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2.4 定位基准的选择

用精加工过的表面作定位基准,称为精基准。精基准的选择主要遵循设计图样的质量要求,其直接影响工艺路线的规划,特别是在工艺过程中的精加工阶段,是工艺规程设计考虑的重点问题。

2.4.1 精基准的选择

选择精基准时,应考虑如何保证加工质量,且装夹方便,一般应遵循以下原则:

1)基准重合原则

选择零件上的设计基准作为定位基准,称为基准重合原则,这样可以避免因基准不重合而引起的误差。

如图2.1所示的车床床头箱,尺寸 H 1 =(205±0.1)mm为设计图样中要求的主轴孔距底面 M 的距离,底面 M 是该尺寸的设计基准。

在单件小批量生产中,当镗削主轴孔时,以底面 M 作定位基准,调整好镗刀杆中心距底面 M 的距离满足 H 1 =(205±0.1)mm, H 1 是工序尺寸, M 面是定位基准也是工序基准,还是设计基准,满足基准重合原则。工序中只要能保证工序尺寸 H 1 =(205±0.1)mm,就能满足设计图样的精度要求。

在大批大量生产中,考虑到 M 定位面小、定位不稳定等原因,常以顶面 N 为定位基准。此时,需要调整好镗刀杆中心距 N 面的尺寸 H ,工序尺寸为 H 。由于主轴孔设计基准为 M ,定位基准为 N ,基准不重合,设计尺寸 H 1 是通过控制工序尺寸 H M N 面的间距尺寸 H 2 间接控制的。设计尺寸 H 1 的误差等于尺寸 H 误差和尺寸 H 2 误差的累加之和。因为尺寸 H 2 有一定误差,所以工序尺寸 H 误差肯定比设计尺寸 H 1 误差小,即精度提高,加工难易程度增加,对加工不利。其中 H 2 尺寸是设计基准 M 和定位基准 N 的距离,其误差就是基准不重合误差。造成工序尺寸 H 精度提高的根本原因是基准不重合引起的。所以在实际生产中,为保证设计图样中的精度,尽量使定位基准和设计基准即工序尺寸和设计尺寸保持一致,直接控制工序尺寸就能满足设计要求。但在实际生产中,由于零件的定位面、定位元件等因素的限制,有时无法实现基准重合,只能通过其他尺寸间接来满足设计精度要求。

图2.1 车床床头箱主轴孔尺寸

图2.2 床身导轨面自为基准实例

2)基准统一原则

在工件加工过程中,应尽可能地采用统一的定位基准,这一原则被称为基准统一原则。零件图样上往往有多个尺寸,因此可能有多个设计基准。若按基准重合原则选择定位基准,则可能会导致需要多个定位基准,即要有多个定位元件来实现定位。这会使夹具的种类增多,设计和制造夹具的周期变长,特别是对于自动化生产方式来说,由于定位基面的转换,会使定位复杂,不利于自动装夹。加工过程中多个定位基准面变换,不同定位面定位必然存在定位误差。为解决这些矛盾,在加工工序过程中,大多数工序采用统一的定位基准,可以简化夹具,又能避免定位面变换带来的定位误差。如箱体类零件的加工,大多数的侧平面及孔系加工,都是以结合面及两个孔(一面两孔)统一作为定位基准。又如轴类零件,大多数的阶梯外圆精加工统一以两端的中心孔作为定位基准。轴类零件设计图样上标注了一个外圆相对于另一外圆为设计基准有同轴度要求。若按基准重合原则,就要以另一个外圆为定位基准,并设计相应的定位元件实现定位,可能会使夹具方案很复杂。在生产实践中,两个外圆的精加工常是统一以两端中心孔定位,通过两个外圆分别对中心孔基准的误差间接保证了两个外圆之间的同轴度误差。中心孔的定位通过机床固有的前后顶尖实现,大大简化了夹具结构方案。

在生产实践中,基准统一原则往往会和基准重合原则相互矛盾,这时就需灵活选择。综合考虑精度要求、夹具的复杂程度、加工可行性等多方面因素,可选择满足其中一个原则而忽略另一个原则。

3)互为基准原则

当零件两个表面之间相对位置精度要求较高时,先以第一个表面定位加工第二个表面,再以第二个表面定位加工第一个表面,再继续以第一个表面定位加工第二个表面……如此反复,互为基准,多次加工,这就是互为基准原则。反复次数越多,相互位置精度越高。例如,加工精密齿轮时,一般齿面轮廓相对于中心孔的同轴度要求较高,用高频淬火把齿面淬硬后需进行磨齿。因为齿面淬硬层较薄,所以要求磨削余量小而均匀。这时可先以齿面的分度圆为基准磨内孔,再以孔为基准磨齿面。这样既保证了齿面加工余量均匀,又能使齿面与孔之间有较高的位置精度。

4)自为基准原则

对某些要求加工余量小而均匀的精加工工序,可选择加工表面本身作为定位基准,称为自为基准原则。用自为基准原则时,不能提高加工面的位置精度,只能提高加工面本身的尺寸、形状精度及表面质量等。如图2.2所示,磨削床身导轨面时,先用百分表(或观察磨削火花)找正工件的导轨面,然后再加工,保证导轨表面被磨削的余量均匀。另外,浮动镗刀镗孔、浮动铰刀铰孔和拉刀拉孔等加工方法都是以自为基准为原则的实例。

5)保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便的原则

所选精基准应能保证工件定位准确、稳定,夹紧可靠并使夹具结构简单,操作方便。因此,精基准面应是精度较高、表面粗糙度较小、支承面积较大的表面。

上述的5个原则,除最后一个原则是必须遵守、不能违背外,其余4个原则都有相应的应用条件。在实际生产中,往往不能同时满足甚至相互矛盾,这就需要根据实际情况具体问题具体分析,选择合适的原则而忽略其他原则要求。

2.4.2 粗基准的选择

在零件加工过程中,起始若干工序中只能选择未经加工的毛坯表面或加工后仍显粗糙的面作为定位基准,这种基准称为粗基准。粗基准的选择主要体现在粗加工阶段工序中,对粗加工工序影响较大,工艺路线规划时必须重点考虑。粗基准的选择原则包括以下4个原则。

①为了保证加工面与非加工面之间的位置关系,应选择非加工面为粗基准。如图2.3所示的毛坯,铸造时孔 B 和外圆 A 有偏心。加工时,有如下两种方案。

图2.3 套筒毛坯图

方案1:在普通车床上用三爪自定心卡盘定位夹紧外圆 A ,即以 A 面作为粗加工基准,车刀镗削内孔。虽然在加工过程中圆周的切削余量不均匀,但加工后的内孔和外圆的同轴度较好,壁厚均匀。

方案2:用四爪卡盘夹持外圆,用百分表找正毛坯内孔,即以毛坯 B 孔作为粗基准。用车刀镗削内孔时圆周方向的切削余量是均匀的,但加工后依然保持内孔和外圆的偏心误差、壁厚不均匀。

相比而言,方案1更为优越。当工件上有多个非加工面和加工面之间有位置要求时,应以其中位置精度要求较高的非加工面为粗基准。

②为了保证重要加工面的加工余量均匀,应先选择重要加工面作为粗基准。如图2.4所示车床床身零件,导轨面相比底面更重要,铸造质量高,金属组织致密,因此导轨面的切削加工余量要均匀。毛坯件的导轨面和底面的平行度误差一般较大。粗加工时,应先以导轨面为粗基准加工底面,这样加工后的底面与导轨面的平行度就会很好,再以加工后底面为基准加工导轨面,导轨面的加工余量就会比较均匀,如图2.4所示,先按(a)工序再按(b)工序就比较合理。反之,如果先以底面为粗基准加工导轨面,导轨面的加工余量就不均匀。

图2.4 床身零件粗基准选择

当工件上有多个重要加工面都要保证余量均匀时,则应选择余量最小的面为粗基准。如图2.5所示的阶梯轴毛坯件, ϕ 55 mm外圆比 ϕ 108 mm的余量更小,故应选择 ϕ 55 mm外圆为粗基准面。如果选择 ϕ 108 mm外圆为粗基准加工 ϕ 50 mm外圆,因为两外圆有3 mm的偏心,则有可能因余量不足使 ϕ 50mm外圆无法加工而报废。

③粗基准应避免重复使用。在同一尺寸方向上,通常只允许使用一次。

粗基准是毛坯面,其精度和表面粗糙度都很差,如重复使用会造成工件与刀具的相对位置在两个工序中不一致的现象,从而影响加工精度。

④选作粗基准的表面应尽可能平整和光洁,不能有飞边、浇口、冒口或其他缺陷,以便定位准确,夹紧可靠。

如某厂设计的加工铝活塞的夹具,原计划以内壁为粗基准,通过自动定心装置保证工件的壁厚均匀。如图2.6所示,由于未考虑毛坯上的飞刺,卡爪经常压在飞刺上,导致工件不能正确定位,因此这个夹具不能使用。

图2.5 阶梯轴

图2.6 铝活塞的夹具

上述粗基准的选择原则在运用时可能会相互矛盾,应根据实际需求,厘清需要解决的主要问题,从而选择对应的原则。在符合主要原则的同时,应尽可能兼顾其他原则。 axbZv50HMAr9B+wltDggtOJuSeJdHOzNvhJIioY/cLnqvYTuru3RhfF0B86tv2yY

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