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加工中心上定位基準(zhǔn)的確定

2018-5-17 來源：轉(zhuǎn)載作者：郭偉民，武同，李義龍，蔣亞杰

摘要: 在明確定位基準(zhǔn)概念及其遵循原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合加工中心的優(yōu)點，具體分析長方體件、回轉(zhuǎn)體件和異形件各自定位基準(zhǔn)的確定方法，說明定位基準(zhǔn)的正確選擇有利于加工中心效能的發(fā)揮和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞: 定位基準(zhǔn); 加工中心; 長方體件; 回轉(zhuǎn)體件; 異形件

基準(zhǔn)按其作用不同，分為設(shè)計基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)兩大類。按用途不同，工藝基準(zhǔn)又分為定位基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)指加工時使工件在機(jī)床或夾具中占據(jù)一正確位置所用的基準(zhǔn)，若無特別說明，文中的定位基準(zhǔn)均指輪廓要素。定位基準(zhǔn)又可分為粗加工基準(zhǔn)和精加工基準(zhǔn).加工中心具有工序集中等優(yōu)勢，客觀上要求所選定位基準(zhǔn)應(yīng)盡量滿足 “一次裝夾，全部 ( 或大部分)加工”，所以加工前很有必要去認(rèn)真篩選定位基準(zhǔn)，以發(fā)揮加工中心的優(yōu)勢，減少裝夾次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

下面結(jié)合一些典型零件，初步分析在加工中心上如何確定其定位基準(zhǔn)。

1、典型件定位基準(zhǔn)的確定

1. 1 長方體件

如圖 1 所示的某模具型芯，有 3 個面需要加工( 底面、左側(cè)面和上表面) ，其下料尺寸為 281 mm ×261 mm × 331 mm ( 鋸切下料，單邊各留約 0. 5 mm 余量，各表面粗糙度基本一致) 。該形狀適合用三平面定位方式，那么，選哪些面作定位基準(zhǔn)? 哪個面作主基準(zhǔn)呢?

首先分析一下加工工藝，可以分為三大步:

(1) 熱處理前的粗加工及局部精加工，在三軸立式加工中心上需裝夾 3 次 ( 選四軸臥式加工中心的話，可一次裝夾完成全部加工; 只是底面在深孔加工時冷卻效果不及在立式加工中心上的好) ;

(2) 熱處理;

(3) 精加工包括左側(cè)面和上表面在內(nèi)的 6 個面，其中大平面的精加工可以安排在磨床上，局部狹窄凹槽等難銑削區(qū)域宜電火花加工，其余仍在加工中心上進(jìn)行精加工。

圖 1 模具型芯

選擇粗基準(zhǔn)時，重點考慮如何保證各個加工面都能分配到合理的加工余量，保證加工面與不加工面的位置尺寸和位置精度，同時還要為后續(xù)工序提供可靠精基準(zhǔn)。

選擇平面作基準(zhǔn)一般應(yīng)考慮:

(1) 自身定位能力強(qiáng)弱，主要包括: 面域大小、平整程度、粗糙度、裝夾難度、穩(wěn)定程度 ( 不易變形、持久性) 等; 面積越大、粗糙度越低、裝夾越方便的平面優(yōu)先考慮。

(2) 相關(guān)定位能力強(qiáng)弱，主要是指對尺寸公差關(guān)系的影響程度和對基準(zhǔn)原則的體現(xiàn)程度。盡量使定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和編程原點統(tǒng)一起來。在綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上，確定 3 個基準(zhǔn)面的主次關(guān)系時，還應(yīng)盡量避免主要定位基準(zhǔn)與待加工面同方位，將其安排在待加工面的對面能有效抵抗切削力，也有利于精簡夾具結(jié)構(gòu)。選擇第二定位基準(zhǔn)應(yīng)考慮其導(dǎo)向作用，與主定位基準(zhǔn)的垂直度、粗糙度，以及同待加工面的位置關(guān)系。

加工上述模具型芯的 3 步中，每一步都存在著確定基準(zhǔn)的問題，而且這么多工序，勢必要統(tǒng)一基準(zhǔn)。由于主要形狀都在上表面，故與其對應(yīng)的底面宜作主基準(zhǔn)。另外，構(gòu)成點 F 的兩個側(cè)面的面域較大，支撐效果好; 但再看設(shè)計尺寸的標(biāo)注情況，在構(gòu)成點 O的 3 個面上尺寸標(biāo)注多，可視點 O 為設(shè)計基準(zhǔn)，同時其面域用來支撐也是可以的，故從基準(zhǔn)重合的角度，選構(gòu)成點 O 的 3 個面作熱處理前的定位基準(zhǔn)。通常一套模具設(shè)計圖上只有一個中心，各零部件的尺寸由此鋪開。加工某具體零部件的時候，在該件具體的點、線、面上確立基準(zhǔn)，依據(jù)尺寸關(guān)系，建立坐標(biāo)系。如果 3 個面相互不很垂直 ( 一般情況下，毛坯都達(dá)不到這個要求) ，則可以在加工底面 ( 通常先加工底面) 的時候，以底面為主基準(zhǔn)，在另外兩個側(cè)面上，根據(jù)需要，分別銑出一定長度的基準(zhǔn)帶供后續(xù)加工用，保證基準(zhǔn)統(tǒng)一，如圖 2 所示。

圖 2 型芯毛坯定位基準(zhǔn)

上述定位基準(zhǔn)用在熱處理之前的加工過程中。熱處理之后，必須檢測該基準(zhǔn)自身的變形程度，以及形狀面相對于基準(zhǔn)的變形; 有時候會出現(xiàn)由于變形大而不能再作為基準(zhǔn)使用的情況。因此，在熱處理之前，應(yīng)考慮并預(yù)留更可靠的精加工定位基準(zhǔn)。選擇精基準(zhǔn)時，重點考慮的是如何減少工件的定位誤差，保證零件的加工精度，同時也要考慮零件裝卸方便，夾具結(jié)構(gòu)簡單。

一般應(yīng)遵循以下原則: 基準(zhǔn)重合、基準(zhǔn)統(tǒng)一、自為基準(zhǔn)、互為基準(zhǔn)及裝夾方便等。此例中，8 mm 孔經(jīng)過鉸刀精加工，表面質(zhì)量好，因熱處理而引起的變形也較小，可以作為精加工基準(zhǔn)用。這就是隨后要說到的一種比較典型的方法－利用孔或軸的輪廓 ( 中心線) 作定位基準(zhǔn)。以上說的是以模具型芯為代表的單件生產(chǎn)。長方體件在批量生產(chǎn)的時候，通常要利用夾具把 3 個基準(zhǔn)面的位置固定下來，以提高效率。這樣的例子很常見，文中不再贅述。

但如圖 3 所示的長方體工件的基準(zhǔn)確定，稍微有些特殊。該件形狀并不復(fù)雜，突出特點是尺寸公差要求很小 ( ± 0. 01 mm) 。屬來料加工，其下料尺寸為 76 mm × 45 mm × 51 mm，為了減少裝夾次數(shù)，生產(chǎn)中將長度方向的定位塊采用了活動量塊，裝夾 ( 如圖 4 所示) 時定位，裝夾好后移走，這樣在一次裝夾下加工完兩端面和頂面，實現(xiàn)了工序集中最大化，減少了裝夾次數(shù)，充分發(fā)揮了加工中心的優(yōu)勢，也保證了 ( 75 ± 0. 01) mm 等尺寸要求。由于加工過程中長度方向上不存在定位，所以屬于不完全定位; 不過實際加工效果還好，幾乎很少有攢動。關(guān)于該件的加工，隨后將專門介紹。

圖 3 滑塊

圖 4 滑塊裝夾示意圖

1. 2 回轉(zhuǎn)體件

回轉(zhuǎn)體件的定位基準(zhǔn)通常選擇其內(nèi) ( 外) 表面。基本方法是: 利用百分表的針頭 ( 或光電感應(yīng)器的觸頭等) ，沿十字形測出 4 個點的中心即為中心線位置，詳見圖 5。具體測量時，應(yīng)先在孔的正上方 2 ～ 3mm 處旋轉(zhuǎn)表針，使針頭大致在被測孔徑外側(cè) ( 軸的話，應(yīng)偏向內(nèi)側(cè)) ，然后輕壓表針使之進(jìn)入孔內(nèi)，首先找出某一方向上對稱兩點 (如點A和C 或與 AC 線平行的某一位置上的兩點) 的對稱中心，在此中心線 ( CD 線) 上再找點 C 與 D 的等分點O ( 期間需要調(diào)整針頭位置) ，找出之后再旋轉(zhuǎn)一周，查看表針跳動情況，以檢查剛才確定的AC 線是否經(jīng)過點O，從而最終找出圓心O 的機(jī)床坐標(biāo) ( 旋轉(zhuǎn)一周，表針靜止不動或輕微震顫) 。

在確定過程中應(yīng)注意，表針靜止不動有 3 種可能:

(1) 未接觸內(nèi)表面;

(2) 與內(nèi)表面之間的壓力太大而不能跳動;

(3) 主軸在圓心位置。

由于最終記錄的是圓心位置，視軸線為定位基準(zhǔn)也未嘗不可。關(guān)文獻(xiàn)研究證明二者無實質(zhì)差別。

圖 5 回轉(zhuǎn)體件基準(zhǔn)孔找正

Z方向的基準(zhǔn)可優(yōu)先考慮上表面。至于哪一個為主基準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合加工余量和表面粗糙度確定。通常，以回轉(zhuǎn)體為主要特征的零件，內(nèi) ( 外) 表面的定位作用更重要一些，因為它往往會是設(shè)計基準(zhǔn)，尺寸公差關(guān)系多，限制工件自由度數(shù)目多。

由于杠桿百分表與工件接觸的頂端直徑為 3 mm，所以只要孔徑大于 6 mm，就可以使用; 小于 6 mm時，可以考慮插入心軸，測外徑。在通過 CAPP 系統(tǒng)選擇定位基準(zhǔn)的時候，為了確保正確決策和加工精度，這些影響因素也應(yīng)被考慮。同理，用鍵槽作定位基準(zhǔn)的時候，由于量塊可以塞進(jìn)去，所以理論上，寬度 1 mm 以上的鍵槽都是可能的定位基準(zhǔn)，在利用CAPP 系統(tǒng)選擇定位基準(zhǔn)的時候，亦不應(yīng)被忽略。

1. 3 異形件

若工件上缺少可作為定位基準(zhǔn)的恰當(dāng)表面，就有必要人為地制造一些基準(zhǔn)面，使其在加工中起定位作用，這類基準(zhǔn)稱為輔助基準(zhǔn)。

圖 6 為某產(chǎn)品示意圖，批量生產(chǎn)，除了 “成型面”部分之外，其余 5 個面均為配合面，都需要精加工，精度要求高，同時成型面上無法裝夾。那么該怎樣裝夾、定位好呢?

仔細(xì)觀察產(chǎn)品圖可以發(fā)現(xiàn)，由Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3所形成的圓弧面以及構(gòu)成尺寸 70 mm 的上下面都是潛在的定位基準(zhǔn)選項。經(jīng)過分析，最終確定了Ｒ1、Ｒ3和上平面分別為不同工序的定位基準(zhǔn)，但僅此還不能保證各工序的準(zhǔn)確定位和裝夾.

在不妨礙使用的前提下，在原產(chǎn)品圖上增加工藝孔: 在頂面增加 M8 螺紋，在背面增加 3 × M8 ( 口部10H7 深 8 mm 作定位用) ，故修改產(chǎn)品圖如圖 7 所示。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而設(shè)計出如圖 8 所示的鑄造毛坯圖，在鑄件上又增加輔助定位基準(zhǔn)面 A、B 和 C ( 這3 個基準(zhǔn)屬于增材，使用后都去掉) 。

圖6 某異形件產(chǎn)品圖

圖7 帶工件藝孔的異形件產(chǎn)品圖

圖8 異形件毛坯圖

如前所述，這些基準(zhǔn)分別在不同工序中使用，基準(zhǔn)統(tǒng)一原則該如何保證呢? 解決辦法是: 利用加工中心加工精度高且工序集中的優(yōu)勢，盡量在一次裝夾中把所有可以加工的定位基準(zhǔn)都加工出來; 確實暫不能加工的，則為其加工輔助定位基準(zhǔn)。從實際加工結(jié)果看，這些定位基準(zhǔn)有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

這些輔助基準(zhǔn)在加工后失去作用，屬于增材的話，事后通常會被去掉; 減材類 ( 如工藝孔) 一般不影響產(chǎn)品使用，則保留。

從上例可以看出: 對于批量生產(chǎn)的異形件，在確定基準(zhǔn)時，應(yīng)緊密結(jié)合加工工藝，充分利用現(xiàn)有形狀上的平面和圓弧面等; 必要時再通過增材或減材的辦法，增加輔助定位基準(zhǔn)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2 、結(jié)束語

加工中心具有工序集中、生產(chǎn)效率高和加工質(zhì)量好等優(yōu)點，在加工中心上確定工件定位基準(zhǔn)的時候，應(yīng)考慮如何充分發(fā)揮加工中心的優(yōu)勢，實現(xiàn)產(chǎn)品加工的高品質(zhì)和高效率。文中對長方體件、回轉(zhuǎn)體件和異形件定位基準(zhǔn)選擇的分析，雖然具體方法不同，但指導(dǎo)思想是一致的: 緊扣產(chǎn)品的加工特征，注重充分發(fā)揮加工中心的優(yōu)勢，尋求高效優(yōu)質(zhì)的加工過程。

不過，文中只是對加工中心上定位基準(zhǔn)的確定方法做了一個初步總結(jié)，還不夠全面，還有很多情況需要今后進(jìn)一步總結(jié)、提煉.

來源：河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南鄭州西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院

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