1.2.1 定位基准的选择
在制订零件加工的工艺规程时,正确选择工件的定位基准有着十分重要的意义。定位基准选择得好坏,不仅影响零件加工的位置精度,而且对零件各表面的加工顺序也有很大的影响。本任务先建立一些有关基准和定位的概念,然后再讨论定位基准选择的原则。
1.基准的概念及分类
零件都是由若干表面组成的,各表面之间有一定的尺寸和相互位置要求。零件表面间的相对位置要求包括两方面:表面间的距离尺寸精度和相对位置精度(如同轴度、平行度、垂直度和圆跳动等)要求。研究零件表面间的相对位置关系离不开基准,不明确基准就无法确定零件表面的位置。基准就其一般意义来讲,就是零件上用以确定其他点、线、面的位置所依据的点、线、面。基准按其作用不同,可分为设计基准和工艺基准两大类。
(1)设计基准 在零件图上确定某些点、线、面的位置时所依据的那些点、线、面,即在设计图样上所采用的基准称为设计基准。如图1-7所示,零件的轴线O-O是外圆和内孔的设计基准。端面A是端面B、端面C的设计基准,内孔ϕ20H7的轴线是ϕ40h6外圆柱面径向圆跳动和端面B圆跳动的设计基准。这些基准是从零件的使用性能和工作条件要求出发,为使零件具有适当的结构工艺性而选定的。
图1-7 零件设计基准
(2)工艺基准 零件在加工和装配过程中所使用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同,又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。
图1-8 零件的工序基准
a)轴套零件图 b)轴套铣键槽工序图
1)在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准。如图1-8a所示,设计图上键槽底面位置尺寸S的设计基准为轴线O。由于工艺上的需要,在铣键槽工序中,键槽底面的位置尺寸按工序图1-8b标注,轴套外圆柱面的最低母线B为工序基准。
2)在加工时,使被加工工件在机床或夹具中占据正确位置(即将工件定位)所使用的基准称为定位基准。如图1-9a所示,在加工轴套零件键槽的工序中,工件以内孔在心轴上定位,则孔的轴线O是定位基准。若工件以外圆柱面在支承板上定位,如图1-9b所示,则母线B为该工序的定位基准。
图1-9 零件的定位基准
a)工件以心轴定位 b)工件以支承板定位
1—轴套 2—心轴 3—支承板
3)零件检测时,用以测量已加工表面的尺寸及位置所使用的基准称为测量基准。图1-10所示为检验零件大端侧平面位置尺寸所采用的两种测量方法。图1-10a所示为用极限量规测量,母线a-a为测量基准；图1-10b所示为用游标卡尺测量,大圆柱面上距侧平面最远的圆柱母线为测量基准。
图1-10 零件的测量基准
a)用极限量规测量 b)用游标卡尺测量
4)装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。装配基准通常就是零件的主要设计基准。例如,图1-7所示零件的ϕ40h6及端面B即为装配基准。
2.工件定位的基本要求及方法
在机械加工中,工件被加工表面的尺寸、形状和位置精度取决于工件相对于刀具和机床的正确位置和运动。制订零件的机械加工工艺规程时,必须选择工件上一组(或一个)几何要素(点、线、面)作为定位基准,将工件装夹在机床或夹具上以实现正确定位。工件正确定位应满足以下要求。
1)应使工件相对于机床占据一个正确的位置。例如,车削图1-11所示的零件时,为了保证被加工表面(尺寸为D的内孔)相对于外圆柱面的同轴度要求,工件定位时必须使设计基准(外圆柱面的轴线O-O)与机床主轴的回转轴线重合,加工后内、外圆柱面的同轴度即能达到要求。
对于图1-12a所示的支架,为了保证加工表面B与设计基准A的平行度要求,工件定位时必须使设计基准与机床的工作台面垂直,且与工作台的纵向运动方向相平行,如图1-12b所示。
图1-11 筒形零件
图1-12 支架
2)要保证加工精度,位于机床或夹具上的工件还必须相对于刀具有一个正确的位置。在生产中,工件、刀具之间的相对位置常用试切法或调整法来保证。
试切法是一种通过试切—测量—调整—再试切,反复进行直到被加工尺寸达到要求的加工方法。图1-13a所示为试切法加工。加工之前工件和刀具的轴向位置并未确定,而是经过多次切削、测量、调整刀具位置来得到尺寸l。
图1-13 零件加工
a)试切法加工 b)调整法加工
调整法是先调整好刀具和工件在机床上的相对位置,并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变,以保证工件被加工尺寸的方法。图1-13b所示为用调整法加工一批工件获得工序尺寸。通过反装的三爪确定工件的轴向位置,用挡铁调整好刀具与工件的相对位置,并保持挡铁位置不变,加工每一个工件时都使其具有相同的轴向位置,以保证尺寸l。
试切法一般在单件小批生产中采用,调整法多用于成批和大量生产。
3.定位基准的选择
设计基准已由零件图给定,而定位基准可以有多种不同的方案。定位基准不仅影响工件的加工精度,而且对于同一个被加工表面,所选用的定位基准不同,其工艺路线也可能不同。所以选择工件的定位基准是十分重要的。在机械加工的最初工序中,只能用工件毛坯上未经加工的表面作定位基准,这种定位基准称为粗基准。用已经加工过的表面作定位基准则称为精基准。在制订零件的机械加工工艺规程时,总是先考虑选择怎样的精基准定位把工件加工到设计要求,然后考虑选择什么样的粗基准定位,把用作精基准的表面加工出来。如果工件上没有能作为定位基准用的恰当表面,此时就必须在工件上专门设置或加工出定位的基面,称为辅助基准。例如,如图1-14所示,车床小刀架的工艺凸台A应和定位面B同时加工出来,以使定位稳定可靠。辅助基准在零件工作中并无用途,完全是为了工艺上的需要,加工完毕后如有必要可以去掉辅助基准。
图1-14 具有工艺凸台的刀架毛坯
关于如何正确地选择定位基准的问题,在生产中已总结出了一些规律。
(1)粗基准的选择 在起始工序中,工件只能选择未经加工的毛坯表面定位,这种定位表面称为粗基准。粗基准选择得好坏,对以后各加工表面加工余量的分配,以及工件上加工表面和非加工表面间的相对位置均有很大的影响。因此,必须重视粗基准的选择。选择粗基准时要为后续工序提供必要的定位基面。
选择粗基准时主要应考虑如何保证各加工表面都有足够的加工余量,非加工表面的尺寸、位置均应符合图样要求。一般应注意以下几个问题。
图1-15 壳体零件加工的粗基准选择图
1)如果要求保证加工表面与非加工表面之间的相互位置精度,则应选非加工表面为粗基准。例如,图1-15所示的壳体零件,外圆柱表面A为非加工表面,为了保证镗孔后壁厚均匀,应选外圆柱表面A为粗基准。
2)若必须保证工件上某重要表面的加工余量均匀,则应选择该表面为粗基准。
如图1-16所示,车床床身的导轨面是重要表面,希望在加工导轨面时切去一层薄而均匀的余量,使其表面层保留均匀的金相组织,以获得较高的均匀一致的力学性能,增强导轨的耐磨性。因此应先以导轨面为粗基准,加工床身底面,然后以床身底面为精基准加工导轨面,以保证导轨面的加工余量小而均匀。
图1-16 床身加工的粗基准选择
a)以导轨面(粗基准)定位加工床身底面 b)以床身底面(精基准)定位加工导轨面
3)如果零件上有几个非加工表面,则应以其中与加工表面相互位置精度较高的非加工表面作粗基准。
如图1-17a所示,箱体零件的内壁面A和面B均为非加工表面。为了防止与孔同轴装配的齿轮外圆与内壁面A相碰,设计时已考虑留有间隙Δ(图1-17b),并由尺寸t1和s保证。
图1-17 箱体零件示意图
a)尺寸示意图 b)装配示意图
加工时若选与孔相互位置精度要求较高的面A为粗基准加工面C(图1-18a),保证尺寸t1,然后再以面C为基准加工孔,保证尺寸s(图1-18b),则装配间隙Δ可以间接获得保证。齿轮外圆就不会与内壁面A相碰。反之,若以面B作为粗基准加工面D,保证尺寸t2,然后以面D为精基准加工面C,保证尺寸b,最后以面C为精基准加工孔,保证尺寸s,则尺寸t1除了受尺寸b和s的加工误差影响外,还受毛坯内壁面A和面B之间的距离尺寸的影响。由于毛坯尺寸误差较大,故尺寸t1的误差也随之增大,当尺寸t1大到使间隙Δ为负值时,则齿轮必然与内壁面A相碰,无法进行装配。
图1-18 箱体加工的粗基准选择
4)若零件上每个表面都要加工,则应选加工余量最小的表面为粗基准。
如图1-19所示,铸造毛坯应选择外圆柱面为粗基准。因为铸件外圆的加工余量一般都小于内孔的加工余量。又由于内外圆柱面同轴度误差的影响,如果以内圆柱面为粗基准加工外圆,则可能由于余量不够,使工件报废。
5)选作粗基准的表面,应尽可能平整,不能有飞边、浇注系统、冒口或其他缺陷。使工件定位稳定可靠,夹紧方便。
6)一般情况下粗基准不重复使用。一般毛坯,由于表面粗糙、精度低,如果两次装夹中重复使用同一粗基准,会造成相当大的定位误差。例如图1-20所示的小轴,如重复使用毛坯表面B定位分别加工表面A和表面C,必然使表面A和表面C之间产生较大的同轴度误差。但在某些加工中,当零件的主要定位要求已由精基准保证,还需要限制某个自由度,且定位精度要求不高时,在无精基准可以选用的情况下,也可以选用粗基准来限制这个自由度。
图1-19 加工铸造毛坯
图1-20 小轴的加工
上述粗基准选择的原则,每一项都只能说明一个方面的问题,实际应用时往往会出现几项内容相互矛盾的情况。这时要全面考虑各种因素,灵活运用上述原则,保证重点。
(2)精基准的选择 在最终工序和中间工序中,应采用已加工的表面定位,这种定位基面称为精基准。精基准的选择不仅影响工件的加工质量,而且与工件装夹是否方便、可靠也有很大的关系。选择精基准时主要应考虑如何减少定位误差,保证加工精度,使工件装夹方便、可靠,夹具结构简单。因此,选择精基准一般应遵循以下原则。
1)选择被加工表面的设计基准为定位基准,以避免因基准不重合引起基准不重合误差,这样容易保证加工精度,这就是基准重合原则。
图1-21 基准重合工件示例
如图1-21所示,当加工表面B和表面C时,从基准重合的原则出发,应选择表面A(设计基准)为定位基准。加工后表面B和表面C相对于表面A的平行度取决于机床的几何精度,尺寸精度误差则取决于机床—刀具—工件等工艺系统的一系列因素。轴类零件的大多数工序都可以采用两端中心孔定位(即以轴线为定位基准),以保证各主要加工表面的尺寸精度和位置精度。
2)当工件以某一组精基准定位,可以比较方便地加工其他各表面时,应尽可能在多数工序中采用同一组精基准定位,这就是基准统一原则。
例如,轴类零件的大多数工序都采用顶尖孔为定位基准,齿轮的齿坯和齿形加工多采用齿轮的内孔及基准端面为定位基准。
采用统一基准能用同一组基面加工大多数表面。不仅可以避免因基准变换而引起的定位误差,而且在一次装夹中能加工出较多的表面,既便于保证各个被加工表面间的位置精度,又有利于提高生产率。
3)有些精加工或光整加工工序要求加工余量小而均匀,这时应尽可能用加工表面自身为精基准,而该表面与其他表面之间的位置精度应由先行工序予以保证,这就是自为基准原则。
如在导轨磨床上磨削导轨时,装夹后用百分表找正工件的导轨表面本身,此时床脚仅起支撑作用。此外磨孔、铰孔及浮动镗孔等都是自为基准的例子。
4)当两个被加工表面之间位置精度较高、要求加工余量小而均匀时,多以两表面互为基准进行加工,这就是互为基准原则。
如图1-22a所示,导套在磨削加工时为保证ϕ32H8与ϕ42k6的内外圆柱面间的同轴度,可先以ϕ42k6的外圆柱面作定位基准,在内圆磨床上加工ϕ32H8的内孔,如图1-22b所示。然后再以ϕ32H8的内孔作定位基准,在心轴上磨ϕ42k6的外圆,则容易保证各加工表面都有足够的加工余量,达到较高的同轴度要求,如图1-22c所示。
图1-22 采用互为基准磨内孔和外圆
a)工件简图 b)用自定心卡盘磨内孔 c)在心轴上磨外圆
互为基准原则特别适用于用高频感应淬火把齿面淬硬后,进行磨齿加工的精密齿轮。因淬硬层较薄,要求磨削余量小而均匀,磨削时先以齿面为基准磨内孔,然后再以内孔为基准磨齿面。
5)定位基准的选择应便于工件的装夹与加工,并使夹具的结构简单。
上述精基准选择原则,每一条都只说明一个方面的问题,在实际应用时有可能出现相互矛盾的情况,所以在实际应用时一定要全面考虑,灵活应用。必须指出,定位基准的选择不能单单考虑本工序定位、夹紧是否合适,而应结合整个工艺路线进行统一考虑,使先行工序为后续工序创造条件,使每个工序都有合适的定位基准和夹紧方式。
4.工件的装夹方法
工件装夹得好坏是机械加工中的重要问题,它不仅直接影响加工精度、工件装夹得快慢及稳定性,还影响生产率的高低。为了保证加工表面与其设计基准间的相对位置精度,工件装夹时应使加工表面的设计基准相对于机床占据一正确的位置。
在各种不同的机床上加工零件时,有各种不同的装夹方法。装夹方法可以归纳为直接找正法、划线找正法和采用夹具装夹法三种。
(1)直接找正法 采用这种方法时,工件在机床上应占有的正确位置是通过一系列的尝试获得的。具体的方法是将工件直接装在机床上后,用百分表或划针盘上的划针,以目测法校正工件的正确位置,一边校验一边找正,直至符合要求。
直接找正法的定位精度和找正的快慢取决于找正精度、找正方法、找正工具和工人的技术水平。它的缺点是花费时间多,生产率低,且要凭经验操作,对工人技术的要求高,故仅用于单件、小批量生产中。此外,对工件的定位精度要求较高时,例如误差小于0.01～0.05mm时,采用夹具难以达到要求(因其本身有制造误差),就不得不使用精密量具,并由有较高技术水平的工人用直接找正法来定位,以达到精度要求。
(2)划线找正法 此方法是在机床上用划针按毛坯或半成品上所划的线来找正工件,使其获得正确位置的一种方法。此方法要多一道划线工序,划出的线本身有一定的宽度,在划线时又有划线误差,校正工件位置时还有观察误差,因此该法多用于生产批量较小、毛坯精度较低以及大型工件等不宜使用夹具的粗加工中。
(3)采用夹具装夹法 夹具是机床的一种附加装置,它在机床上相对于刀具的位置在工件未装夹前已预先调整好了,所以在加工一批工件时不必再逐个找正定位,就能保证加工的技术要求,既省工又省事,是高效的定位方法,在成批和大量生产中广泛应用。