如何避免夾具定位誤差？一篇文章告訴你

槽的對稱度如何測量

本文對加工半圓零件用夾具定位誤差進行了詳細分析，找出了使用中出現加工誤差超差的原因，並對半圓零件加工工藝進行了總結。

01

問題的提出

在批次加工圖1所示的零件時，加工工序包括固溶處理、車迴轉體外形、沿透過迴轉體軸線平面（以下簡稱中開面）線切割成兩半、銑加工定位臺肩、磨加工定位臺肩和鑽鉸兩定位孔，以中開面及兩孔定位車加工半圓孔及端面B，再以中開面及兩孔定位數控銑加工槽等。加工中用夾具（見圖2、 圖3）以一面兩孔定位，拼合兩件半圓，成對加工半圓孔，再次以一面兩孔定位加工各槽。本文對夾具定位誤差進行全面分析，解決使用中出現的半圓深度超差及對稱度超差等問題。

02

夾具垂直定位平面方向定位誤差分析

圖 1 所示零件具有中開面 P ，半圓孔 φ （15。7±0。1）mm，深度要求為（7。85±0。051）mm，該零件如果先按整圓加工內孔後加工中開面去掉半圓，一件整圓只能加工一件產品，因為線切割或銑加工都無法經濟地保證兩半圓深度要求（7。85±0。051）mm；如果先加工中開面，以中開面P定位加工內孔，只能單件加工，並且半圓直徑不方便測量，加工效率不高；為此，採取兩件半圓拼合整圓加工內孔的方法，以距中開面距離為（7。5±0。01）mm的兩等高臺肩面及2－φ5。56+0。012+0 mm孔定位，裝入圖2所示夾具車加工內孔，加工前找正夾具外圓及軸向圓跳動0。01mm，夾具定位面到夾具迴轉軸線距離為7。5mm，誤差±0。005mm，這樣就造成了定位基準與設計基準不重合（見圖4），基準不重合定位誤差為找正誤差與距離誤差之和即0。02mm，也可以寫成±0。01mm。

從圖4可以看出，尺寸H、I、J和K組成一個尺寸鏈，H為封閉環，I是增環，K是增環，J是減環，則Hmax＝Imax＋Kmax－Jmin、Hmin＝Imin＋Kmin－Jmax，代入數值後得：0。051＝0。01＋Δ R－（－0。01），解得Δ R＝0。031mm，也就是說，半圓加工到R（7。85±0。031）m m或φ （15。7±0。062）m m，即可保證半圓深度（7。85±0。051）mm公差。加工中幾次出現半圓深度超差問題，起初懷疑是應力釋放造成圓弧半徑增大、半圓深度減小造成的，但經資料統計分析，存在半圓深度深與淺的數量各佔一半的現象，並進一步用線切割代替車孔加工，發現沒有變形，由此推斷半圓深度超差是中開面偏離半圓中心位置造成的。仔細檢查加工的零件，發現定位孔口有毛刺突出，因工件材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼，塑性大、韌性好，加工後孔口容易產生明顯毛刺，如果不去除毛刺就裝在夾具上加工，影響定位精度，使圖4中尺寸I加大，導致圖4中尺寸H加大，也就是半圓深度加大，而與之配對一起加工的另一零件半圓深度變淺。可見，毛刺雖小，但卻不可忽視。外觀毛刺，容易割傷操作者，脫落後容易造成多餘物；定位面毛刺，影響定位，輕則導致零件返修，重則導致零件報廢。

03

夾具定位平面方向定位誤差分析

由於零件上定位孔與夾具上定位銷存在配合間隙，導致零件在定位平面記憶體在平移、旋轉等定位誤差。為了提高定位精度，按圖5所示提高了定位孔孔距和孔徑加工精度。

因零件採用了一面兩孔2－φ5。56+0。012+0 mm定位（見圖5），故夾具採用一面兩銷定位，設定1個圓柱銷直徑為φ5。56－0。004 －0。012mm，為補償兩定位孔（銷）中心距誤差，菱形銷與孔最小間隙為 δ ＝ s×b÷D，如圖6所示。其中s為菱形銷削邊後補償定位孔（銷）中心距離＝（0。012×2＋0。006×2－0。004）m m，b為菱形銷削邊後起作用的寬度＝1mm，D為與菱形銷相配合的定位孔最小直徑＝5。56mm，帶入數值後δ＝（0。012×2＋0。006×2－0。004）×1÷5。56＝0。006mm，設定菱形銷直徑為φ5。56－0。006 －0。014mm。

兩個定位銷中圓柱銷設定為主銷（以下簡稱“主銷”），與主銷配合的定位孔設定為主孔（以下簡稱“主孔”），菱形銷設定為次銷（以下簡稱“次銷”），與次銷配合的孔設定為次孔（以下簡稱“次孔”），因次銷在兩銷連線方向與次孔間隙增大，在兩銷連線方向平移定位誤差完全由主銷與主孔間隙控制。在兩次採用同一組合基準裝夾定位中，必須遵守主（次）銷與主（次）孔配對不變，定位面不變的三不變原則，這樣，兩次定位才是採用了“同一”基準。如果在兩次定位時主孔與主銷配合關係發生了變更（例如第2次定位時，改變為次孔與主銷配合），或者配對兩件易位導致定位面改變，那麼就會產生“基準不重合定位誤差”。上例中因兩定位孔直徑相等，安裝時主次孔容易易位；同時配對兩件也容易易位，導致定位面改變。從圖7可以看出，如果半圓與槽加工時採用同一一面兩銷定位可能產生平移和旋轉誤差，以下分三種情況計算誤差。

第一，最不利的平移誤差之一是加工半圓時主孔由孔銷同心位置向左平移Δ 1，加工槽時主孔由孔銷同心位置向右平移Δ 2，Δ 1等於主孔與主銷最大間隙的一半，即Δ 1＝Δ 2＝［0。012－（－0。012）］÷ 2＝0。012mm，孔中心線距槽中心線距離為Δ Y＝Δ1Y＋ Δ2Y＝0。024mm。

第二，最不利的旋轉誤差之一是加工半圓時兩孔由孔銷同心位置順時針旋轉Δ 1，加工槽時兩孔由孔銷同心位置逆時針旋轉Δ 2，按圖７所示，Δ 1＝Δ 2＝{［0。012－（－0。012）］＋［0。012－（－0。014）］}÷2×12。7÷30。48＝0。01mm，孔中心線距槽中心線距離為ΔZ＝Δ1＋Δ2＝0。02mm。

第三，因平移和旋轉可能同時發生（詳見圖8），當孔銷中心距離接近相等，且滿足孔距為“弦”，銷距為“股”，旋轉偏移為“勾”的條件時，定位誤差為平移誤差與旋轉誤差之和Δ H，圖8中的Δ 2＝［0。012－（－0。014）］÷2×12。7÷30。48＝0。005mm，即Δ H＝Δ Y＋2Δ 2＝0。024＋2×0。005＝0。034mm。

因對稱度公差帶是對稱於基準軸線分佈的區域，所以定位誤差為±0。034mm，車床定心加工經濟精度為±0。01mm，數控銑床加工定心精度為±0。015mm，兩套夾具主銷與迴轉中心距離製造誤差為±0。005mm，兩次加工總誤差為±Δ，±Δ＝±（0。01＋0。015＋0。005＋Δ H）＝ ±（0。01＋0。015＋0。005＋0。034）＝±0。064mm。

本例加工的零件槽對半圓對稱度要求為0。076mm，因對稱度公差帶對稱於半圓中心線，所以，對稱度公差可寫為±0。038mm，因兩次加工總誤差為±Δ＝±0。064mm＞對稱度公差±0。038mm，可見，要想保證槽對稱度必須再次縮減兩孔及孔距加工公差，這兩項公差再縮小，加工成本將大大增加，為此，採用了控制定位誤差的辦法，使兩次定位誤差近似相等，使兩次裝夾效果與一次裝夾效果近似相等。具體做法是在夾具上設定頂絲（見圖2、圖3），每次定位時用頂絲先消除沿中心距平移方向移動間隙，再消除旋轉方向間隙，並且兩次裝夾時平移與旋轉方向一致。

這樣，雖然兩次定位誤差依然存在，但槽與半圓中心線卻近似在同一位置，槽對半圓的中心線距離誤差取決於兩套夾具的製造誤差（見圖5），因孔銷間隙已被頂絲消除，只有定位銷直徑製造誤差與夾具迴轉軸線到主銷距離製造誤差引起二次裝夾定位誤差，假如一套夾具兩銷直徑按最大實體尺寸製造，另一套按最小實體尺寸製造，一套夾具迴轉軸線距主銷距離為最大，另一套距離為最小，將主銷直徑公差代入公式Δ Y＝Δ 1＋Δ 2中，得Δ Y＝［0－（－0。008）］÷2＝0。004mm。將次銷直徑公差代入公式Δ2 ＝ ［0－（－0。008）］÷2×12。7÷30。48中，得Δ2＝0。001 7mm。將Δ Y、Δ2的數值代入公式Δ H＝Δ Y＋ 2Δ2中，得Δ H＝0。004＋2×0。001 7＝0。007 4mm，則±Δ＝±（0。01＋0。015＋0。005＋Δ H）＝±（0。01＋0。015＋0。005＋0。007 4）＝ ±0。037 4mm＜0。038mm。

可見，採取限制定位誤差加工方法，能夠保證槽對半圓的對稱度要求。現在來核算兩定位孔在此加工方案中的位置誤差（見圖9），Δ 1＝［0。012－ （－0。012）］÷2＝0。012mm，Δ 2 ＝ ［0。012－（－0。014）］÷2×12。7÷30。48＝0。005 4mm，次孔的位置誤差Δ＝（Δ12＋Δ22 ）0。5＝（0。0122＋ 0。005 42 ）0。5＝0。013mm＜0。18mm，滿足圖樣要求的兩孔位置度0。18mm的要求。

加工中曾經出現過槽對半圓對稱度超差問題，究其原因，第一，加工中主次孔易位，產生基準不重合誤差，基準不重合誤差數值等於兩孔中心距公差±0。012mm，使定位誤差進一步加大；第二，加工中定位件與配對加工件易位或換配，為此採用在零件上標記順序號（位置見圖5）部位增加標記的方法，防止安裝錯誤，例如第一對件中定位件用1D標記，配對件用1P標記，第二對定位件用2D標記，配對件用2P標記，依次類推，這樣在安裝時，就避免了易位與換配；第三，防止兩次使用組合基準時，產生相向移動和相向旋轉定位誤差，為此使用兩個頂絲預先消除間隙，並保證平移與旋轉方向一致。實踐驗證，兩項措施實施後，對稱度超差問題徹底解決。

04

結語

透過以上分析得知，加工中決不能忽視細節問題。第一，不要小看毛刺，尤其是定位孔口毛刺，它嚴重影響定位精度。第二，正確理解一面兩銷定位誤差，正確使用組合基準，不能認為兩次使用了同一組合基準就認為不存在基準不重合誤差。上述討論的零件如果採用統一組合基準，一次裝夾加工基準半圓和被測槽的話，槽對半圓的對稱度是靠加工機床的精度保證的，尺寸公差與幾何公差可以同時保證。當基準半圓和被測槽是兩次裝夾分兩道工序加工時，必須遵守主次孔與主次銷及定位面在兩次定位中三不變原則。本例圖樣中基準孔與被測槽都透過第三工藝基準分別定位加工，為了防止兩次採用統一工藝基準時定位誤差累積，可以採用在零件上做標記，用頂絲消除定位間隙控制定位誤差的方法，使兩次定位位置基本重合，提高定位精度。

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