任何一个工件,在其位置尚未确定前,均具有六个自由度,即沿空间三个直角坐标轴x、y、z方向的移动与绕它们的转动,分别以、、、、、表示,如图5-13(a)所示。要使工件在机床夹具中正确定位,必须限制或约束工件的这些自由度。采用6个定位支承点合理布置,使工件有关定位基准面与其相接触,每一个定位支承点限制工件1个自由度,便可将工件6个自由度完全限制,使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原理。如图5-13(b)所示,其中3个支承点在xOy平面上,限制、和共3个自由度;2个支承点在xOz平面上,限制和共2个自由度;最后1支承点在yOz平面上,限制的自由度。
图5-13 工件的六点定位
(a)自由度;(b)六点定位原理
图5-14 连杆的定位
如图5-14所示,与连杆底面接触的支承板限制工件的3个自由度、、,相当于3个支承点;小头孔中的短圆柱销限制工件的2个自由度、,相当于2个支承点;与大头侧面接触的圆柱销,限制工件1个自由度,相当于1个支承点,这样可使工件得到完全定位。
工件定位时,其6个自由度并非在任何情况下都要全部加以限制,要限制的只是那些影响工件加工精度的自由度。若在工件上铣键槽,要求保证工序尺寸x、y、z及键槽侧面、底面分别与工件侧面、底面平行,加工时必须限制全部6个自由度,采用完全定位,如图5-15(a)所示。若在工件上铣阶梯,要求保证工序尺寸y、z及其底面、侧面分别与工件底面、侧面平行,加工时只要限制除以外的5个自由度就够了,因为对工件的加工精度并无影响,如图5-15(b)所示。若在工件上铣顶平面,仅要求保证工序尺寸z及与底面平行,只限制、和共3个自由度就行了,如图5-15(c)所示。按加工要求,允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为不完全定位。在实际生产中,工件被限制的自由度数一般不少于3个。(www.xing528.com)
图5-15 工件应限制自由度的确定
(a)铣键槽;(b)铣阶梯;(c)铣顶平面
按工序的加工要求,工件应该限制的自由度而未予以限制的定位称为欠定位。在确定工件定位方案时,欠定位是不允许的。
图5-16 连杆的过定位情况
工件的同一自由度被两个或两个以上的支承点重复限制的定位称为过定位。在夹具中,当采用一组定位元件限制工件的自由度时,就可能出现过定位。如图5-16所示,长销限制了工件的、、、共4个自由度,支承板限制了、和共3个自由度,其中、被两个定位元件重复限制,这就产生了过定位。由于工件孔与其端面,长销与支承板平面均有垂直度误差,工件装入夹具后,其端面与支承板平面不可能完全接触,造成工件定位误差。这种现象称为定位干涉。若用外力(如夹紧力)迫使工件端面与支承板接触,则会造成长销或连杆弯曲变形。过定位是否允许,应该根据情况进行具体分析。一般情况下,如果工件的定位表面的定位面没有经过机械加工或毛坯面虽经过机械加工,但仍然很粗糙,这时过定位是不允许的。如果工件的定位面经过了机械加工,并且定位面和定位元件的尺寸、形状和位置都做得比较准确、比较光整,则过定位不但对工件加工面的位置尺寸影响不大,而且可以增加加工时的刚性、有利于提高加工精度,这时过定位是允许的。
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