机械加工常用定位元件

何佳虹

为了保证同一批工件在夹具中占据一个正确的位置，必须选择合理的定位方法和设计相应的定位装置。
. g% U3 P, f: t　　上节已介绍了工件定位原理及定位基准选择的原则。在实际应用时，一般不允许将工件的定位基面直接与夹具体接触，而是通过定位元件上的工作表面与工件定位基面的接触来实现定位。
% G4 A+ [: e+ M1 P1 Y8 o7 o8 I$ Y　　定位基面与定位元件的工作表面合称为定位副。
　　一、对定位元件的基本要求
9 q9 x+ c6 C7 I4 x4 Y" G& H　　1 ．足够的精度
4 T: F$ `& C! I9 x　　由于工件的定位是通过定位副的接触（或配合）实现的。定位元件工作表面的精度直接影响工件的定位精度，因此定位元件工作表面应有足够的精度，以保证加工精度要求。
　　2 ．足够的强度和刚度
　　定位元件不仅限制工件的自由度，还有支承工件、承受夹紧力和切削力的作用。因此还应有足够的强度和刚度，以免使用中变形和损坏。
　　3 ．有较高的耐磨性
　　工件的装卸会磨损定位元件工件表面，导致定位元件工件表面精度下降，引起定位精度的下降。当定位精度下降至不能保证加工精度时则应更换定位元件。为延长定位元件更换周期，提高夹具使用寿命，定位元件工作表面应有较高的耐磨性。
　　4. 良好的工艺性
! U) Q. ]+ u! W6 |0 [" z- X　　定位元件的结构应力求简单、合理、便于加工、装配和更换。
　　对于工件不同的定位基面的形式，定位元件的结构、形状、尺寸和布置方式也不同。下面按不同的定位基准分别介绍所用的定位元件的结构形式。
　　二、工件以平面定位时的定位元件
, z# i8 c, _9 r　　工件以平面作为定位基准时常用的定位元件如下述：
3 B& }& I. M$ O. M# \　　（一）主要支承
  S7 i- z1 G% k* n& {6 D' \　　主要支承用来限制工件自由度，起定位作用。
. k- a8 o, e, p. S6 v( @　　1 ．固定支承
　　固定支承由支承钉和支承板两种型式，如图 3-41 所示，在使用过程中它们都是固定不动的。
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　　当工件以粗糙不平的毛坯面定位时，采用球头支承钉图 3-41b ；齿纹头支承钉，如图 3 -41c ，用在工件侧面，以增大磨擦系数，防止工件滑动；当工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承钉（如图 3 -41a ）或支承板。图 3-41d 所示支承板结构简单，制造方便，但孔边切屑不易清除干净，故适用于侧面和顶面定位；图 3-41e 所示支承板便于清除切屑，适用于底面定位。
　　需要经常更换的支承钉应加衬套，如图 3-42 所示。支承钉、支承板均已标准化，其公差配合、材料、热处理等可查国家标准《机床夹具零件及部件》。
　　一般支承钉与夹具体孔的配合可取 H7/n6 或 H7/r6 。如用衬套则支承钉与衬套内孔的配合可取 H7/js6 。
3 B- e( f0 R/ ?( ~　　当要求几个支承钉或支承板装配后等高时，可采用装配后一次磨削法，以保证它们的工作面在同一平面内。

　　工件以平面定位时，除了采用上面介绍的标准支承钉和支承板，也可根据工件定位平面的不同形状设计相应的支承板。
1 N8 @! `. Z& @+ A5 f, {; @$ S/ ^　　2 ．可调支承
　　在工件定位过程中，支承钉的高度需调整时，应采用图 3-43 所示可调支承。
　　在图 3 -44a 中，工件为砂型铸件，先以 A 面定位铣 B 面，再以 B 面定位镗双孔。铣 B 面时若用固定支承，由于定位基面 A 的尺寸和形状误差较大，铣完后的 B 面与两毛坯孔（ 3-44 中的点划线）的距离尺寸 H 1 、 H 2 变化也大，致使镗孔时余量很不均匀，甚至可能使余量不够。因此图 3-44 中可采用可调支承，定位时适当调整支承钉的高度，便可避免出现上述情况。对于中小型零件，一般每批调整一次，调整好后，用锁紧螺母拧紧固定，此时其作用与固定支承完全相同。若工件较大且毛坯精度较低时，也可能每件都要调整。
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, Z) y% V+ C5 \" [0 i3 G　　在同一夹具上加工形状相同但尺寸不同的工件时，可用可调支承，如图 3-44b 所示，在轴上钻径向孔，对于孔至端面的距离不等的工件，只要调整支承钉的伸出长度，便可进行加工。
　　3 ．自位支承（浮动支承）
/ Q& a  q; u, T　　在工件定位过程中，能自动调整位置的支承称为自位支承，或称浮动支承
0 {6 z- T4 g, }2 a  i2 F　　图 3-45 所示的叉形零件，以加工过的孔 D 及端面定位，铣平面 C 和 E 。用心轴及端面限制 、 、 、 和 五个自由度，为了限制自由度 需设一防转支承。此支承如单独设在 A 处或 B 处，都因工件刚性差而无法加工，若在 A 、 B 两处均设防转支承则属过定位，夹紧后使工件产生较大的变形，将影响加工精度。此时应采用图 3-46 所示的自位支承。
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　　图 3 -46a 、 b 是两点式自位支承。图 3 -46c 是三点式自位支承。这类支承的工作特点是：支承点的位置能随着工件定位基面位置的变动而自动调整，定位基面压下其中一点，其余点便上升，直至各点均与工件接触。接触点数的增加，提高了工件装夹刚度和稳定性，但其作用相当于一个固定支承，只限制了工件的一个自由度。
2 G. Z7 n4 Q/ P  {& ~5 }( N& c　　自位支承适用于工件以毛坯面定位或定位刚性较差的场合。

% @! `3 [+ ?$ K5 S3 m* }. E) t　　（二）辅助支承
0 k$ L3 W+ ]; _& u- `  a! G% W　　辅助支承用来提高装夹刚度和稳定性，不起定位作用。如图 3-47 所示，工件以内孔及端面定位钻右端小孔。若右端不设支承，工件装夹后，右臂为一悬臂，刚性差。若在 A 点设置固定支承则属过定位，有可能破坏左端定位。在这种情况下，宜在右端设置辅助支承。工件定位时，辅助支承是浮动的（或可调的），待工件夹紧后再把辅助支承固定下来，以承受切削力。
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　　1 ．螺旋式辅助支承 如图 3 -48a 所示螺旋式辅助支承的结构与可调式支承相近，但操作过程不同，前者不起定位作用，而后者起定位作用。
　　2 ．自位式辅助支承 如图 38b 所示，弹簧 2 推动滑柱 1 与工件接触，用顶柱 3 锁紧，弹簧力应能推动滑柱，但不可推动工件。
9 t, {" r5 \" N/ w! [" t0 Z　　3 ．推引式辅助支承 如图 3 -48c 所示，工件定位后，推动手轮 4 使滑键 5 与工件接触，然后转动手轮使斜楔 6 开槽部分涨开锁紧。

: }1 k5 k6 X! d( W　　三、工件以圆孔定位时的定位元件
　　工件以内孔表面作为定位基面时常用的定位元件如下：
& N) d- y# \) _7 I4 I7 n6 q6 y　　（一）圆柱销（定位销）
# G  ?- j$ N  J　　图 3-49 为常用定位销结构。当定位销直径 D 小于 3~ 10mm 时，为避免使用中折断或热处理时淬裂，通常将根部制成圆角 R 。夹具体上应有沉孔，使定位销的圆角部分沉入孔内而不影响定位。大批大量生产时，为了便于定位销的更换，可采用图 3-49d 所示的带有衬套的结构型式。为了便于工件装入，定位销头部有 15 0 的倒角。此时衬套的外径与夹具体底孔采用 H7/h6 或 H7/r6 配合，而内径与定位销外径采用 H7/h6 或 H7/h5 配合。
; P; f1 q* P4 P6 T1 C; d 　　（二）圆柱心轴
　　圆柱心轴在很多工厂中有自己的厂标。图 3-50 为常用心轴的结构型式。
; [/ Z) S8 f+ F+ U0 V4 u1 @' |　　图 3 -50a 为间隙配合心轴。心轴的圆柱配合面一般按 h6 、 g6 或 f7 制造，装卸工件方便，但定心精度不高。为 减少因配合间隙而造成的工件倾斜，工件常以孔和端面联合定位，因而要求工件定位孔与定位端面之间、心轴定位圆柱面与定位平面之间都有较高的垂直度要求，最好能在一次装夹中加工出来。
　　图 3-50b 为过盈配合心轴，由引导部分、工作部分、传动部分组成。引导部分 1 的作用是使工件迅速而准确地套入心轴，其直径 d 3 按 g8 制造， d 3 的基本尺寸等于工件孔的最小极限尺寸，其长度约为工件孔长度的一半；工作部分 2 的基本尺寸为工件孔的最大极限尺寸，公差带为 r6 。当工件定位孔的长径比 L/d ＞ 1 时 , 工作部分应带有一定的锥度。此时， d 1 的基本尺寸为工件孔的最大极限尺寸、分差带按 r6 ； d 2 的基本尺寸为工件孔最小极限尺寸，公差带为 h6 。安装部分 3 由同轴度极高的二中心孔及与拨盘配套并传递转矩的扁方面组成。这种心轴结构简单、制造方便且定心误差等于零，但装卸工件需在压床上进行，故批量生产时需备很多根心轴。当孔已成形时，一般不宜采用这种心轴，若非用不可时，则应在心轴部分的两端按 R 3 ≈ 5mm 倒圆 , 否则会拉伤工件孔表面使工件报废。

　　图 3 -50c 是花键心轴，用于加工以花键孔定位的工件。当工件定位孔的长径比 L/d ＞ 1 时，工作部分可稍带锥度。设计花键心轴时，应使心轴结构与花键孔的定心方式及工作要求相协调，其参数及有关技术要求可参考上述心轴确定。
- [$ G3 v' L& C6 [; p* C　　心轴在机床上的安装如图 3-51 所示。

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  v: @8 C/ }( y5 T# [　　为保证工件同轴度要求，设计心轴时，夹具总图上应标注心轴各工作面、工作圆柱面与中心孔轴线或锥柄间的位置精度要求，其同轴度可取工件相应同轴度的 1/2~1/3 。
  |3 F$ n, d( a- U  Y/ }$ v8 w　　（三）圆锥销
& e# N# u  w0 H( V# l　　图 3-52 为工件以圆孔在圆锥销上定位的示意图，它限制了工件的 、 、 三个自由度。图 3 -52a 用于粗定位基面，图 3-52b 用于精定位基面。工件在单个定位销上定位容易倾斜，为此圆锥销一般与其它元件组合定位。如图 3 -53a 所示为圆锥—圆柱组合心轴，锥度部分使工件准确定位，圆柱部分可减小工件的倾斜。图 3-53b 所示为工件以底面作主要定位基面，限制工件 、 、 三个自由度，而圆锥销在 Z 向是可以活动的，限制工件 、 两个自由度，由于圆锥销在上下方向能自由活动，即使工件孔径变化较大也能正确定位。图 3 -53c 为工件在双圆锥销上定位，限制工件的五个自由度。

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