定位元件的选择与设计技巧

前面讲过，工件的定位是通过工件上的定位表面与夹具上的定位元件的配合或接触实现的，定位表面形状不同，所用定位元件种类也不同。定位元件设计主要包括结构、形状、尺寸及布置形式等。对定位元件主要有以下基本要求：

（1）足够的精度。定位元件的精度将直接影响工件的加工精度。可根据分析计算、参考工厂现有资料或生产经验确定其制造精度。精度过低，保证不了工件的加工要求，过高会使制造困难。

（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，因此应有足够的强度和刚度，以免在使用中变形和损坏。

（3）耐磨性好。工件的装卸会磨损定位元件的工作表面，导致定位精度的下降。定位精度下降到一定程度时，定位元件须更换。为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。所以定位元件的材料常用T7A 淬火60～64 HRC 或20 钢渗碳深度0.8～1.2 mm，淬火60～64 HRC。

（4）工艺性好。定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。

（5）便于清除切屑。定位元件工作表面的形状应有利于清理切屑，否则会因切屑而影响定位精度，而且切屑还会损伤定位基准表面。

一、工件以平面定位

1.固定支承

当支承的高度不需要调整时，采用固定支承。各种支承钉、支承板均属于固定支承。

（1）支承钉的选用。以面积较小的已经加工的基准平面定位时，选用平头支承钉，如图3-18（a）所示；以粗糙不平的基准面或毛坯面定位时，选用球头支承钉，如图3-18（b）所示。它适用于底面定位，接触良好、定位稳定；以侧面定位和顶面定位时，可选用锯齿支承钉，如图3-18（c）所示。其锯齿头能增大与定位基准面间的摩擦力，阻止工件受力后滑动。

图3-18　支承钉

（a）平头支承钉；（b）球头支承钉；（c）锯齿支承钉

（2）支承板的选用。以面积较大、平面精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件，如图3-19所示。

图3-19　支承板

（a）不带斜槽的支承板；（b）带斜槽的支承板

不带斜槽的支承板[如图3-19（a）所示]，结构简单，易于制造。但使用中，孔边积屑不易除净，故只宜用于侧面和顶面定位。

带斜槽的支承板[如图3-19（b）所示]，利于清除切屑，易于保证其工作表面清洁，故适用于底面定位。

当工件定位基面尺寸或刚度较小、精基准面精度又很高时，可设计形状与基准面相仿的非标准的整体式支承板，这样可以简化夹具结构，提高支承刚度。为保证各固定支承的定位表面严格共面，一般在将其装到夹具体上之后，要同时修磨或对高度尺寸H 的公差严加控制。通常支承板用2 个或3 个M4～M10 的螺钉紧固在夹具上。当受力较大或支承板有移动趋势时，应装圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。

2.可调支承

以粗基准定位的工件，且不同批的毛坯尺寸相差较大的情况下，支承的高度需要调整，可按定位基面质量和面积大小分别选用如图3-20所示的可调支承作定位元件。

图3-20　可调支承

（a）圆头可调支承；（b）锥顶可调支承；（c）摆动压块可调支承
1—调整螺钉；2—紧固螺母；3—摆动压块

如图3-20（a）、图3-20（b）所示支承钉需用扳手调节，适用于较重工件；如图3-20（c）所示支承钉可直接用手或扳手调节，适用于小型工件。操作时都要先松，后调，调好后锁紧。

3.浮动支承

以毛坯面、阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，既要保证定位副接触良好（多点接触或大面积接触），又要避免过定位。过定位时，选用浮动支承（又称自位支承）作定位元件，如图3-21所示。

图3-21　浮动支承

（a）杠杆两点式；（b）滑柱两点式；（c）球面三点式；（d）滑柱三点式

图3-21所示各浮动支承中，图3-21（a）为杠杆两点式，适用于断续表面；图3-21（b）为滑柱两点式，适用于阶梯表面；图3-21（c）为球面三点式，当定位基面在两个方向上均不平或倾斜时，能实现三点接触；图3-21（d）为滑柱三点式，在定位基面不直或倾斜时，仍能实现三点接触。

但需要注意，浮动支承的特点在于：浮动支承虽有两个或三个支承点，但其位置随工件定位基面的变化而变化。在工件安装过程中，当工件定位基面有误差而只与一个支承点接触时，该点被压下，其余点升起，直至全部接触为止。故图3-21所示的浮动支承均相当于一个固定支承，只限制一个（移动或转动）自由度。

4.辅助支承

工件加工中，要受到切削力、夹紧力及重力等的作用。前面介绍过的固定支承、浮动支承和可调支承，既能支承工件承受这些力，又能起定位作用，故一般称为基本支承。当工件刚度较差而加工时受力又较大，定位基准面需要提高定位刚度、稳定性和可靠性时，仅靠基本支承往往是不够的，这时就要采用辅助支承，以提高工件的刚度和夹具工作的稳定性，有时也起预定位作用，如图3-22 和图3-23所示。

辅助支承有以下几种类型，如图3-24所示。

（1）螺旋式辅助支承。如图3-24（a）所示，其结构简单，但调节时，需转动支承，这样可能损伤工件表面，甚至带动工件，破坏定位。

（2）推引式辅助支承。如图3-24（b）所示，工件由基本支承定位后，推动把手，使支承与工件接触。然后，转动把手，将斜楔胀开便锁紧。斜楔的楔角α 可取8°～10°。α 过小，支承升程小；α 过大，可能失去自锁作用。这类辅助支承，适用于支承负荷较大的场合。

（3）浮动式辅助支承。如图3-24（c）所示，它依靠弹簧的弹力使支承与工件表面接触，然后旋转把手锁紧斜楔，作用力稳定。弹簧力既要使支承弹出，又不能过大，以免因顶起工件而破坏定位。斜楔的楔角α 应不大于自锁角（一般α=6°），以免锁紧时将支承顶出。这类辅助支承适用于支承负荷较小的场合。

（4）液压锁紧的辅助支承。如图3-24（d）所示，使用时支承在弹簧作用下与已由基本支承定位的工件接触。弹簧力可由螺钉调节。由进油口通入压力油，使薄壁套筒变形，进而锁紧支承。然后把支座的螺纹旋入夹具体的螺孔中，接通油路便可。这类辅助支承结构紧凑、操作方便，但必须有液压动力源才能使用。

图3-22　辅助支承提高工件的刚度和稳定性

1—工件；2—短定位销；3—支承板；4—辅助支承

图3-23　辅助支承起预定位作用

图3-24　辅助支承的类型

（a）螺旋式辅助支承；（b）推引式辅助支承；（c）浮动式辅助支承；（d）液压锁紧的辅助支承

每次卸下工件后，辅助支承都必须松开，工件定位后，再调整如图3-24（a）所示的螺母或对图3-24（b）、图3-24（c）、图3-24（d）进行自锁。

需注意，辅助支承没有定位作用，不限制工件的自由度，否则将破坏由基本支承所确定的工件的正确位置。每次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利于工件承受夹紧力和切削力的地方。

上述支承钉、支承板和可调支承均已标准化。

二、工件以外圆柱面定位

1.V 形块定位

（1）V 形块的结构。V 形块定位是最常见的外圆定位元件，图3-25所示为常见V 形块结构。图3-25（a）用于较短工件精基准定位。图3-25（b）用于较长工件粗基准定位。图3-25（c）用于工件两段精基准面相距较远的情况。如果定位基准与长度较大，则V 形块不必做成整体钢件，而采用铸铁底座镶淬火钢垫，如图3-25（d）所示。长V 形块限制工件的4 个自由度，短V 形块限制工件的两个自由度。V 形面的夹角有60°、90°和120°三种，其中以90°为最常用。

图3-25　V 形块

V 形块上两斜面的夹角α 一般选用60°、90°、120°三种，最常用的是夹角为90°的V 形块。90°夹角V 形块的结构和尺寸可参阅国家有关标准。当在夹具设计过程中，需根据工件定位要求自行设计时，则可参照图3-26 对有关尺寸进行计算。

由图3-26 可知，V 形块的主要尺寸有以下几种：

d——V 形块的标准心轴直径尺寸（即工件定位用外圆的理想直径尺寸）；

H——V 形块高度尺寸；

N——V 形块的开口尺寸；

H定——对标准心轴而言，V 形块的标准定位高度尺寸（亦是V 形块加工时的检验尺寸）。

当自行设计一个V 形块时，d 是已知的，而H 和N 须先行确定，然后方可求出H定。

尺寸H定的计算如下：

H定- H=OE- CE

在直角三角形△OEB 中，在△CEA 中。

将OE 及CE 代入上式，得

图3-26　V 形块的典型结构

式中　尺寸N：当α=60°时，N=1.15（d-5h）；

当α=90°时，N=1.4d-2h；

当α=120°时，N=2d-3.46h。

设计时通常取尺寸h=（0.14～0.16）d；

因此当α=90°时，H定=0.707d+H-0.5N

尺寸H：

用于大外圆直径定位时，取H≤0.5d；

用于小外圆直径定位时，取H≤1.2d。

（2）V 形块的应用。V 形块的应用示例如图3-27所示，固定V 形块限制工件的x→ 、y→两个自由度，活动V 形块限制工件的z 一个自由度。

图3-27　V 形块的应用示例

2.半圆套定位

如图3-28所示，半圆套的定位面置于工件的下方。这种定位方式类似于V 形块，也类似于轴承，常用于大型轴类零件的精基准定位，其稳固性比V 形块更好，定位精度取决于定位基面的精度。通常要求工件轴颈精度IT7、IT8，表面粗糙度值Ra0.8～0.4 μm。

图3-28　半圆套定位座

（a）可卸式；（b）铰链式

3.定位套定位

图3-29所示为两种常用的定位套。通常定位套的圆柱面与端面组合定位，限制工件的5 个自由度。这种定位方式是间隙配合的中心定位，故对基面的精度也有严格要求，通常取轴颈精度为IT7、IT8，表面粗糙度值小于Ra0.8 μm。定位套应用较少，常用于形状简单的小型轴类零件定位。

三、工件以圆柱孔定位

工件以圆柱孔内表面定位时，常用以下定位元件。

1.定位销

常用的定位销有固定式定位销、可换式定位销和定位插销等几类，它们分别又分为A 型和B 型两种形式

（1）固定式定位销。图3-30 为圆柱固定式定位销的结构，图3-30（a）为A 型圆柱形定位销，可限制工件的两个移动自由度。图3-30（b）所示为B 型菱形定位销，只能限制工件的一个自由度。菱形销的应用较特殊，它布置在会发生定位干涉的部位上。

图3-29　定位套

（a）短定位套；（b）长定位套

图3-30　圆柱固定式定位销

（a）A 型圆柱形定位销；（b）B 型菱形定位销

图3-31 是圆锥定位销，工件以圆孔在圆锥销上定位，它限制了工件的3 个移动自由度。当工件圆孔端边缘是粗定位基准，选用如图3-31（a）所示的圆锥定位销；当工件圆孔端边缘形状精度较高时，选用如图3-31（b）所示的圆锥定位销；当工件需要平面和圆孔端边缘同时定位时，选用如图3-31（c）所示的浮动锥销。

图3-31　圆锥定位销

（a）圆孔端边缘形状精度较低时定位；（b）圆孔端边缘形状精度较高时定位；（c）平面和圆孔端边缘同时定位

（2）可换式定位销。如图3-32所示为可换式定位销的结构，与固定定位销比较，其功能是当定位销磨损后可以更换，以降低夹具的成本。这种定位销常用于生产负荷很高的夹具。

（3）定位插销。如图3-33所示为定位插销的结构，定位插销常用于不便于装卸的部位和工件以被加工孔作为定位基准（自为基准）的定位中。

圆柱定位销的结构和尺寸已经标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔的直径选用。当工件圆柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销，如图3-31（b）所示。

图3-32　可换式定位销

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图3-33　定位插销

2.定位心轴

常用的定位心轴分为圆柱心轴和圆锥心轴（小锥度心轴）两种定位方式。在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位。

（1）圆柱心轴。图3-34 为常用圆柱心轴的结构形式。图3-34（a）为间隙配合心轴，装卸工件较方便。由于配合间隙较大，定心精度不高。图3-34（b）是过盈配合心轴，由引导部分1、工作部分2 和传动部分3 组成。这种心轴制造简单，定心准确，不用另设夹紧装置，但装卸工件不便，易损伤工件定位孔，因此，多用于定心精度要求高的精加工。图3-34（c）是花键心轴，用于加工以花键孔定位的工件。

图3-34　圆柱心轴

（a）间隙配合心轴；（b）过盈配合心轴；（c）花键心轴
1—引导部分；2—工作部分；3—传动部分

图3-35　圆锥心轴

（2）圆锥心轴（小锥度心轴）。如图3-35所示，工件在锥度心轴上定位，并靠工件定位圆孔与心轴限位圆锥面的弹性变形夹紧工件，这种定位方式的定心精度高，可达φ0.01～φ0.02 mm，但工件的轴向位移误差较大，用于工件定位孔精度不低于IT7 的精车和磨削加工，不能加工端面，并且传递的扭矩较小，装卸工件不便。

四、工件以圆锥孔定位

工件以圆锥孔为定位基准面时，常用的定位元件有锥形心轴、顶尖等。

1.锥形定位心轴

图3-36（a）为以锥孔为定位基准面的工件，在锥度相同的锥形心轴上定位的情形。当圆锥角小于自锁角时，为便于卸下工件，可在心轴大端装一推出工件的螺母，如图3-36（b）所示。

图3-36　圆锥心轴

（a）锥度心轴；（b）带推出螺母的锥度心轴

工件孔与心轴锥度相同，接触良好，故定心精度极高，轴向定位精度取决于工件孔和心轴的尺寸精度。

2.顶尖定位

在加工轴类工件或某些要求精确定心的工件时，在工件上专为定位而加工出工艺定位面（中心孔）。每个中心孔各用一个顶尖定位，如图3-37所示。

图3-37　中心孔定位

（a）固定顶尖定位；（b）轴向浮动的前顶尖定位
1—顶尖套

用顶尖定位的优点是，用同一定位基准可加工出所有的外圆表面。当用半顶尖时，还能加工端面。但加工阶梯轴时，轴向尺寸的工序基准通常是端面C，它与定位基准（左中心孔锥顶A）不重合，故有基准不重合误差。为减小此误差，就要严格控制左中心孔尺寸，如图3-37（a）所示，放入标准钢球后，检查尺寸a；或者如图3-37（b）所示，改用轴向浮动的前顶尖定位。这时，端面C 为轴向定位基准，以顶尖套1 端面定位，前顶尖只起定心作用。

五、工件以特殊表面定位

除上述各种典型表面外，有时工件还可用某些特殊表面作定位基准面。如各种导轨面、成形表面等。

1.工件以V 形导轨面定位

例如车床的拖板、床鞍等零件，常以底部的V 形导轨面定位，其定位装置如图3-38所示。左边一列是两个固定在夹具体上的V 形座和短圆柱2，起主要限位作用，约束工件的4 个自由度；右边一列是两个可移动的V 形座和短圆柱1，只约束工件的y 一个自由度；端面靠在支承钉3 上，限制移动自由度。

两列V 形座（包括短圆柱）的工作高度T1 的等高度误差不大于0.005 mm。V 形座常用20 钢制造，渗碳淬火后硬度为58～62 HRC。短圆柱常用T7A 制造，淬火后硬度为53～58 HRC。当夹具中需要设置对刀或导向装置时，需计算尺寸T1，当α=90°时，T1=H+1.207d-0.5N。

图3-38　床鞍以V 形导轨面定位

1，2—短圆柱；3—支承钉

2.工件以燕尾导轨面定位

燕尾导轨面一般有55°和60°两种夹角。

常用的定位装置有两种：

一种如图3-39（a）所示，右边是固定的短圆柱和V 形座，组成主要限位基准，限制4 个自由度；左边是形状与燕尾导轨面对应的可移动钳口K，限制一个自由度，并兼有夹紧作用。另外一种如图3-39（b）所示，定位装置相当于两个钳口为燕尾形的虎钳，工件以燕尾导轨面定位，夹具的左边为固定钳口，这是主限位基面，限制工件4 个自由度，右边的活动钳口限制一个自由度，并兼起夹紧作用。

如图3-39（a），定位元件与对刀元件或导向元件间的距离a 可按如下公式计算：

图3-39　工件以燕尾导轨面定位

式中　β——燕尾形的夹角，当β=55°时，a=b+0.460 5d。

3.工件以渐开线齿面定位

对于整体淬火的齿轮，一般都要在淬火后磨内孔和齿形面。为了保证磨齿形面时余量均匀，应贯彻“互为基准”的原则，先以齿形面的分度圆定位磨内孔，然后以内孔定位磨齿形面。

如图3-40所示为以齿形面定位磨内孔时的定位示意图，即在齿轮分度圆上相隔约120°的三等分位置上放入3 根精度很高的定位滚柱2，进行定心夹紧。此时，滚柱与齿面接触的母线所在柱面的轴线，即为定位基准。套上薄壁套1，起保持滚柱的作用，然后将其一起放入膜片卡盘内以卡爪3 自动定心夹紧。

图3-40　齿轮以分度圆定位

1—薄壁套；2—滚柱；3—卡爪

六、工件的组合定位

1.工件组合定位的方法

工件以多个定位基准组合定位是很常见的。可以是平面、外圆柱面、内圆柱面、圆锥面等各种组合。

如图3-41所示，工件加工孔1、2，控制尺寸H、L1、L2，有两个定位方案，根据基准重合原则，图3-41（b）所示方案更好，因为尺寸H 的工序基准是大孔的中心线。

又如图3-42所示为拨叉零件铣槽工序的组合定位。它以长圆柱孔、端平面及弧面为定位基准，其中主要定位基准为孔。此定位方案符合基准重合原则。定位元件为定位轴、可调支承。

图3-43（a）所示为连杆零件图，加工斜孔的工序简图如图3-43（b）所示。工件以两孔一面定位，定位基准为孔及端平面。定位元件为定位轴及菱形销。

工件采用组合定位时，应注意以下问题。

图3-41　定位方案

图3-42　拨叉零件的组合定位

（1）合理选择定位元件，实现工件的完全定位或不完全定位，不能发生欠定位。对于过定位应区别对待。

（2）按基准重合的原则选择定位基准，首先确定主要定位基准，然后确定其他定位基准。

（3）组合定位中，一些定位元件在单独作用时限制移动自由度，而在组合定位时则转化为限制旋转自由度。

（4）从多种定位方案中选择定位元件时，应特别注意定位元件所限制的自由度与加工精度的关系，以满足加工要求。

常用定位元件所能限制的自由度见表3-2。

图3-43　连杆零件图及工序简图

（a）零件图样；（b）工序图

表3-2　常用定位元件所能限制的自由度

续表

续表

续表

2.分析工件组合定位限制自由度的方法

（1）组合定位限制工件自由度的数目与各定位元件单独作用限制工件自由度的数目之和相等。

（2）先判断各定位元件限制的自由度数目。如平面接触限制3 个自由度，长圆柱面配合限制4 个自由度，短圆柱面配合限制2 个自由度，点接触限制1 个自由度等。

（3）确定分析顺序：由多到少，即先分析限制自由度多的定位元件，再分析限制自由度少的定位元件。

（4）先按各定位元件单独作用分析其限制工件自由度的情况，再判断各定位元件组合之后是否存在移动自由度转化为转动自由度的情况：

①只能由移动自由度转化为转动自由度。转化条件：

a.存在重复限制的移动自由度。

b.存在未被限制的转动自由度。

c.由组合的实际情况判断未被限制的转动自由度是否限制。

②转化时，转化限制自由度数目少的定位元件限制的移动自由度为转动自由度。

③移动自由度转化为转动自由度时，不能转化为同轴向方向的转动自由度。

④移动自由度转化为转动自由度之后，定位元件原来限制的移动自由度的作用就消失了。

⑤已经限制的转动自由度不再由其他移动自由度转化而来。

（5）判断定位方式及其合理性。

工件组合定位分析实例：

图3-44所示零件3 以a 和b 两个方案定位，分析其定位方式：

图3-44　组合面定位分析

1—固定内锥套；2—移动内锥套；3—支承板；4—工件
（a）定位方案a；（b）定位方案b

方案a

（1）固定内锥套1 限制3 个自由度。移动内锥套2 限制2 个自由度。

（2）定位元件单独作用限制的自由度：固定内锥套1 限制工件x→、y→、z→。移动内锥套2限制工件x→、y→。

（3）由于固定内锥套1 和移动内锥套2 均限制工件x→、y→，出现移动自由度的重复限制，满足自由度转化的条件a。其次固定内锥套1 和移动内锥套2 均没有限制x、y、z，满足自由度转化的条件b。最后，由如图3-43（a）判断，x 和y 已经被限制，由此判断自由度发生了转化；根据自由度转化的情况②将限制自由度数目少的定位元件限制的移动自由度为转动自由度，所以直接将移动内锥套2 限制的移动自由度转化为转动自由度。

（4）最终得到分析结果：

固定内锥套1 限制3 个自由度：x→、y→、z→；

移动内锥套2 限制2 个自由度：x、y。

（5）判断定位方式：不完全定位。

方案b

（1）支承板1 限制3 个自由度。移动内锥套2 限制2 个自由度。

（2）定位元件单独作用限制的自由度：支承板1 限制工件z→、x、y，移动内锥套2 限制工件x→、y→。

（3）由于支承板1 和移动内锥套2 限制的自由度没有重复，由此判断自由度不存在转化。

（4）最终得到分析结果：

支承板1 限制3 个自由度：z→、x、y；

移动内锥套2 限制2 个自由度：x、y。

（5）判断定位方式：不完全定位。