六點(diǎn)定位原理在加工尺寸調(diào)整中的應(yīng)用

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青 島 2 66555）

在機(jī)械加工過程中，隨著定位裝置元件和夾緊裝置元件的磨損，加工出的零件尺寸就會(huì)出現(xiàn)偏差，這就需要尺寸調(diào)整。由于相關(guān)人員知識(shí)的局限性，對(duì)機(jī)床的調(diào)整存在盲目性，導(dǎo)致機(jī)床定位元件的錯(cuò)誤更換，同時(shí)增加了測(cè)量時(shí)間和停線時(shí)間，造成不必要的停線損失。因此，本文提出用六點(diǎn)定位原理分析機(jī)床夾具的失效模式，從而在工件加工尺寸調(diào)整中，能夠有針對(duì)性的對(duì)機(jī)床夾具進(jìn)行檢查和調(diào)整，降低無謂的測(cè)量和停線時(shí)間。

1 工件定位的基本原理

1.1 六點(diǎn)定位原理

工件的定位就是使一批工件每次放置到夾具中都能占據(jù)同一位置。一個(gè)尚未定位的工件，其位置是不確定的，這種位置的不確定性稱為工件的自由度。將工件假設(shè)為剛體，則其在空間有且僅有6個(gè)自由度，一是沿X、Y、Z軸的移動(dòng)，一是沿X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1示。

圖1 工件的六個(gè)自由度

在工件定位時(shí)，通常是用一個(gè)支承點(diǎn)約束工件的一個(gè)自由度，用合理設(shè)置的六個(gè)支承點(diǎn)約束工件的六個(gè)自由度，這就是六點(diǎn)定位原理。

一面兩銷定位作為六點(diǎn)定位的衍生定位方式，在箱體類零件的加工中有著較為廣泛的應(yīng)用，青島發(fā)動(dòng)機(jī)工廠缸體工段的加工中心夾具，除毛坯面加工的加工中心夾具外，其余機(jī)床夾具都采用此種定位方式，一面兩銷的定位示意圖如圖2示。

圖2 一面兩銷定位示意圖

圖中，底面三個(gè)定位支撐限制沿方向Z的移動(dòng)、X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度，圓柱銷限制沿X方向的移動(dòng)、Y方向的移動(dòng)2個(gè)自由度，菱形銷限制沿Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

1.2 工件定位中的約束分析

運(yùn)用六點(diǎn)定位原理可以分析和判斷夾具中定位結(jié)構(gòu)是否正確，布局是否合理，約束條件是否得到滿足。

根據(jù)工件自由度被約束的情況，工件定位可分為以下幾種類型：

（1）完全定位。完全定位是指工件的六個(gè)自由度不重復(fù)的被全部約束的定位。

（2）不完全定位。根據(jù)工件的加工要求，有時(shí)并不需要完全約束工件的自由度，這樣的定位方式稱為不完全定位。

（3）欠定位。根據(jù)工件的加工要求，應(yīng)該約束的自由度沒有完全被約束的定位稱為欠定位。

（4）過定位。夾具上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的定位元件重復(fù)約束同一個(gè)自由度的現(xiàn)象稱為過定位。

2 六點(diǎn)定位原理在加工尺寸調(diào)整中的應(yīng)用

以工位CBM1060A為例，加工工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

CBM1060A曾經(jīng)發(fā)生過啟動(dòng)電機(jī)安裝孔和啟動(dòng)電機(jī)定位孔位置度超差的質(zhì)量事故，造成此次加工尺寸超差的潛在原因有三個(gè)：

（1）機(jī)床軸發(fā)生傾斜；

（2）機(jī)床夾具夾緊元件失效；

（3）機(jī)床夾具定位元件失效。

2.1 機(jī)床B軸發(fā)生傾斜可能性分析

從三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告來看，只有啟動(dòng)電機(jī)定位孔（H230）和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔（H208、H209）位置度超差，前端面各孔位置度都在公差范圍內(nèi)，才可以排除機(jī)床軸偏移的可能性。

2.2 機(jī)床夾緊元件失效的可能性分析

從超差工件的三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告可以看出，CBM1060A只是加工的部分尺寸超差，所以排除機(jī)床夾緊元件失效的可能性。

2.3 機(jī)床夾具定位元件失效可能性分析

（1）機(jī)床夾具定位分析

從機(jī)床的上料門方向看，機(jī)床坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 機(jī)床坐標(biāo)系示意圖

圖5 CBM1060A夾具圖

CBM1060A的機(jī)床夾具如圖5，定位元件的功能分析如下：

相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系，則圖中1，2，3三個(gè)定位氣檢塊限制工件沿Y方向的移動(dòng)，沿X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度；4所代表的圓柱銷限制工件沿著X、Z方向的移動(dòng)2個(gè)自由度；5所代表的菱形銷限制工件沿Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

（2）機(jī)床夾具定位元件失效可能性分析

從CMM報(bào)告得知，啟動(dòng)電機(jī)定位孔（H230）和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔（H208、H209）位置度超差主要是沿著機(jī)床坐標(biāo)系X方向超差（因?yàn)槿鴺?biāo)測(cè)量儀坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系不一致，下文中都將三坐標(biāo)所測(cè)得的數(shù)值轉(zhuǎn)換為在機(jī)床坐標(biāo)系的數(shù)值）：H208機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是180.080 0 mm，實(shí)際值是179.629 mm，偏差0.451 mm；H209機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是225.560 mm，實(shí)際值是225.166 3 mm，偏差0.393 7 mm；H230機(jī)床X方向坐標(biāo)名義值是202.820 0 mm，實(shí)際值是202.397 4 mm，偏差0.422 6 mm。所以，根據(jù)上述對(duì)機(jī)床夾具定位方式的分析，可以排除機(jī)床三個(gè)定位氣檢塊失效的可能，但是圓柱銷或者菱形銷失效，都會(huì)造成啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔機(jī)床X方向位置度超差。

首先，假設(shè)是圓柱銷失效導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔機(jī)床X方向位置度超差，那么CBM1060A加工的缸體所有尺寸都將沿著機(jī)床X方向偏移，但是從三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告可以看出：缸體前端面的孔H101在10.2 mm深的截面，機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是170.000 0 mm，實(shí)際值是170.023 0 mm，偏差0.023 mm；H102在10.2 mm深的截面，機(jī)床X方向的坐標(biāo)名義值是37.000 0 mm，實(shí)際值是36.966 1 mm，偏差0.033 9 mm，偏差值都在公差范圍內(nèi)，兩孔的位置度合格，所以，假設(shè)圓柱銷失效是不成立的。通過檢查機(jī)床夾具圓柱銷，沒有發(fā)現(xiàn)圓柱銷有磨損、斷裂、變形等失效現(xiàn)象。

從上述分析可以得知，只有菱形銷失效才能導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔位置度超差，下面分析菱形銷失效導(dǎo)致加工尺寸超差的可能性。

根據(jù)力學(xué)基本原理，剛體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是∑M=0，當(dāng)∑M≠0時(shí)，工件將沿著扭矩大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)粗銑TCB6006啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面時(shí)，忽略其它影響及對(duì)本研究無重要影響的作用力，并假定工藝系統(tǒng)是剛性的，切削過程穩(wěn)定不變，則缸體在粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面過程中，工件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受切削力、重力、夾緊力、工件與頂面夾板和底面定位支撐的摩擦力（轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，工件將保持靜止，此時(shí)工件還受菱形銷對(duì)工件的作用力，本文不作研究）各力投影到機(jī)床坐標(biāo)系的XOZ平面，受力分析簡(jiǎn)圖如圖6（因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)角度比較小，可以忽略不計(jì)，本文不對(duì)各力在坐標(biāo)系中進(jìn)行分解）。

圖6 工件受力分析簡(jiǎn)圖

圖中，F(xiàn)代表切削力，F(xiàn)1代表工件與缸體頂面夾板的摩擦力，F(xiàn)2代表工件與缸體底面定位支撐的摩擦力，根據(jù)機(jī)床夾具特點(diǎn)，可以假設(shè)工件的夾緊力P和重力G都是作用在工件的重心上，工件重心與幾何中心重合。

當(dāng)?shù)毒卟牧鲜怯操|(zhì)合金，刀具為端面銑刀，工件材料是灰鑄鐵時(shí)，切削力為：

其中，

ap為銑削深度，mm；

d為銑刀直徑，mm；

fz為每齒進(jìn)給量，mm；

B為銑削寬度，mm；

z為銑刀齒數(shù)；

粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面的刀具TCB6006，其ap=1.3 mm，d=190 mm，fz=0.14 mm，B=150 mm，z=12。

機(jī)床的夾緊力和工件的重力是恒定的，工件與頂面夾板的摩擦系數(shù)μ1和工件與底面定位支撐的摩擦系數(shù)μ2也是恒定的，當(dāng)工件是灰鑄鐵，表面是加工完的表面時(shí)，摩擦系數(shù)為0.16；夾緊力P=1 800 N；重力G=400 N；摩擦系數(shù)μ1=μ2=0.16；則工件與頂面夾板的摩擦力F1=μ1P=288 N；工件與底面定位支撐的摩擦力F2=μ2（P+G）=352 N。

假設(shè)菱形銷失效，則工件將會(huì)繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，由定位支撐和夾緊點(diǎn)的分布，以及工件的相關(guān)尺寸可得：

切削力F作用點(diǎn)到圓柱銷中心的垂直距離l=331.8 mm，工件幾何中心到圓柱銷中心的距離l1=159.7 mm。

則切削力F相對(duì)于圓柱銷的力矩M=Fl=281 N·m；

工件與頂面壓板摩擦力相對(duì)于圓柱銷的力矩M1=F1l1= μ1Pl1=46 N·m；

工件與底面定位支撐摩擦力相對(duì)于圓柱銷的力矩M2=F2l1=μ2（P+G）l1=56.4 N·m。

由此可知，菱形銷失效時(shí)，切削力相對(duì)于圓柱銷的力矩281 N·m遠(yuǎn)大于工件與頂面壓板摩擦力相對(duì)于圓柱銷的力矩與工件與底面定位支撐摩擦力相對(duì)于圓柱銷的力矩之和102.4 N·m，工件將沿著切削力的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)對(duì)CBM1060A夾具定位方式的分析及粗銑啟動(dòng)電機(jī)結(jié)合面時(shí)對(duì)工件的受力分析，當(dāng)菱形銷失效時(shí)，工件相對(duì)機(jī)床Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度得不到約束，工件欠定位，在大的切削力作用下，工件沿機(jī)床Y軸繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離了工件原始的位置，導(dǎo)致加工的啟動(dòng)電機(jī)定位孔和啟動(dòng)電機(jī)安裝孔位置度超差。經(jīng)過檢查機(jī)床，發(fā)現(xiàn)機(jī)床菱形銷根部開裂，這跟根據(jù)三坐標(biāo)報(bào)告，利用六點(diǎn)定位原理所做的分析是相吻合的。

3 結(jié)束語

通過上述分析，六點(diǎn)定位原理在機(jī)床加工參數(shù)調(diào)整過程中非常有用，在機(jī)床加工零件尺寸超差后，首先根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告，運(yùn)用六點(diǎn)定位原理，對(duì)機(jī)床夾具可能的失效模式進(jìn)行分析，通過分析找出最有可能失效的夾具元件，再對(duì)夾具元件進(jìn)行檢查和更換，將大大減少設(shè)備調(diào)整的工作量，同時(shí)減少三坐標(biāo)調(diào)試件測(cè)量的時(shí)間和停線時(shí)間。

[1]吳 拓.現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.