工艺过程基本概念与组成

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1、 新产品构思与实验 仪器生产过程：产品设计 产品制造 产品销售与售后服务 科技人员根据具体的使用需要和现有科学技术的水平和制造能力，对新型仪器的开发进行规划。在此阶段应该注意!产品应具有：先进性 新颖性 实用性 将成熟的构思落实到具体可实现的技术和方法上。仪器生产过程，是形成最终仪器的主要工作，目的是获取具有一定几何特性和物理、化学性能的产品。原材料、工具的供应、筛选、运输、保 管和检验；毛坯制造 制造活动包括：零件制造：即机械加工与热处理 仪器的装配过程：部件和成品的装配 产品质量检查及运行试验 表面装饰和包装 如退火、淬火、正火、发黑、煮兰、表面处理等，可以使机械零件获得一定的力学性能（强

2、度、硬度）、物理特性、化学特性（耐磨、耐腐蚀）。材料成形：铸、锻、焊、注塑、冲压、冷锻等 机械加工：车、铣、刨、磨等 特种加工：电化学、电火花、激光、超声波、射流、高能粒子束等 表面加工：光整、电镀、镀膜、转换膜、装涂、表面改性加工等 常用元器件加工：弹性、陶瓷、光学、塑料零件加工等 仪器常用工艺：钎焊、粘接、刻划、MEMS工艺、电子装联加工 Micro Electromechanical System，即微电子机械系统，是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。微型化、智能化、多功能、高集成度 适于大批量生产。在当前MEMS所能达到的尺度下，宏

3、观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：设计与仿真技术;材料与加工技术;封装与装配技术;测量与测试技术;集成与系统技术等。人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要是将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制

4、、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。完整的工艺过程设计可分为以下步骤：进行零件的描述、建立零件的信息模型。设计加工工艺方法和路线，选择机床或其他设备。确定加工基准，选用或设计夹具。确定工序等加工工艺过程。设计加工余量和工序尺寸参数。计算工时和制造成本。设计检验方法，选择或设计检验量具。生成工艺卡片等。工艺过程：直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程称为。机械加工工艺过程：直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使之成为零件的过程，称为。装配加工工艺过程：按规定的技术要求，将零件或部件进行配合和

5、连接，使之成为仪器的过程，称为。一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。工序是工艺过程的基本单元。工序号 工序名称 加工设备 1备料 2车端面、车大端外圆及倒角 3车端面、车小端外圆及倒角 4铣键槽 5去毛刺 是指在某一道工序中，有时需要对零件进行多次装夹加工，每装夹一次所完成的那一部分工艺过程称为一次安装。工序2和工序3都是两次安装。再如上图的阶梯轴，如表中，若工序2和工序3合并成一个工序，则需要进行两次装夹；先装夹工件一端，车端面、大端外圆及倒角，称为安装1，再掉头装夹工件，车另一端面、小端外圆及倒角，称为安装2。是指在某一道工序中，工件在机床所占

6、的每一个位置上所完成的那一部分工艺过程，称为一个工位。这是因为有些机床有多个加工位置，比如多轴车床、六角车床、组合车床、多位机床，或者在普通机床上通过安装转台也可实现多位加工，在这种情形下，就有工位的概念。一次安装或一个工位中，加工表面、切削刀具及切削用量都不变的情况下所进行的那一部分工艺过程，即称为一个工步。这里指的切削用量是指主轴转速和进给量，不包括切削深度。有些工件，由于余量大，需要用同一刀具，在同一转速下及进给量下对同一表面进行多次切削，这每一次切削就称为一次进给。如下图所示，将棒料加工成阶梯轴，第二工步车右端外圆分两次进给。是指工人或机器本身的一个行动单元。例如在一次进给中可有开车、

7、接近、送进、停车、退刀等各种动作。基本概念 加工余量：工件加工前后尺寸之差，即使加工表面达到所需的精度和表面质量而应切除的金属表层。它分为工序余量和加工总余量。工序余量：相邻两工序的尺寸之差。用Zbi表示。加工总余量（毛坯余量）：毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差。用Zb0表示。n工序或工步数目 nibibZZ10 a)对回转面加工：单面余量是指相邻两工序的半径差，以Zb表示。双面余量是指相邻两工序的直径差，以2Zb表示。一般多采用双面余量（直径余量）；回转表面的加工余量如图所示。对于外圆表面而言：对于内圆表面而言：其中：、上工序直径尺寸；、本工序直径尺寸2babZdd2bbaZDDadaDbdbD

8、 b)对于平面加工 单面余量是指一个表面为基准加工另一表面时相邻两工序的尺寸差，以Zb表示。双面余量是指以加工表面的对称平面为基准同时加工两表面时相邻两工序的尺寸差，以2Zb表示。对于外表面：单面余量：双面余量：对于内表面：单面余量：双面余量：bZab2bZabbZba2bZba 由于毛坯不能达到零件所要求的精度和表面粗糙度，因此要留有加工余量，以便经过机械加工来达到这些要求。如果加工余量过大，增加了材料、电能、工具等的消耗，降低了生产率，而且有可能无法保存零件的最耐磨的表面层，降低了被加工表面的机械性质。如果加工余量过小，不能修正上道工序的误差和加工后的痕迹，即不能保证去除零件表面的缺陷层，

9、因而不能保证质量，造成废品。由此可知，余量过大或过小时，都会对机械加工带来不利的影响，因此要研究余量问题。前一工序的公差Ta 前一工序所遗留的表面粗糙度Rza与表面缺陷层深度Ia 前一工序各表面间相互位置的空间偏差 它包括弯曲度、平面度、同轴度、平行度和垂直度等，应在本工序予以修正。本工序的装夹误差 它包括定位误差和夹紧误差，它会影响夹具和被加工表面的相对位置，使加工余量不够，所以也应计入加工余量。ab 分析计算法 经验估计法 查表修正法 是根据一定的试验资料和计算关系式，对影响加工余量的各因素进行综合分析计算来确定加工余量的方法。多用于大批量生产中，在某些重要工序上应用。这种方法确定的加工余

10、量是最为经济合理的，但需要积累较全面的试验资料，且计算过程较复杂。是工艺人员根据积累的生产经验采用类比法确定加工余量的方法，为避免产生废品，此法所估计的加工余量一般偏大，常用于单件小批生产。是以生产实践和试验研究积累的有关加工余量的资料数据为基础，并按具体生产条件加以修正来确定加工余量的方法。由于设计尺寸、毛坯尺寸、工序尺寸都有公差，所以加工余量不是一个固定值，有最大余量、最小余量之分，余量的变动范围亦称余量公差。最大余量与最小余量的计算有“极值计算法”和“误差复映计算法”两种。调整法加工时采用“误差复映计算法”较适宜，通常均采用“极值计算法”。根据极值法原理，对于外表面加工，最大余量是上工序

11、的最大极限尺寸与本工序最小极限尺寸之差；最小余量是上工序的最小极限尺寸与本工序最大极限尺寸之差，如图所示。内表面加工则相反。为了便于加工和计算，工序尺寸一般按“入体原则（偏向实体原则）”标注极限偏差，即对于外表面最大极限尺寸就是基本尺寸，对于内表面最小极限尺寸就是基本尺寸。最大、最小加工余量可分别表示如下：对于外表面（平面）加工：SbbbjjbjTZTZbSbSZminmaxmaxmaxbbjbTZbSZminmaxmaxSbjbTZbSZmaxminminSbbbZTTbbSSZZTbminmaxminmaxminmaxSbbbjjbjTZTZSbSbZminmaxminminbbjbTZS

12、bZminmaxmaxSbjbTZSbZmaxminminSbbbZTTZZTbminmaxSbbbbSbSbjTZTZddddZjjminmax222maxmaxbbjbSbTZddZ22minmaxmaxSbjbSbTZddZ22maxminminSbbbZTTZZTbminmax222 式中：、本工序最大、最小单面余量SbbbSbSbbjTZTZDDDDZjjminmax222minminbbjSbbTZDDZ22minmaxmaxSbjSbbTZDDZ22maxminminSbbbZTTZZTbminmax222maxbZminbZ 本工序单面余量公差 上工序最大极限尺寸 上工序最小极

13、限尺寸 本工序最大极限尺寸 本工序最小极限尺寸 上工序、本工序尺寸公差，对于回转表面指直径公差。bZTmaxSmaxSdmaxSD、minSminSdminSDmaxbmaxbdmaxbDminbminbdminbDSTbT 根据误差复映规律，当上工序的工序尺寸是最大时，本工序亦将是最大尺寸，反之亦然。如图所示。由于工序的偏差按“入体原则”标注，故误差复映法计算的最大余量就是基本余量，故最大加工余量、最小加工余量、余量公差可分别表示如下：对于外表面（平面）加工：maxmaxmaxbSZbminminminbSZb bSbbSbbjTTZTbTSbSZZminminminmaxmaxmaxbSb

14、bZTTZZTbminmaxminminmaxSbZbmaxmaxminSbZb bSbSbbbjTTZTSTbSbZZminmaxmaxminminmaxbSbbZTTZZTbminmaxmaxmaxmax2bSbddZminminmin2bSbddZbSbbSbbjTTZddZZminmax222maxmaxbSZTTTb2minminmax2SbbDDZmaxmaxmin2SbbDDZbSbSbbbjTTZDDZZminminmax222minbSZTTTb2 在机械加工中，工序尺寸及其公差的确定是制定工艺规程的主要工作之一。工序尺寸是指零件在加工过程中各工序所应保证的尺寸，要根据已经确

15、定的加工余量及定位基准的转换情况进行计算，也就是说这部分内容与尺寸链的计算密切相关，并且此时的尺寸链称为工艺尺寸链。原始尺寸和合成尺寸原始尺寸和合成尺寸 原始尺寸：零件或部件的单个尺寸或相互原始尺寸：零件或部件的单个尺寸或相互位置称为。位置称为。合成尺寸：由两个或多个原始尺寸间接形合成尺寸：由两个或多个原始尺寸间接形成的尺寸称为，是由原始尺寸决定的。成的尺寸称为，是由原始尺寸决定的。对一个零件来讲，合成尺寸是加工过程中自然形成的尺寸，如下图所示：其中尺寸 是加工获得的，是原始尺寸；是在 加工好之后自然形成，故为合成尺寸。123AAA，0A123AAA，对一台仪器来说，合成尺寸是装配尺寸，如下图

16、所示：其中孔和轴的尺寸 是原始尺寸，它们形成的间隙 为合成尺寸。12AA，0A 1.3.1基准的分类：定义：是指用来确定零部件上各要素之间的几何关系所依据的那些点、线、面。基准的分类 设计基准 工艺基准 工序基准 定位基准 装配基准 测量基准 定义:依据零件本身结构要素之间的相互位置关系，确定标注尺寸起始位置的那些点、线、面称为。(在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准称为设计基准)。即零件设计图样上所采用的基准。齿轮的外圆 和分度圆 的设计基准是齿轮内孔的中心线，而尺寸L1和L2的设计基准是表面A。1dd 零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为。在工序图上，用来标定本工序所加工表面加工

17、后的尺寸、形状、位置的基准。它是标注工序尺寸的起点。如下图或书P13图1-9b所示。加工表面为D孔，要求其中心线与A面垂直，并与C面和B面保持距离尺寸为L1和L2，因此表面A、B、C均为本工序的工序基准。工序基准除采用工件上实际表面或表面上的线以外，还可以是工件表面的几何中心、对称面或对称线。工件在机床上或夹具中进行加工时，用来决定工件在工序尺寸方向上相对刀具确定位置的点、线、面为。定位基准需采用实际存在的几何要素，是工件上一个或几个具体的面（或点、线），当工件在夹具上，它与夹具定位元件上的面（或点、线）相接触，并使工件上加工表面在工序尺寸方向上相对刀具获得确定的位置。例如书中P13图1-9b

18、，再如下图所示。定位基准 粗基准：用作定位基准的表面是没有加工 过的毛坯面。精基准：用作定位基准的表面是已经加工 过的表面。定义：装配时，用来确定需要组装的零部件在产品中的相对位置所采用的那些点、线、面。装配基准也需采用实际存在的几何要素。如图所示，齿轮是以其内孔及一端面装配到与其配合的轴上，故齿轮内孔A及端面B为装配基准。定义：在测量时所采用的基准。粗基准的选择原则 便于装夹原则 选择加工余量最小的、较精确光滑的、面积较大的毛坯面做粗基准，以利于被加工零件定位准确、装夹方便。也就是说，作粗基准的表面应平整，没有浇口、冒口或飞边等缺陷。余量均匀原则 粗基准的选择应合理地分配各工序的加工余量。对

19、某些重要表面（如导轨面和重要的内孔等），应尽量能使其加工余量均匀。此时，选择重要表面为粗基准，就是为保证该重要表面的余量均匀，而后续工序则用加工后的精基准定位，这样被加工表面的余量和精度都能得到保证。例如，导轨面要求加工余量尽可能小，以获得高硬度和耐磨的表面。这是因为铸件内部耐磨性低于表面层，若在导轨面上切除余量太多，会降低导轨面耐磨性。为了使导轨面切除余量少而均匀，先选用导轨面作为粗基准，再以底平面作为精基准加工导轨面。相互位置原则 选择不加工表面作为粗基准，以保证工件上加工表面与不加工表面的相互位置要求。也就是说，如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面的位置要求，应以不加工表面作为粗基

20、准；如果在工件上有很多不需加工的表面，则应以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作为粗基准。例如，书P13图1-11所示。相反，以内孔2作为粗基准的定位基准（用四爪卡盘夹住外圆1），然后按内孔2找正，则加工面与内孔2的毛坯表面是同轴的，内孔2的余量是均匀的，但加工面与不加工面1是不同轴的，即工件壁厚不均匀，如（b）所示。如果在零件上有很多不需加工表面，则应以其中与加工表面的相互位置要求较高的表面作粗基准。如图示的零件，径向有三个不加工表面，若要求D2和 间的壁厚均匀，则应取作为D2粗基准的定位面。1.00 40 一次性原则 粗基准只能使用一次。因为粗基准本身的精度低，粗糙度数值大，重复使用而产

21、生的定位误差会使相应加工表面出现较大的位置误差。余量足够原则 具有较多加工表面的零件，粗基准选择应保证各加工表面都有足够的加工余量。如图所示，粗基准应选择毛坯上余量最小的表面，即选择55，则有可能因为余量不足而报废。切除总余量最少原则 对具有较多的加工表面的零件，粗基准选择应使零件各加工表面总的金属切除量最少。如“余量均匀原则”中图所示的床身零件，当选择导轨面为粗基准加工床腿表面时，由于加工平面是一简单平面，且面积较小，即使切去较大余量，而金属切除量也并不大，再以它为精基准加工导轨面，可使加工余量小而均匀，这样总的金属切除量和加工劳动量都减小许多。“基准重合原则”“基准统一原则”“互为基准原则

22、”“自为基准原则”辅助基准 基准重合原则 应选用设计基准作为定位基准，以避免由于定位基准与设计基准不重合而产生的定位误差。如书中P13图1-10中所示，在加工主轴孔时，若要体现“基准重合原则”，就应该以设计基准底面M作为定位基准，这样可直接保证设计尺寸H1。在实际生产中，常遇到基准不重合的情况，这是由于用设计基准定位有困难或使夹具结构变得复杂的缘故，此时就不得不选用非设计基准作定位基准。如图所示零件，设1、2面已加工完毕，今在铣床上用调整法加工3面。有两种方案：方案I是：选2面作定位基准来加工3面，如（b）所示，定位基准与设计基准重和。由于尺寸B的制造公差为TB，所以允许产生的加工误差。但这种

23、方案的夹具结构复杂。夹紧力方向与铣削力方向相反，装夹工件也不方便；方案II是:选1面作定位基准来加工3面，如（c）所示，此方案的夹具结构简单，装夹方便。但由于设计基准与定位基准不重合，设计基准相对于定位基准的变动量TA必然引起尺寸B的变化，因此允许产生的加工误差。方案I、II虽然同是加工3面，但由于方案II的即基准不重合，其工序尺寸C的允差要比基准重合方案I的工序尺寸B小TA。如果把定位基准到设计基准之间的距离称为基准尺寸（如例中的尺寸A）则基准尺寸在加工方向上的最大变动量就是不重合误差（如例中的尺寸TA）。由于基准不重合误差的存在，使工序尺寸的公差不得不缩小，有可能造成加工困难。“基准统一原

24、则”：零件上所有表面的加工，特别是相互位置要求精确的表面，尽可能在多数工序中采用同一组精基准定位。例如书P13图1-10。再如轴类零件的加工，多为采取顶尖孔做同一基准加工各外表面，可保证各表面之间较高的同轴度。采用了统一基准，必然会带来基准不重合，因此基准重合原则和基准统一原则是有矛盾的，应根据具体情况处理。当然使用统一基准并不排斥个别工序采用其它基准。“互为基准原则”：对于相互位置精度要求较高的两个表面，自身的尺寸精度和形状精度都很高时，采用互为基准。例如，书P14图1-12，精密齿轮的加工。再如下图所示，车床主轴要求前后轴颈与前锥孔同心，工艺上采用以前后轴颈定位，加工通孔并前锥孔，再以前锥

25、孔及后锥孔（附加定位基准）定位加工前后轴颈。经过几次反复，由粗加工、半精加工至精加工，最后以前后轴颈定位，加工前锥孔，保证了较高的同轴度。“自为基准原则”：对某些精度要求很高的表面，在精密加工（例如光整加工）时，为了保证加工精度，要求加工表面的余量很小并且均匀，这时常以加工面本身定位，待到夹紧后将定位元件移走，再进行加工。自为基准加工原则，不能提高位置精度，但可以提高尺寸和形状精度。典型的自为基准加工方法有：铰孔，拉孔，无心磨，珩磨。辅助基准：在零件上没有合适的表面作为定位基准时，为满足工艺需要在工件上专门设计定位面，这种定位面称为。例如工艺凸台和工艺孔。选择定位基准的各项原则常常是互相矛盾的

26、，根据实际情况考虑定位准确、夹紧可靠、夹具结构简单、操作方便等因素综合衡量后应用。1.4.1夹具的组成 基本概念 夹具：按工艺要求，使工件迅速、准确定位、夹紧供加工、检测和装配用的工艺装备。机床夹具 定义：是用来在机床上迅速、准确地夹紧工件，保证加工中工件与刀具有正确相对位置的一种工艺装备。机床夹具是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具的相对位置关系的附加装置。将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，称为辅助工具。定位：工件在机床上加工时，按照定位基准的要求，将工件安放在工作台上或夹具里使它和刀具之间保持正确的相对位置就称之为定位。夹紧：在加工过程中为了保持工件位置不变，必

27、须把工件夹紧，以承受切削力及其他外力，这就是夹紧。直接找正装夹：工件装到机床后，用百分表（或千分尺）或划线盘上的划针目测校正工件位置，以保证被加工表面的位置精度，而后夹紧工件。每加工一个工件都得重复上述过程。划线找正装夹：有些重、大、复杂工件，先在待加工处划线，然后装到机床上，按线找正定位。夹具装夹：即以夹具夹紧工件进行加工。在成批和大量生产中广泛采用夹具装夹工件。按不同的角度有不同的分类。按照使用范围来分：a)通用夹具：用来加工一定范围的同一类型的工件，与通用机床配套，作为通用机床的附件。如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、平口钳、分度头和磁力工作台等。广泛应用于单件小批生产中。b)专用夹具：为

28、某一零件的某一道工序而专门设计制造的夹具，它没有通用性，但可用在通用机床或专用机床上。应用于产品和工艺相对稳定，批量较大的生产中。c)组合夹具：由许多标准件组合而成，可根据零件加工工序的需要拼装，用完后再拆卸。d)成组夹具：在成组加工中所使用的专用夹具。成组加工：根据零件的相似性，对零件规类分组，制定成组加工工艺，然后设计各工序所用的夹具。e)随行夹具：用于自动生产线。工件安装在随行夹具中由运输装置送往各机床，并在机床夹具或机床工作台上进行定位夹紧。从使用机床的类型来分：a)车床夹具 b)磨床夹具 c)铣床夹具 d)钻床夹具 e)镗床夹具 f)齿轮机床夹具 g)其它机床夹具 从用途来分：a)机

29、床夹具 b)装配夹具 c)检验夹具 d)其它夹具 从夹紧力的来源可分为：a)手动夹具 b)气动夹具 c)液压夹具 d)气、液压夹具 e)电动夹具 f)电磁夹具 g)真空夹具 h)自紧夹具（靠切削力本身夹紧）定位元件（或装置）夹紧装置 对刀、引导元件 夹具连接元件（夹具在机床上的安装装置）夹具体 定位元件（或装置）用于确定工件在夹具中准确位置的元件（或装置）。它与工件的定位基准相接触，它的结构与所定位元件的基准面有关系。如：支承钉、支承板、心轴、V形块、定位套、定位销等。书P15图1-13中的5，6即定位元件。夹紧装置：用以确保工件在夹具中的定位位置，加工过程不发生改变的装置。它将工件夹紧，以保

30、证在加工时保持所限制的自由度。书中P15图1-13中的7。对刀、引导元件：用于确定夹具相对于刀具正确位置的元件。用以引导刀具进行加工的元件称为引导套筒，如钻套、镗套等。用以确定刀具位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。书P15图1-13中的3。夹具连接元件（夹具在机床上的安装装置）：确定夹具在机床上正确位置的元件。如：定位键、心轴、过渡盘等。书P15图1-13中的1。夹具在机床上必须定位夹紧，才能最终保证工件与刀具的相对位置，在机床上进行夹具定位夹紧的元件，所以把它称为连接元件。夹具体：用于安装夹具上各种元件和装置使之构成一个整体的基础件。夹具体是夹具的关键零件。定位元件、夹紧装置、导向元件、对

31、刀装置、连接元件等都装在它上面，因此夹具体一般都比较复杂，它保证了各元件之间的相对位置。a)有足够的强度和刚度 在加工过程中，夹具体要承受切削力、夹紧力、惯性力、以及切削过程中产生的冲击和振动，所以夹具体应有足够的强度和刚度。为此，夹具体要有足够的壁厚，并根据受力情况适当布置加强肋或采用框式结构。一般加强肋厚度取壁厚的0.70.9倍，肋的高度不大于壁厚的25倍。b)减轻重量，便于操作 在保证一定的强度和刚度的情况下，应尽可能使其体积小、重量轻。在不影响刚度和强度的地方，应开窗口、凹槽，以便减轻其重量。特别是对于手动、移动或翻转夹具，通常要求夹具总重量不超过10kg，以便于操作。c)要有良好的结

32、构工艺性和使用性 夹具体的结构应尽量紧凑，工艺性好，便于制造、装配和使用。d)尺寸稳定，有一定的精度 夹具体各主要表面要有一定的精度和表面粗糙度要求，包括形状精度和位置精度，这是保证工件在夹具加工精度的必要条件。e)排屑方便 为了防止加工中切屑积聚在定位元件的工作表面上或其它装置中，影响工件的正确定位和夹具的正常工作，因此在设计夹具体时，要考虑切屑的排除问题。f)在机床上安装要稳定、可靠 g)吊装方便，使用安全 其他元件及装置：主要有分度装置、靠模装置，操作机构及其它元件。凡是在工件一次装夹后，可以通过夹具的可动部分转动一定角度或移动一定距离以改变工件加工位置的装置，都可以称为分度装置。1.4

33、.2定位原理与自由度分析定位原理与自由度分析 工件在加工中的六点定位原理 一个工件在空间可能具有的运动，称为自由度。工件在空间的自由度，用直角坐标来表示时，共有六个，即在x、y、z轴的位移，和绕x、y、z轴的回转，并分别用 、和 、符号表示。六点定位原理：工件要进行定位，如果用定位元件限制了六个自由度，则该工件在空间的位置就完全确定了，这就是。xyzxyz 例如在讨论长方体工件的定位时，可以布置如下图所示的6个定位点。底平面的三个定位点限制 三个自由度，侧面的两个定位点限制 两个自由度，后端面的一个定位点限制一个自由度。,z x y ,y z 对于定位基准面，有如下三种：主要定位基准：底平面A

34、用三个支承点定位，限制工件的三个自由度，这个表面叫做。如果把这三个支承点连接起来，就得到一个三角形，三角形愈大，工件放得愈稳固，也愈能保持与工件其它表面间的位置精度，所以常选工件上最大表面作为主要定位基准。导向定位基准：侧面B用两个支承点定位，限制工件的两个自由度，这个表面叫做。常选用工件上最长表面作导向面，因为长表面可使这两个支承点距离较远，而使工件对准坐标平面的位置精度准确可靠。止推定位基准：后端面C用一个支承点定位，消除工件最后一个自由度，这个表面叫做。常选工件上最短最狭的表面为止推面。完全定位和不完全定位 a)完全定位：当工件的六个自由度都被夹具的定位元件所限制时，称为。如书P16图1

35、-17a所示。b)不完全定位：按工件加工要求，当应限制的自由度都被限制，但还未完全限制六个自由度时，称为 欠定位和过定位 a)欠定位：按工件加工要求，应该限制的自由度没有完全限制，称为。也就是说，工件在机床或夹具中定位时，定位支承点数少于工序要求应予以限制的自由度数，则工件定位不足。欠定位将不能保证加工尺寸和位置精度，所以欠定位时不允许的。b)过定位：在夹具中有一个以上的定位元件重复限制同一个自由度，称为。对于过定位，具体问题具体分析。如下图所示齿轮毛坯定位的情况。图（1）是短销、大平面定位：短销限制了 、，大平面限制了 、，共限制了五个自由度，无过定位。图（2）是长销、小平面定位：长销限制了

36、 、，小平面限制了 ，共限制了五个自由度，也无过定位。图（3）是长销、大平面定位：长销限制了 、，大平面限制了 、，因此 、自由度有两个定位元件限制，产生过定位。xyzxyxyxyzxyxyzxyxy 消除过定位的方法就是去掉重复的定位元件，上图（3）所示的过定位情况可采用图（1）或图（2）来解决。若加工面要求与端面的位置精度较高时，则采用短销、大平面的定位方案；若加工面要求与孔的位置精度较高，则采用长销、小平面的定位方案。过定位虽然有坏处，但如果工件定位面的精度较高时，夹具定位元件的精度也较高，过定位的影响将不大，反而可以增加加工时的刚度。上述的齿轮毛坯，若其孔与端面垂直，则过定位是允许的。

37、有时在加工中利用过定位来提高刚度，如下图示，在车床上，用前后顶尖定位一根细长轴，两个顶尖限制了 、五个自由度。xyzyz 由于工件刚度差，车削时加了中心架，而中心架又限制了 、两个自由度，这样，定位就有重复，产生过定位。但是，这种过定位是允许的，因为没有中心架，加工误差将更大，甚至产生切削振动而不能加工。zy 加工要求限制的自由度没有限制，是欠定位。欠定位是不允许的。所限制的自由度少于六个时，不一定有欠定位。当一个自由度受到一个以上的定位元件限制时，产生定位重复，叫过定位，又称重复定位。过定位一般是不允许的。它可能 产生破坏定位，工件不能装入，工件变形或夹具变形等后果。所限制的自由度少于六个时

38、，也可能有过定位。如果工件定位面精度较高，夹具定位元件的精度也很高，过定位是可以允许的，因为它可以提高加工时的刚度。如果工件刚度较低，用过定位能提高其刚度，使加工精度改善，则过定位也是允许的。六个自由度都被限制时，为完全定位。工件的定位应根据加工要求而定，不必都要完全定位。欠定位和过定位可能同时存在。1.4.3定位方法与定位元件设计 定位元件的设计应该满足以下要求：定位元件的工作表面必须具有高的耐磨性，以便长期保持夹具的定位精度；足够的刚度和强度，以避免由于工件所受的重力、夹紧力、切削力的作用，使定位元件变形或损坏；好的工艺性，使其便于制造和装配；工件表面的形状要易于清除、切屑，防止损伤定位基

39、准表面。工件以平面做定位基准 工件以平面作为定位基准时，除某些情况（例如定位基准面很小，工件刚性差、定位基准已经过精加工等）可采用在断续平面上定位外，一般多采用在适当布局的支承钉或支承板上定位。这是因为两个较大的平面均不可能是绝对平面，因而相互接触的总是最突出的三点。如下图（a）所示为用一个平面来支承一个粗糙的基准平面情况，这三点的位置对于每一个被定位的工件来说是各不一样的，且所构成的支撑三角形大小也不一样，也就增大了基准位置误差。所以在一般情况下采用三个定位支承钉，以使接触点直接限制在这三个范围内，同时应尽可能增大支承之间距离L，使三点之间面积S尽可能大，以利于提高定位基准位置精度。如下图（

40、b）所示。对于经过精加工的定位基准，精度比较高，此时采用平面来支承反而优点较好：一是接触面积大，能减少工件变形；二是不会影响定位精度但却能提高工件的稳固性。生产中所采用的定位支承面往往是断续的平面，即加工掉中间的一部分或开若干个小槽，如下图所示，这样还便于清除支承面上的切屑。平面定位元件有以下四种：固定支承 可调支承 自位支承 辅助支承 固定支承 固定支承有两种，支承钉和支承板。支承钉有许多种，大多已经标准化或规格化。它们共同特点是不能调整，高矮尺寸是固定的。平头支承：用于已加工过的平面。P19图1-19a。圆头支承：即球头支承，用于未加工的平面，以便保证良好的接触。P19图1-19b。网纹头

41、支承：用于未加工的平面，以便减少接触面，使定位稳固，同时又增加摩擦力，使定位可靠，一般用在侧面较多。当工件用已加工表面定位时，用支承板定位。P19图1-19c。支承板工作表面有斜槽，切屑易清除，不影响定位。可调支承 可调支承用于未加工过的平面，以调节补偿各批毛坯尺寸的误差。一般不是对每个加工工件进行一次调整，而是一批毛坯调整一次。P20图1-20为带六方头的可调支承：用扳手调节，可以得到较大的支持刚度，用于较重的工件。但螺母的并紧力较大，在可调节支承和夹具体之间增添一T钢衬套，可延迟夹具的寿命。自位支承 又称浮动支承，只起限制一个自由度的定位作用。自位支承又分为两点自位支承和三点自位支承。P2

42、0图1-21为两点自位支承，用于工件的定位基准是长方形的。此外，还有三点自位支承，用于工件定位基准是圆形或方形。辅助支承 在定位时，为了增强工件的刚度和提高工件的稳定性，就增加一些接触点以防止工件在加工中变形，但又不能影响定位，故出现了辅助支承。辅助支承的高度位置是在工件已经定位后才确定的，因此它不起定位作用，辅助支承锁紧后就成为固定支承，能承受切削力。工件以孔做定位基准 圆柱心轴 圆柱心轴分为和过盈配合两种。书P20图1-22所示为间隙配合圆柱心轴，定位基准为孔的中心线。间隙心轴：会产生一定的基准位移误差，影响定位精度。过盈心轴：基准位移误差为零，定位精度高，而且在压入定位部分时起到夹紧作用

43、，但是装卸工件比较费时。圆锥与花键心轴 圆锥种心轴定位精度高，且不破坏工件内孔表面，但它是靠工件与心轴的摩擦力来抵抗切削力，因此只适用于切削力不大的精密加工。如P20图1-23。花键心轴用于带花键孔的工件定位。弹性心轴 工件装入后，靠薄壁弹性变形，使工件既定位又夹紧。如P21图1-24。此种心轴定位精度很高，而且装卸方便，但结构较复杂。定位销 主要用于零件上的中心孔定位，一般直径不超过50mm。定位销有两种：一种是圆柱形定位销，简称圆销（P21图1-25），限制两个自由度；另一种是菱形销（P24图1-33a），限制一个自由度，适用于工件以两个圆孔表面组合定位的情形。为便于工件的顺利装入，定位销

44、工作部分的头部有较大的倒角（常为15）或圆弧。圆锥销 P21图1-26，其中a)用于精基准孔的定位，b)用于粗基准孔的定位，c)用于联合定位。对于圆锥销更详细的介绍，请参考王先逵的机械制造工艺学（清华大学出版社）和王启平的机械制造工艺学（哈尔滨工业大学出版社）工件以外圆柱面做定位基准 工件以外圆柱表面做定位基准时，应使工件轴线与规定的轴线重合。常用的定位元件有套筒、V形块、组合支承、半圆孔、锥孔及自动定心装置。套筒（定位套）工件以外圆柱面作定位基准在夹具的圆孔中定位，其定位元件常作成套筒在夹具体上。如下图所示为用套筒定位的情况。图a为以工件端面作为主要定位基准，而图b所示以工件外圆的轴心线作为

45、定位基准。这种定位方法的特点是定位元件的结构简单，但基准位移误差较大。V形块 在夹具中，为了确定工件定位基准外圆表面中心线的位置，也常采用两个支承平面组成的V形块定位。V形块是指由两个互成角的工作平面所构成的槽形定位元件。角度一般常做成60、90及120三种，其中以90最为常用。V形块在进行定位时，主要起对中作用，即使工件的外圆定位表面的中心在V形块两对称斜面的交线上。选择V形块时，按工件直径D选择尺寸N。V形块中所示的基本尺寸，如图1-28，亦如下面简图。d标准心轴直径，即工件定位用的外圆直径 HV形块的高度 NV形块的开口尺寸 T对称准心轴而言，V形块的标准定位高度，通常可作为检验用 由几

46、何关系可得N、D、G、H及的关系式，由上图知：1THOBO Bsin2sin22OAdOB11tan2tan22O ENO B2sin2tan22dNTH2sin2tan22dNTH 当 时，当 时 半圆孔 对于工件尺寸较大或采用整个孔定位有困难时，可用半圆孔定位。它与V形块定位情形相似，不同点在于，V形块是两条素线接触，大夹紧力易损坏工件表面，而半圆孔定位接触面积较大，可避免此缺点0900.7070.5THdN01200.5780.289THdN 自动定心装置 该装置可以使工件同时得到定位和夹紧。P22图1-29中a)为自动对中装置，b)、c)为自动定心装置。楔式自动定心装置 偏心自动定心装

47、置 弹性自动定心装置 平头支承（支承板）在夹具中，工件以外圆表面的侧母线定位时，也常采用平头支承，即支承板。平头支承对工件外圆表面的定位属于支承定位，定位时限制自由度数的多少将由其与工件外圆侧母线接触的长短而定。图a所示，当两者接触较短，支承板对工件限制了一个自由度；当两者接触较长，如图b，则限制了两个自由度。工件以特殊表面做定位基准 用齿轮分度圆定位 P14图1-12所示为齿面定位原理简图。它用三个精度很高的定位圆柱均匀插入齿间，实现定位。用导轨面定位：常见的有55燕尾导轨面和V形导轨面定位。工件以一平面和两个与其垂直的孔做定位基准 这是一种复合定位方法，定位元件为一个平面和两个短定位销（其中一个为菱形销）进行定位。参与复合定位的除了菱形销外，还有扁销和鼓肚销，P24图1-33b，c。在复合定位中，还有一个平面和一个与其垂直的孔组合等；在复合定位中容易出现过定位和定位基准的主次选择不当的问题。定位误差的分析与计算 定位误差：同批工件在夹具中定位时，工 序基准位置在工序尺方向上的最大变动量 定位误差 基准不重合误差 基准位移误差 基准不重合误差 引起的定位误差 DCWCDC