中运用高效化夹具，以缩短工件加工时间，提高生产效率。第四，柔性化。机床夹具本身的柔性化同机床柔性化之间具有高度相似性。夹具具备非常多的组合方式和调整手段。因此，可灵活调整机械产品设计定位工艺，确保夹具满足不同形状、尺寸及批次机械产品的加工需求，最大限度拓宽夹具的应用范围。