第二节 工件在夹具上的定位

工件在机床上的定位实际上包括了工件在夹具上的定位和夹具在机床上的定位两个方面。本节只讨论工件在夹具上的定位问题：定位方法、定位元件以及定位误差的分析计算。

工件在夹具中定位就是要确定工件与夹具定位元件的相对位置，并通过导向元件或对刀装置保证工件与刀具之间的相对位置，从而满足加工精度的要求。

工件在夹具中的定位一定要通过定位元件，并以六点定位原理来分析所的自由度。

一、常用定位方法与定位元件

1、常用的定位方式主要有支承定位和定心定位。

而定位元件的形式多样，其结构和尺寸，主要取决于工件上已被选定的定位基准面的结构形状、大小及工件的重量等。

2、定位元件的要求：

足够的定位精度、较低的粗糙度值，一定的耐磨性、硬度和刚度。

3、定位元件的材料：

①低碳钢20钢或20Cr，表面渗碳淬火（0.8～1.2mm），硬度HRC55～65。

②高碳钢如T7、T8、T10等，淬硬至HRC55～65。

此外也有用中碳钢（如45钢）的，淬硬至HRC43～48。

（一）工件以平面定位

平面定位的主要形式是支承定位。平面与平面接触实际上只有三个最高点，对于精基准可直接用一平面定位或用支承板定位，对于粗基准，为保证定位可靠，用三个支承钉来定位。常用的支承元件有以下几种：

1、固定支承

固定支承有支承钉和支承板两种形式（解释P261图6-2）

1）支承钉：钉与夹具体的配合H7/r6或H7/n6，钉与工件的配合H7/r6或H7/n6

平顶：精基准；圆顶：毛坯面，↓接触面积；花纹顶面：侧面，↑摩擦系数。

2）支承板：

用于较大精基准面，台阶式：不易清屑；斜槽式：清屑容易又结构紧凑。

2、可调支承

支承点位置可以调整，主要用于粗基准，当工件定位表面不规整以及工件批与批之间毛

坯尺寸变化较大时。（解释P262图6-3）

3、 自位支承

由于工件定位表面有几何形状误差，或当定位表面是断续表面、阶梯表面，采用自位支承可增加与工件的接触点，提高了刚度，又可避免过定位。支承本身可以随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应，起一点定位作用（一个自由度）。（解释P262）

三点式：用于工件是正方形或圆形

两点式、杠杆式：用于工件是长方形

4、 辅助支承

工件在装夹加工时，为增加工件的刚性和稳定性，但以要避免过定位时采用。在工件定位后才参与支承，不起定位作用，使用时不需进行调整。（解释P262图6-5）

图6-5

图

6-4

旋出式：（a ）易划伤工件，（b ）只能上下运动，调整不回转；

弹力式：作用力适当而稳定，支承柱上有防护套，可防切削落入支承柱滑动部分。

（二）工件以圆柱孔定位

定位形式为定心定位（定位基准为孔的轴线），定位

元件是心轴和定位销。

1、 心轴

心轴用于定位回转体零件，其种类很多。

1） 带突肩的压配合心轴

如图1心轴两端有顶尖孔，一端有方扁以便传递扭矩。这种心轴能轴向定位，故可五个自由度。心轴右端直径的基本尺寸与D 相同但按静配合制造，起导向作用。两段直径之间有一段直径D 1较小，以便于车削工件的端面。

2） 压配合心轴

如教材图6-6（a ）这种心轴不带突肩，只能四个自由度，通常心轴两端有顶尖孔，两段直径间有一段直径较小，便于车削工件的两端面，在压入时，应保保证工件的轴向位置。这种心轴会破坏工件的内孔表面。 3） 带螺母的心轴

如教材图6-6（b ）和图2，这种心轴与工件为动配合，因此有间隙，

靠螺母锁紧的摩擦力来抵抗切削力。工件装卸时不会损伤工件的内孔表

面，但定心精度较差。 例如图3在齿轮毛坯的车削加工中，为保证图所要求的位置精度，内孔和大端面、外圆可采用一次装夹加工（一刀活），但小端面和小外圆需调头加工，无法保证圆跳动，此时需图2

图

1

图 4

图

3

要采用心轴定位。分别有圆柱心轴、小锥度心轴和弹性心轴定位。

4） 小锥度心轴

如教材图6-6（c ）和图4，为防止工件在心轴上倾斜，锥心轴的锥度较小，为1∶5000～1∶1000（指长度为5000～1000mm ，大头与小头直径差为1mm ），其定位精度很高；由于工件与心轴只配合一小段，靠斜楔作用的摩擦力来抵抗切削力，因此切削力不能太大，只能在精加工中使用。

5） 弹性心轴

又称为涨胎心轴，工件装入后，靠薄壁弹性套变形，使工件既定心又夹紧，如图5，工件装卸方便，有很高的精度，但结构复杂。

6） 花键心轴

用于带花键孔的零件。当然也有平键心轴。如图7

7） 自夹紧心轴

如图8，这种心轴靠切削力夹紧，工件定位孔与三个滚柱接触，在切削开始的一瞬间，由于工件和心轴之间的相对运动，使滚柱挤入斜楔而夹紧，其定心和夹紧是同时进行的。加工完毕后，将工件相对于心轴向逆时针转动一点（A-A 剖面），即可卸下工件。图中的带槽图

5

8）毛面定心心轴

如图9，这种心轴用于粗基准孔的定心定位。由于基准孔没有加工过，故用两个斜面分别控制三个支承滑柱来定位，当转动螺母时，六个支承滑柱就会同时伸出，以孔壁上的六点定位，四个自由度，完成毛孔定心。当然这种心轴不能重复安装，因为是粗基准孔，每次安装的孔心就会不一致。

2、定位销

主要用于零件上的中小孔定位，一般直径不超过50mm。定位销有两类，一是圆柱形定位销，简称圆销，两个自由度；另一类是菱形销，一个自由度。销与夹具体配合一般为H7/n6；销与定位孔配合H7/g6或f7。

直径小于16mm的定位销，用T7A材料，淬火HRC 53—58，大于16mm的定位销，用20号钢渗碳淬火，HRC 53～580

（1）圆柱定位销：（解释P263图6-7）

头部15℃长倒角，与夹具体的配合为过盈配合或间隙配合，2个移动自由度。

图

10

图a）用于孔径小于10mm，为防定位销受力折

断，采用过渡圆角。

图b）带突肩，工件与突肩接触，避免夹具磨损。

图c）直径大于16mm的定位销

图d）带套筒，定位销磨损后便于更换。

图（10）为可伸缩的定位销

（2）菱形销

一个自由度。P2图6-8（a）

（3）圆锥销

三个移动自由度。图6-8（b）用于未加工过的毛坯孔定位，以保证良好的接触；图6-8（c）用于已加工过的光孔定位。

图（11）为浮动锥销两个自由度。

（三）工件以外圆表面定位

定位形式有定心定位和支承定位。常用定位元件有套筒、支承和V形块等。

1．定心定位

与圆柱孔定位的情况

相仿，只是用套筒或卡盘代

替了心轴或柱销，以锥套代

替了锥销（P2图6-9）。通

常用套筒进行定位和定心

夹紧机构联系在一起，常用

的定心夹紧机构有弹簧夹

头，别处还有各种形式的自

动定心三爪卡盘。

2．支承定位

定位元件常为V形块，使用销子或螺钉坚固在夹具体上，工件的外圆中心对中于V形块两对称斜面的交线上，长V形块（或两个短V形块的组合）工件的4个自由度，短V形块—般只2个自由度。可用于非完整外圆表面的定位。

图6－8 图11

长V 形块有两种形式（如图12），中间断开的V 形块相当于两个短V 形块，用于定位基准面较长或分为两段时的情况。V 形块的材料用20号钢渗碳淬火，HRC60～。V 形块的结构尺寸已经标准化，其两斜面的夹角a 一般有60°、90°、120°三种其中以90°为最多。

主要设计参数：V 形块在夹具中的安装尺寸T ＝H ＋0.707D －0.5N

支承定位的其它形式：图13（1）（2）为平头支承定位，图13（3）为半圆支承定位，活动的上半圆压板起夹紧作用。

（四）工件以其它表面定位

工件除了以平面、圆孔和外圆表面定位外，有时也以其它形式的表面定位。

1． 工件以锥孔定位

常用的定位元件为锥度心轴，如图6-11。锥度心轴了工件除绕自身轴线转动之外的5个自由度。

作为锥孔定位的特例是顶尖定位，顶尖从

定位的角度可分为：死顶尖如图14（1）

三个自由度；浮动顶尖如图14（2），其轴向

可绅缩，故两个自由度。车床、磨床等尾

架用的死顶尖，由于尾架套筒带动顶尖移动，

故也只能两个自由度。

2． 工件（齿轮）以渐开线齿面定位

在齿轮加工中，对于淬火齿轮在淬

火后，要磨削内孔及齿面，此时先以齿

面定位加工内孔，再以内孔定位磨削齿

面，这样在加工齿面时齿面余量比较均

匀；同时，可保证齿轮内孔与齿面之间

获得较高的同轴度。如图6-12所示夹具

以3个定位圆柱均布（或近似均布）插

入卤间以实现分度圆定位。

（五）定位表面的组合

实际生产中经常遇到的不是单一

表

图12 各种V 形块结构 图13 外园表面的支承定位

面定位，而是几个定位表面的组合。在多个表面同时参与定位的情况下，各表面在定位中所起的作用有主次之分。一般称定位点数最多的定位表面为第一定位基准面或主要定位面或支承面，对于定位点数次多的定位表面称为第二定位基准面或导向面，对于定位点数为l 的定位表面称为第三定位基准面或止动面。

例如图6-l 中的连杆端面三点定位，定位点数最多，是工件的第一定位基准面；连杆大头孔起两点定位作用，是工件的第二定位基准面；连杆的小头孔只起一点定位作用，是工件的第三定位基准面。

1． 分析组合定位的各定位元件所的自由度时需要注意以下几点：

1）首先分析自由度多的定位元件，再分析自由度少的定位元件。

2）后分析的定位元件要考虑其的自由度是移动还是转动。

3）有长短之分的定位元件判别其长度时可考虑两方面因素：

定位长度相对于整个定位面的长度；

定位长度相对于工件相关尺寸的长度。

如P266图6-13所示的轴类零件在机床前后顶尖上定位的情况，应首先确定前顶尖所限

制的自由度，它们是X r 、Y v 、Z v ，然后再分析后顶尖所的自由度。孤立地看，由于后顶尖在Z 方向可移动，因此只X r 、Y v 两个自由度。但与前顶尖一起考虑，则后顶尖实际的是X )和Y )两个自由度。

2． 定位表面组合形式

（1） 一个平面和两个与其垂直的孔的组合

这种定位方式所用的定位元件为—个平面和两个定位销（其中一个为菱形销），俗称一面两销定位，是一种非常典型而常用的定位方式，特别是在大批大量生产中，流水线、自动线上所用的夹具大多采用这种定位方式。

① 活动销定位机构

当工件用一面两销进行定位时，要将两孔同时装入两个定位销内，否则可能因倾斜而被卡住，如图2-27所示。对于笨重的箱体零件很容易将定位销损坏，因此在结构上可采用活动销定位机构。

图2-28中所示的两个定位销下均有弹簧，工件从上面垂直下移时．如果两个孔和两个定位销对得不准，则定位销会被压下。工件的定位平面与平面定位元件接触后，可轻微移动工件，因定位销上有大倒角，当对准后就会在弹簧力的作用下跳入定位孔内。图2-29（1）所

②止口和小孔组合定位

如果工件上的两定位孔是专门设计作为定位基准，则通常是

把两孔直径设计为相等的；如果是利用工件上的原有孔为定位

基准，则两销的直径将随工件而定。

两孔直径不等的典型定位方式就是止口和小孔定位，这时定

位元件为一个环形平面支承、一个大直径短销和一个小直径的

菱形销，如图2-30所示，环形平面支承三个自由度，短销限

制两个自由度，菱形销一个自由度。

（2）一个平面和一个与其垂直的孔的组合

这种情况大多是用带台阶的心轴定位，即一个定位销和一

个与它垂直的环形平面组如图2-31所示。为了避免过定位，用长销小平面或短销大平面的方案，分别如图2-31（1）、（2）、（3）所示。如果工件的孔和端面不垂直，则要用球面垫圈，如图（4）所示，以保证长销和大端面的接触。如果工件的孔和端面的垂直度很好，夹具上定位销和环形平面垂直度很好，则可以允许用长销大平面，这时的过定位对加工精度无影响。

（3）两个互相垂直的平面和一个与其中一个平面垂直的孔的组合

如图18表示用一个大平面、一个长条形平面和一个菱形销来定位。大平面三个自由度，长条形面二个自由度，菱形销一个自由度。如果用圆柱定位销定位就会产生过定位。要注意菱形销装配时的削角方向。

二、定位误差的计算

根据六点定位原理，可以设计和检查工件在夹具中的正确位置，但是否能满足加工精度的要求，其影响因素很多，例如：夹具在机床上的装夹误差、工件在夹具中的定位误差和夹紧误差、机床的调整误差、工艺系统的弹性变形和热变形误差、机床和刀具的制造误差及磨损误差等等。在这里，我们只研究与夹具设计有关的定位方法所引起的定位误差。

1、定位误差的组成

定位误差△定是由于工件在夹具上定位不准确所引起的加工误差，在采用调整法加工时，对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，如图6-15、6-16。

因此，计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。

定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：

（1）定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加尺寸方向上的最大变动量，以△不表示。

（2）定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差

称基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以△基表示。

故有△定＝△不＋△基（此公式是在加工尺寸方向上的代数和）

2、各种定位方法的定位误差计算

（1）工件以平面定位时的定位误差

工件以平面定位时，需要三个互成一定角度的平面作为定位基准，其中三个自由度的平面，起主要定位作用，称主要定位基准；两个自由度的平面，起次要定位作用，称导向定位基准；一个自由度的平面，称止动定位基准。

图20为在镗床上加工箱体的A、B两

通孔时的定位情况（因是通孔，所以不

需要止动定位基准），要保证尺寸A1、

A2、B1、B2。加工时刀具位置经调整好

不再改变，因此对加工一批工件来说，

被加工的A、B二孔表面相对夹具的位置

不变。

①加工孔A时，尺寸A1的工序基准

和定位基准均是D面，基准重合，所以

△不（A1）＝0

定位基准面D有角度制造误差土δβ，根据基准位置误差的定义有：

△基（A1）＝2(H-A2)·tanδβ

△定（A1）＝△不（A1）＋△基（A1）＝△基（A1）＝2(H-A2)·tanδβ

尺寸A2的工序基准是E面，定位基准是C面，基准不重合，根据基准不重合误差的定义有

△不（A2）＝δL2

假定定位基准C面制造得平整光滑，则同批工件的定位基准位置不变，此时就有：△基＝0

（A2）

所以△定（A2）＝△不（A2）＋△基（A2）＝△不（A2）＝δL2

②加工孔B时，尺寸月B1的工序基准是F面，定位基准是D面，基准不重合，根据定义有：△不（B1）＝δL1

△基（B1）＝2 (H-L2+B2)·tanδβ

所以△定（B1）＝△不（B1）＋△基（B1）＝δL1＋2(H-L2+B2)·tanδβ

尺寸B2的工序基准和定位基准均是C面，基准重合，此时有：

△不（B2）＝0

△基（B2）＝0

△定（B2）＝△不（B2）＋△基（B2）＝0

工件以平面定位时，在大多数情况下，不考虑定位基准面和定位元件的制造误差。

（2） 工件以外圆柱定位的定位误差

① 这里主要分析外圆面在V 形块上定位时的定位误差。如图20（a ）所示，在圆柱面上加工一平面。为便于研究，设V 形块的夹角无制造误差，外圆定位面的直径公差为d δ。

图20(a)中，对于加工尺寸A ，工序基准为O l 中心线，定位基准为M l 、N 1母线，因此基准不重合。加工一批工件时，工件从最小尺寸d-d δ变到最大尺寸d ，工序基准O 1变到O 2，定位基准从M 1变到M 2，工序基准O 1在加工尺寸方向的最大变动量，根据定义为：

也可从另一方面分析；基准位置M 1的最大变动量为

它在加工尺寸方向上为

， 所以

工序基准O 1相对定位基准M1的最大变动量为，所以：

图20 V 形块上定位时的定位误差

B 、h 尺寸的定位误差如下：

根据定位误差的定义有：

同理：

显然△定（h ）＜△定（A ）＜△定（B ），因此图20（c ）的尺寸标注方法最好

（3） 工件以内孔表面定位时的定位误差

这里主要介绍工件孔与定位心轴（或销）采用间隙配合，以孔中心线为工序基准时的定位误差计算。

当工件装夹到心轴上时，因工序基准是中心线，定位基准也是中心线，基准重合，则 △不＝0

因工件孔和心轴是间隙配合又都有制造误差，因而存在孔中心线的位置变化，即基准位置误差，得△定＝△不＋△基＝△基

假定孔尺寸为D+δD ，心轴尺寸为d －δd ，最小配合间隙为△min ，根据工件装夹时心轴放置的位置不同，定位误差分两种情况考虑：

① 心轴垂直放置时，如图21（a ）所示，按最大孔和最小轴求得孔中心线位置的变动量为

② 心轴水平放置时，如图21（b ）所示，由于自重，工件始终靠往心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是铅垂方向，其最大值为

图21 （a ） （b ）

d

D T T d D +=−min max ＝定∆D T D D 2

1)(21min max =−＝定∆

当采用一平面、两短圆柱销的定位元件时，此时平面

，因此

过定位。下面分别介绍前两种方法。

①减小第二个销子直径

第二个销子直径大小可由图23求得，即销子的大小应在AB范围内，其最大半径为

等于圆柱形定位销半径应减小的部分

整理后得

又因d2＝D2－△2min

代入上式，并忽略二次小项③菱形销直径d2＝D2－△2min；其公差δd2按h6或h7选取。

举例：计算图6-1所示夹具的两销定位的有关尺寸（黑板演算）

3、定位误差计算实例

[例题1]:在套筒零件上铣槽，如图26（a）所示，要求保持尺寸10-0.08、8-0.12，其它尺寸已在前工序完成。若采用图26（b）的定位方案，孔与销子配合按H7／g6，问能否保持加工精度要求?否则应如何改进?

按H7／g6的配合精度，则销子直径应为

12

.0095.0045.005.088=<=++T ＝）定（∆ω不能满足尺寸10-0.08的要求。

③采用图26（c ）的改进方案，以端面A 和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7／g6，则销子直径

为

图2-22-1 图2-22 015

.003.021

21

28＝）基（×==D T ∆03

.006.021

2118＝）不（×==d T ∆045

.003.0015.0888=++=＝）不（）基（）定（∆∆∆