零件定位分析与设计的学与教

摘 要 机械加工中的零件定位分析与设计问题是一个不易理解的问题。根据学生学习中存在的问题，结合定位的定义及定位实例分析，探讨如何解释定位的概念，让学生能更好地理解和掌握零件的定位，进而能够分析和设计，并实现逐步灵活运用。

关键词 机械加工；零件定位；机床

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）18-0122-03

Studying & Teaching about Analyze & Design of Workpiece Location//ZHANG Pingkuan， WANG Huilin

Abstract The problem does not an easily understand problem that the workpiece location will be analyze &designed in the machining. According to the problem existed in the student study， combine the definition of the location and the analyze of the location example， how to explain the conception of location is explored that the student could be more understand & master the location of workpiece， then the student could be analyze & design the location of workpiece， and progressively could be flexible application.

Key words machine work； spare parts localization； lathe

1 引言

零件是机械产品中的最小单元，目前大多数零件是通过机械加工的方法达到其最后要求的。零件在接受机械加工时，首先要使其在机床上获得一个正确位置，这个过程就是定位。而对零件进行机械加工是从零件表面上切下一层金属，因此在对定位好的零件进行加工时，用来切下一层金属的金属切削刀具就必然会对零件施加一个切削力，已定位好的零件在这个力的作用下会离开已经获得的正确位置，如果零件位置被改变了，就无法按原计划加工，所以必须想办法克服这个切削力，而保持零件的正确位置。因此，在零件获得了正确位置后，需要对其进行夹紧。零件一旦被夹紧，它的“位置”就不能改变了，也就“确定”了。在教学中发现一些学生认为零件只需夹紧就定了位，分不清定位和夹紧。本文对此展开讨论。

2 定位

定位就是确定零件在机床上的正确位置，其确定方法有两种：一是借用测量工具，由现场测量来确定零件的正确位置，称找正法，此法效率低，适用于单件小批生产；另一种是借助于一种叫专用夹具的装置，其上有定位元件，把零件按要求放到定位元件上，与各定位元件的定位支撑面相接触即是正确位置，此法效率高，适用于成批大量生产[1]。这里只讲后一种方法，把它理解了，第一种定位方法也就自然明白。所以，下面讨论的零件在机床上的定位问题，就转化成了零件在夹具中的定位问题。

零件的定位问题可以这样来看：按要求把零件放在夹具的定位元件上，然后拿下来，再次放上，如果每次放上的位置都是相同的，就是位置被确定；反之，就是位置没被确定。如果仅仅从这个角度来讲，任何零件，不论在其上加工什么表面，只要零件的位置被唯一确定，即在任一方向不能“移动”，也不能“转动”，定位问题就解决了，此称“完全定位”。然而，由于零件的形状千变万化，有许多零件在加工时并不需要，有时也无法使其位置完全确定，也就是说，有时零件的某些位置不确定，也能加工出合格的产品，这种定位称“不完全定位”。

3 定位分析

如图1所示的六面体零件（虚线所示）定位，为方便说明画出了坐标，同时用三点代表一个面，两点代表一条线，一点代表一个支撑。其中用一面（yox面内三点）、一线（yoz面内两点）、一支点（xoz面内一点）把六面体的位置完全确定，即只要保证六面体的相应面与对应的六个支点相接触，六面体的位置就不会有任何不同，也即只要按要求放置六面体，每次放置后六面体的位置都是相同的。零件放在o-xyz坐标系中，沿x、y、z方向既不能移动，也不能转动，零件位置被唯一确定。这时无论在零件上什么位置、加工什么表面，都可以满足要求，即所加工出来的表面与零件上的已存在表面之间相对尺寸、位置关系均能确定。

例如，在六面体上加工一不通槽，如图2所示，加工后要获得的尺寸有A、B、C及槽宽（由刀具保证，与零件定位无关），因为A、B、C尺寸的基准分别是零件的底面、左侧面、端面，它们和相应的定位支点接触，位置都是确定的，所以A、B、C的尺寸可以保证[2]。

经常动脑子的学生会产生这样的认识：如果没有xoz面上的一点，即y方向的移动位置不确定，只要在加工时测量槽的最终加工位置和端面之间的距离，也可以保证C尺寸。能这样想的学生应当受到鼓励，但要说明，这时零件在夹具中尽管没有确定y方向的移动位置，但在加工过程中需要由测量来确定，而不是不用确定，这样不但会增加加工时工人的操作，给加工带来难度，同时又降低加工效率，而用夹具定位零件就是要降低加工难度，提高效率。

对于这个问题，向极端化发展就是，零件可以不定位，只夹紧（克服切削力等作用，使零件保持不动），靠自动检测确定刀具的位置及加工方向来完成加工，也许某一天自动检测水平达到某一高度时是可能的。这样的实质不是不定位，而是通过高精度的自动检测来实现实时定位。

图3所示一圆形零件（双点划线所示），侧面上加工一小孔。因为在该小孔加工之前，零件圆周上没有任何其他形面，此时定位零件，沿轴线转动自由度不需要限制，也无法限制。所以用圆形件的底面（一圆环，相当于一个面即三个定位点），限制了X移动，Y、Z转动共三个自由度，短芯轴限制了Y、Z移动两个自由度，X转动自由度没被限制，可以保证小孔加工后的位置，故X转动自由度可以不限制。

由图1可知，一个零件有六个自由度，分别是沿X、Y、Z方向的移动和转动自由度，可以用六个定位点使其完全定位，即一个点限制一个自由度。用的定位点少了肯定是不行的自不用讲，用的点数多了会怎样呢？假设在XOZ面内再加一点，那么两点都要与零件端面接触就需要有一定的条件，即这两点连线一定要和零件端面平行，否则只能有一点接触，而究竟是哪一点接触，需视零件具体情况，不能事先确定。这就是定位的不确定性，实践中尽量不用，此情况称过定位，即定位支撑的点数超过了需限制的自由度数。

图1所示的六个定位点限制零件的六个自由度的定位称完全定位。图3所示的五个定位点限制五个自由度，即限制的自由度数少于六，一个点限制一个自由度，能满足加工要求的定位称不完全定位。

4 定位设计

根据零件的加工要求，选择合理的定位表面，限制相应的自由度，以满足零件的加工要求。所以要首先分析加工要求及零件其他表面目前的情况，明确哪些表面可以用来做定位面，根据加工要求，哪些自由度需要被限制。

图4所示零件，需加工两小孔。由图可知，零件外形是一圆柱，外圆上有已经加工好的一个键槽，本工序要加工的两个小通孔2-?B，加工后要求孔的位置与轴线A对称，与B面垂直。

下面根据加工要求，分析应该限制哪些自由度？

1）因为被加工孔是通孔，所以沿孔轴线方向自由度可以不限制，即X移动自由度可以不限制。

2）因为两孔位置要求与零件中心对称，所以零件中心位置应确定，即Y、Z移动自由度应被限制。

3）因为两孔中心线要求与B面垂直，所以B面应确定，即用B面做定位基准，则Y、Z两个转动自由度及X移动自由度即被限制。

4）因为零件外形上有已经加工好的键槽，所以零件不允许沿其轴线转动，即X转动自由度应被限制。

综合上面分析，要满足零件加工要求，应在B面上布置三个定位点，外圆面布置两个定位点定心，键槽中布置一个定位点，实现六点限制六个自由度的完全定位。

此时，如果把与B面的垂直度要求取消，就可以用零件外圆面作为定位基准面，限制零件Y、Z的两个移动加两个转动四个自由度，加上键槽限制一个转动自由度，实现五个定位点限制五个自由度的不完全定位[3]。

由此可知，采用的定位方式及选用的定位表面，与加工要求密切相关，加之零件形状各异，加工要求各不同，合理的定位方案确定，需要多加练习，方可灵活掌握。

值得注意的一点是：此处主要讲的是零件定位中的定与不定问题，是考虑零件定位方案首要解决的事情，其次是定位的准确性问题，这里没有谈及。

5 夹紧

任何零件无论是否定位，只要被夹紧，其均不能动，位置被确定；但只要松开，把零件拿走，再次放下并夹紧，虽然它仍然不能动，其位置也被确定，但它已经不可能和第一次处于完全相同的位置，即不能保证一批零件加工所需要的“正确位置”，故夹紧是力作用的结果，与定位完全不同。

6 小结

通过前面的分析，了解到零件定位是使零件在夹具中占有一个确定的位置，该位置有一个特点，就是可以多次将一个零件放置到同一个位置上，这个过程不考虑任何力的作用，只要求零件的某个表面与定位元件的定位表面接触即可。另外，如果零件某个方向的位置即自由度不确定，不影响零件的加工。也就是说，这个零件在本工序加工后的表面尺寸、形状、位置都一样，则零件的某个方向位置可以不被确定。定位与力无关，夹紧是力作用的结果。零件夹紧后不能动，但不等于占有了正确位置。

参考文献

[1]王先逵，张平宽.机械制造工程学基础[M].北京：国防工业出版社，2008（8）：242-243.

[2]赵雪松，任小中，赵晓芬.机械制造技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2010：109-110.

[3]王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：15-20.