機械加工中的工裝夾具定位設計方法研究

楊云輝

（云南開放大學機電工程學院，云南 昆明 650000）

從我們的社會的發展來看，人們對因為對自身需求的增強而對機械產品的要求越來越嚴格，機械產品的工能也逐漸多樣化，這直接導致了機械加工在生產過程需要更加嚴謹、更加精確的加工方式。傳統的機械加工對工裝夾具的重視不足，投入不夠，在以往的加工中容易出現加工零件偏差，甚至出現滑落、移動、加工過量等問題，各行業所需要的產品精確度得不到保障。而優秀工裝夾具定位準確可以在加工過程中提升機械高質量、高效率加工，代表著優秀先進機械生產方向，對機械加工精確有著巨大的影響。因此，如何保證工裝夾具定位的合理性與優越性便是我們研究的方向。

1 機械加工中工裝夾具定位的基準分類

基準是用于確定零件上其他點線面位置。

1.1 工藝基準

機械加工中工裝夾具定位模式第一種是加工、測量、裝配過程中對設備、工裝夾具、毛坯件實際位置標定的實際定位基準模式，在整個機械加工的過程中，一條機械生產線一般不會只對機械元件進行一道加工工序，大多數情況下，這條生產線會對流水線上的機械元件進行二次、多次加工，進而節約生產周期和生產成本，這種情況下整個加工過程的基準設計便分為了粗基準加工和精基準加工，配合輔助基準、主要基準和附加基準在加工時用于對工件定位，合成定位基準。另外，用于加工中和加工后測量工件采用的測量基準，用于裝配時配合零部件與整件位置的裝配基準，用于工序先后確定的工序基準共同形成工藝基準。因此，每個操作人員在為機械元件和工裝夾具規劃基準面時，務必苛求精確，操作過程中也要全程監控高度準面的二次加工，盡量減少不合格品的出現。

1.2 設計基準

第二種則是以設計圖上各項數據為依據的設計基準，通過數字幾何原理將他們的彼此相對面連接，做成一個空間坐標體系，用空間的方式表達出來的設計基準模式。而實際基準模式通過預先繪圖，可以先六點自由度空間定位法相結合，能把控全局，是一種較好的基準定位模式，但因為這種模式對機器要求較高，對人員的數字計算水平要求嚴格，所以暫時使用的人員較少。總的而言，就現在工業機械發展階段，這兩種方式應該結合使用，并逐漸過渡到設計基準模式。

2 工裝夾具定位的設計原理

工業時代需要大量的各種各樣的機械元件，每種元件的加工工序和加工要求都存在差異性，在生產加工之前，我們需要一臺機械加工設備，一個被加工的機械毛坯件以及一部合理配對的工裝夾具，其中機械加工設備對毛坯件進行加工，工裝夾具則負責固定毛坯件，不讓毛坯件在加工的過程中發生偏移，防止因為偏移帶來的加工的精度下降，質量不符合要求。工裝夾具和機械加工設備二者共同對毛坯件作用，才能加工出符合需要的機械元件，有的先進技術也將工裝夾具作為機械元件的一部分，在毛坯件加工的時候便將工裝夾具和毛坯件一體化成為新的機械元件。加工過程中，工裝夾具的作用不僅僅是作為固定裝置和元件配件，為了提高加工的整體精準度，通過六點自由度空間坐標定位，還可以把夾具作為成為基準點，由機械設備將基準點作為參考與定位點和輔助基準參與其他的部件生產。

3 工裝夾具的分類和定位方案

機械元件進行加工的過程中，我們需要根據工裝夾具的類型和他配合的機械考慮他們的定位方案。

3.1 對工裝夾具自由度的限定

常見的工裝夾具使用原理多是以機械物理方式夾緊毛坯件，整個加工過程中作為重要的定位應用裝置使用，確保加工設備被毛坯件處在被加工位置上，而由于我們一般不會采用6點同時限制，為了便利操作，我們會結合元件的加工難易度確定對某3～6個面進行限制，而每個部件需要幾個自由度，操作人員需要限制那幾個自由度，完全取決于加工技術的要求，如圖1。

圖中，a零件只需要保證Z方向與xy面平行，所以只需要限制3個自由度；b零件因此操作復雜，需要控制5個自由度；c則是b的升級版，相對復雜，還需要多增加一個控制度，達到了最多的6個自由度要求；d是一個員同a類似，但因為只需要掏出中間的槽，只需要控制連2個自由度；e雖然和b十分相似，但相比于b少了一個定位基面，所以只需要控制4個自由度；f圖由于下面也開了一道槽，相對于e多了一個基準面，因此需要限制5個自由度。

圖1 工件應受限制自由度的確定

3.2 定位后對固定元件的選擇

在選定限定面后，操作人員需要考慮用什么定位元件和加工設備使用多達的夾緊力來禁錮機械元件，以及被加工機械元件的需求量來決定在多種種類的夾具選擇哪一款。

在這個過程中會使用一些通用夾具，這些是指已經標準化設計，可以加工較多不同機械元件的夾具，比如車床、鏜床、銑床上使用的3爪、4爪卡盤，平口鉗、分度頭、回轉床臺等，但由于這些夾具專業化程度低，無法效率生產大批量機械部件，只能生產單個、小批量的機械元件。另一種則是專用夾具通用夾具互補，應用程度廣，能有大批量的加工機械元件，但由于高標專用夾具專門針對某一種需要的機械元件進行加工，需要花費大量的時間進行設計、試驗、檢測才能確定，并且每項都需要花費不菲的資金，對非大規模集中機械化公司的經濟壓力較大。因此，混合式使用標專用夾具和通用夾具而成的組合夾具不失為一種節約成本的方法，對要求比較低、數量比較少的機械部件可以使用標準普通夾具，對需要大規模生產的機械部件采用高標專用夾具，在人員不足的情況下，甚至可以一邊設計實驗高標專用夾具，一邊使用標準普通夾具按高標準生產機械部件，既節約了時間提高了生產效率，也減少了多批次各式工裝夾具原型的生產，產生了經濟效益。

4 工裝夾具設計定位方法實例

工裝夾具定位在整個加工過程中極為重要，工裝夾具保證機械元件的加工精準度，提高了生產效率和生產物件的工藝性能，是工業加工中重要的的步驟。因此，我們的操作、設計人員必選要牢牢掌控工裝夾具定位的方法，對采用的定位設計原理要熟悉、吃透，在設計生產中根據理論及時找出原因，解決問題。

4.1 六點定位限制法

圖2為常見的工裝夾具定位方法便是六點定位限制法，這種又稱為多點定位限制法，首先將要進行的加工的機械元件看做一個原始坐標點，分別向上、下、前、后、左、右延伸出6條射線，又每正負兩條射線組成三條軸線，分別以X、Y、Z軸相稱，在開始加工之前，經過科學、準確的方法選定6個點，通過加工設備與夾具從空間上禁錮住被加工的機械元件，鎖死元件的自由度，從而保證機械加工的精確性。

圖2

舉個例子，在一個長寬高分別為40、20、10cm的長方體毛坯件中，我們需要加工出一個直徑為20cm、高為8cm的圓柱體件，首先我們需要在毛坯件xoy面進行切削，這個過程中需要限制住毛坯件在Z軸上的移動自由度和X軸，Y軸上的轉動自由度，控制住這三個方向的自由度后，便可以從毛坯件xoy面任意處進行切割，因為毛坯件的寬度正好等于加工后圓柱體的直徑20cm，第二步需要對初步加工為直徑20cm、高10cm的圓柱體進行二次加工，此次則是被加工件在xoz面上加工，需要限制住初步加工的圓柱體在X軸轉動自由度的和y軸的移動自由度，限制住后在圓柱體上方2cm處切割就可以得到我們需要的加工部件。

4.2 兩點以上定位限制法

兩點以上定位限制法可以看作是對六點定位限制法的補充和改進。在實際生產中，我們一般不會在空間坐標系里設置多達6個基準點，根據實踐，往往兩個以上六個以下的定位點就能對被加工毛坯件起到定位的作用。這其中又有欠定位與過定位的區別需要操作人員注意，如果機械元件自由度未被完全限制，稱為欠定位，機械元件被兩個及以上自由度限制一個基準，則稱為過定位，而一般超過6個自由度，便會起反效果，導致定位不準確。

5 工裝夾具定位的設計發展方向

5.1 設計標準化定位方法

隨著機械化大規模的生產方式的開展，機械加工產品的生產方向必然是向著標準化靠近，并且逐漸與相關類似的產業產品進行合流統一標準，而要實現生產大規模的統一標準件，就需要統一的加工機床、統一的被加工毛坯件以及統一的標準化工裝夾具，三者統一后，一定會出現一套適合多數機械元件加工的標準化基本定位方法，以方便在機械加工過程中指導形成流水化、大規模的生產模式，從而實現機械生產的成本降低，利潤增值。

5.2 設計更數字化的定位方法

隨著社會對各種機械產品的要求不斷提高，以及數字化生產對于產品更加嚴格精度要求和機械設備的更新換代，可以預見的，整條生產線上都會出現更加嚴格精確的生產規定，作為加工工程中重要參與者的工裝夾具，必然會出現一套比現今定位方法更加精確的定位方法，這種方法必然更精確，更高效。

5.3 定位設計方法的超前化

工裝夾具應該具有優先化，超前化意識，隨著高精尖技術的不斷發展，上級下級工業鏈條對機械產品的多樣性，精準性的要求會不斷地提高，導致生產的難度不斷提高，同時日新月異的新生產設備和高精度的生產標準逐漸更新，新的加工材料強度、難易度也有所變化，這些都會在加工過程中都會對夾具定位方法帶來挑戰。因此，在之后的設計新的夾具定位方法時，不能僅僅是要為了解決眼前所需要攻克的難題而生產應急品，還要有超前意識，設計出可以供還沒有出現或者已經出現理論的設備、材料加工生產配套的的新型夾具定位方法。

5.4 設計更為方便的定位方法

在以前的生產模式中，每條生產線都只能生產一種東西，要想調整更新生產線需要花費很多功夫來調整磨合，每次都需要花費大量的時間進行調整夾具的定位，甚至在生產時也需要專業的操作人員時刻注意變化進行調整，極為不方便。工裝夾具定位在以后的展方向應該是向易操作化，方便化發展，降低培訓難度，減少操作流程，增加上手便捷度，便于操作人員直接在流水線上加工，達到更多批次的生產量，形成更少人次的操作鏈，以及更高的生產質量和更多的經濟效應。

6 結語

總的來說，隨著我國的機械數字化水平的不斷提高，生產加工技術飛速更新換代的大背景下，各行業都會對機械設備的多用途、精密化、準確性不斷提出更高的要求，就目前而言，以六點自由度矢量方向定位原則和幾何空間坐標基準面定位加工方法擁有一定的先進性，對我國的機械加工行業的高質量和高效率起到了至關重要的作用，保障了我國機械加工行業的發展，但我們的眼光不能停留在已經提出的問題上，我們的機械加工行業要走在國際國內的尖端前沿，這需要我們加大對工裝夾具超前研究投入，對工裝夾具的定位方法不斷地學習改進創新，對在定位方法設計、試驗、實行過程中發現的問題不斷分析更正，對這個過程中的不足進行改進變革，對外來的進行知識思想技術進行利用，從而讓工裝夾具定位成為我國的機械加工行業的完美助力。