焊接工裝中過定位問題的應用與分析

蔣立俏 何向榮

（1.徐工傳動科技有限公司，徐州 221000；2.徐工集團工程機械股份有限公司科技分公司，徐州 221000）

在工裝設計中，定位和夾緊是兩個非常重要的因素。定位即為了保證工件被加工表面的技術要求，必須使工件相對刀具和機床處于正確的加工位置。在使用夾具的情況下，要使機床、刀具、夾具和工件之間保持正確的加工位置。工件定位一般遵循6 點定位規則，任何一個工件在夾具中未定位前，都可以看成在空間直角坐標系中的自由剛體。它能沿X、Y、Z 這3個坐標軸移動，用X、Y、Z 表示。它也可以繞這3 個軸轉動，被稱為工件具有6 個自由度。要使工件在某方向上的位置確定，必須限制工件在該方向上的自由度。工件在夾具中的位置完全確定，需要將它的6 個自由度全部予以限制。因此，可以說定位就是根據加工要求限制工件的自由度[1]。

1 過定位

從宏觀上講，工件過定位是指在夾具設計中工件的定位點超過了6 個點，或者說工件有一個或幾個自由度重復受限制，使工件定位不穩定。工件在夾緊時引起變形，影響工件加工精度，導致產生廢品工件甚至無法安裝，這就是過定位的惡果。所以，工藝人員在夾具設計中要盡可能避免過定位的發生[2]。

在工裝的實際應用中，對于過定位問題要具體問題具體分析，對會引起不良后果的過定位要進行改進。有些定位屬于合理重復定位，而有一些過定位是要加以應用的。

2 過定位問題的幾種應用實例分析

2.1 門架點焊工裝的定位問題分析

如圖1 所示，在門架點焊工裝中，對于件5 產品梁在Y 方向的定位采用相同的3 個定位塊。在這種情況下，Y 方向上雖然有3 個定位塊，但是它們定位是限制相同自由度的，都是Y 正方向的自由度。所以，這一種情況不屬于過定位，應該屬于合理重復定位。這種方式不需要回避，反而要充分利用。對于長梁型元件，在焊接過程中，由于焊接變形，長度方向上容易產生變形。如果在長大梁方向上只有一個點的定位約束，就無法控制焊接變形。大的焊接變形往往導致外形尺寸超差，所以這種情況下，在長度方向上多增加幾個定位塊反而更加有利，可防止長度方向上發生變形。

在叉車的門架拼點工裝中，工件梁5 與套4 已經拼焊成小組件。工藝要求梁的底部用墊板定位，也要求套的孔中心定位，如圖1 所示。在這種情況下，工件在Z 向墊板處形成了向上的約束，在軸套處因為定心也形成了Z 向的約束。如果此處Z 向約束向上這兩個約束只能有一個起作用，那么要么在底部墊板處形成間隙，要么軸套處無法貼緊V 形墊板。如果軸套處Z 向約束向下，那么這兩個約束是相互矛盾的，會導致安裝過程中出現相互干涉，或者導致軸套無法定位于設計位置。同樣，在X 方向也出現了兩個相互矛盾的約束，這就是過定位現象。

對于這一過定位問題，通過分析得出了以下兩種解決方案。

如果產品套與產品梁作為一個組件事先拼接在一起，那么這一小組件以墊板定位為主，放棄套的孔中心定位，套的位置精度通過增加套與孔之間配合精度保證，工裝上直接取消V 形定位裝置，如圖2 所示。

過定位也稱為不合理重復定位。在工裝設計過程中，可以通過調整工藝方案將不合理重復定位變為合理重復定位。在門架點焊工裝中，如果既要求梁板定位又要求軸套孔定位，就會形成過定位。在門架這一部件中，將大梁和軸套分開作為兩個零件進行拼焊，并且把梁板和孔之間的間隙留到足夠大就可以解決該問題。對于梁板來說，在X 方向只有墊板一個約束，在Z 方向雖然有3 個定位塊，但是這3 個定位塊是約束同一方向的，所以是合理重復定位。對于軸套來說，X 方向和Z 方向因為間隙足夠大都不存在過定位 現象。

相對于梁的位置精度，軸套的精度是次重要的，最終選擇第一種解決方案。

2.2 一面兩孔過定位問題的分析

一面兩孔定位被認為是典型過定位問題，通常的解決方案是將其中的一個定位銷改成菱形銷[3]。對于工裝，菱形銷的制作成本高于普通銷，且焊接工裝不需要那么高的精度，可以通過工裝的改進將不合理的重復定位變成合理的重復定位。

當工件以一面兩孔定位（或稱一面兩銷定位）時，合理重復定位條件表述如下。以一面兩孔定位的工件十分常見，加工關鍵是要保證所有零件都能裝入雙銷內。這就必須使孔的中心距誤差δL小于兩孔與銷之間配合最小間隙Xmin與彈性變形量ε 之和[2]，如式（1）所示。這種情況下，可以通過調整工裝孔軸間的間隙把不合理的重復定位變成合理的重復定位，從而解決過定位問題。

式中：δL為中心距誤差；Xmin1為芯軸Ⅰ與搖臂孔之間的最小間隙；Xmin2為芯軸Ⅱ與搖臂孔之間的最小間隙；ε 為彈性變形。

圖3 為搖臂拼焊工裝。搖臂的工藝流程為拼焊和通焊。機加工包括鏜孔刮面，孔的加工余量為6。搖臂有3 個孔，中間孔是很重要的孔，用中間孔和右側孔即芯軸Ⅰ和芯軸Ⅱ進行定位。左側孔穿芯軸，芯軸不固定，保證上下孔的同軸度。根據式（1），因為彈性變形ε 相對于焊接變形來說可以忽略不計，所以去掉ε，式（1）可以簡化為[4]：

當δL滿足以上要求時，可以把過定位即不合理重復定位轉化成合理的重復定位。為了達到式（2）的要求，可以通過減小孔距距離的公差δL或者增加定位芯軸與產品孔之間的間隙Xmin1和Xmin2來獲得。對于搖臂工裝，芯軸Ⅰ的外徑為d1，和它配合的孔徑為D1(+1/0)；芯軸Ⅱ的外徑為d2，和它配合的孔徑為D2(+1/0)，兩個芯軸之間的距離為L，L 的公差可以保證到L±0.3。考慮到中間孔的位置比較重要，芯軸Ⅱ的尺寸做到d2(-0.2/-0.3)。那么δL=0.6，Xmin2=0.2，若要保證式（2），就要滿足Xmin1≥0.4，所以把芯軸Ⅰ的尺寸做到d1(-0.5/-0.6)。通過工裝方案的調整，把不合理的重復定位變成了合理的重復定位。這一實例說明，在一定情況下，可以通過調整工裝把過定位變成合理的重復定位來解決過定位問題。

2.3 過定位正常應用的分析

在特定條件下，過定位是一種正常的應用。比如，在薄板件拼點工裝中，這種過定位被廣泛應用。如圖4 所示，在骨架焊工裝中，件1 定位塊在Z 方向上有兩個方向相反的約束，同樣件2 壓塊在Z 方向上也存在兩個相反方向的約束。

當件2 壓緊工件時，在Y 方向上也有兩個約束，這就形成了過定位。過定位會造成工件無法裝夾或者因為變形導致工件無法卸下。因為薄板件的鋼板比較薄，自身彈性變形比較大，一般的裝卸力量能夠克服變形力順利裝卸工件，所以不存在以上兩個問題。此外，在薄板件焊接過程中，因為板厚比較薄，容易形成大的焊接變形，所以在工裝中適當增加定位點的數量和增加多方向的定位能達到減小焊接變形的目的[5]。這種定位方式有利于薄板件焊接變形的校正，經常會被加以運用。

3 結語

有些定位方式雖然在同一自由度上超過一個約束，但是如果約束方向一致，那么這種情況被認為是合理重復定位，不是過定位。在有些過定位情況中，可以通過調整工藝方案消除過定位情況。比如，把小組件拆分為相互獨立的零件使它們各自定位，這樣既可以保證定位精度，又避免了過定位造成的負面影響。在有些過定位情況下，可以通過改進工裝設計把過定位情況變成合理重復定位，如調整裝配間隙。有些工裝有多個定位要求，要分清主次定位，重點保證主要定位，而可以放棄次要定位或降低對次要定位的要求。在一些特殊情況下，過定位是可以加以利用的。多個數量和方向的約束可以解決焊接工藝中變形大的問題，如薄板件工裝，增加各種定位約束來達到減小焊接變形的目的。

在工裝設計中，定位原理和規則是一定的，都是按照六點定位原理運用的，但應用靈活多樣，在不同情況下要分別對待。工裝中過定位的情況多種多樣，有的一定要避免，有的是可以正常應用的，有些情況則是可以轉化的，要具體情況具體分析。