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加工中心上定位基準的確定
閱讀：3054 發布時間：2021-11-10
基準按其作用不同，分為設計基準和工藝基準兩大類。按用途不同，工藝基準又分為定位基準、測量基準和裝配基準。定位基準指加工時使工件在機床或夾具中占據一正確位置所用的基準，若無特別說明，文中的定位基準均指輪廓要素。定位基準又可分為粗加工基準和精加工基準.加工中心具有工序集中等優勢，客觀上要求所選定位基準應盡量滿足 “一次裝夾，全部 ( 或大部分)加工”，所以加工前很有必要去認真篩選定位基準，以發揮加工中心的優勢，減少裝夾次數，提高產品質量，降低生產成本。
下面結合一些典型零件，初步分析在加工中心上如何確定其定位基準。
1、典型件定位基準的確定
1. 1 長方體件
如圖 1 所示的某模具型芯，有 3 個面需要加工( 底面、左側面和上表面) ，其下料尺寸為 281 mm ×261 mm × 331 mm ( 鋸切下料，單邊各留約 0. 5 mm 余量，各表面粗糙度基本一致) 。該形狀適合用三平面定位方式，那么，選哪些面作定位基準? 哪個面作主基準呢?
首先分析一下加工工藝，可以分為三大步:
(1) 熱處理前的粗加工及局部精加工，在三軸立式加工中心上需裝夾 3 次 ( 選四軸臥式加工中心的話，可一次裝夾完成全部加工; 只是底面在深孔加工時冷卻效果不及在立式加工中心上的好) ;
(2) 熱處理;
(3) 精加工包括左側面和上表面在內的 6 個面，其中大平面的精加工可以安排在磨床上，局部狹窄凹槽等難銑削區域宜電火花加工，其余仍在加工中心上進行精加工。
圖 1 模具型芯
選擇粗基準時，重點考慮如何保證各個加工面都能分配到合理的加工余量，保證加工面與不加工面的位置尺寸和位置精度，同時還要為后續工序提供可靠精基準。
選擇平面作基準一般應考慮:
(1) 自身定位能力強弱，主要包括: 面域大小、平整程度、粗糙度、裝夾難度、穩定程度 ( 不易變形、持久性) 等; 面積越大、粗糙度越低、裝夾越方便的平面優先考慮。
(2) 相關定位能力強弱，主要是指對尺寸公差關系的影響程度和對基準原則的體現程度。盡量使定位基準與設計基準、測量基準和編程原點統一起來。在綜合考慮上述因素的基礎上，確定 3 個基準面的主次關系時，還應盡量避免主要定位基準與待加工面同方位，將其安排在待加工面的對面能有效抵抗切削力，也有利于精簡夾具結構。選擇第二定位基準應考慮其導向作用，與主定位基準的垂直度、粗糙度，以及同待加工面的位置關系。
加工上述模具型芯的 3 步中，每一步都存在著確定基準的問題，而且這么多工序，勢必要統一基準。由于主要形狀都在上表面，故與其對應的底面宜作主基準。另外，構成點 F 的兩個側面的面域較大，支撐效果好; 但再看設計尺寸的標注情況，在構成點 O的 3 個面上尺寸標注多，可視點 O 為設計基準，同時其面域用來支撐也是可以的，故從基準重合的角度，選構成點 O 的 3 個面作熱處理前的定位基準。通常一套模具設計圖上只有一個中心，各零部件的尺寸由此鋪開。加工某具體零部件的時候，在該件具體的點、線、面上確立基準，依據尺寸關系，建立坐標系。如果 3 個面相互不很垂直 ( 一般情況下，毛坯都達不到這個要求) ，則可以在加工底面 ( 通常先加工底面) 的時候，以底面為主基準，在另外兩個側面上，根據需要，分別銑出一定長度的基準帶供后續加工用，保證基準統一，如圖 2 所示。
圖 2 型芯毛坯定位基準
上述定位基準用在熱處理之前的加工過程中。熱處理之后，必須檢測該基準自身的變形程度，以及形狀面相對于基準的變形; 有時候會出現由于變形大而不能再作為基準使用的情況。因此，在熱處理之前，應考慮并預留更可靠的精加工定位基準。選擇精基準時，重點考慮的是如何減少工件的定位誤差，保證零件的加工精度，同時也要考慮零件裝卸方便，夾具結構簡單。
一般應遵循以下原則: 基準重合、基準統一、自為基準、互為基準及裝夾方便等。此例中，8 mm 孔經過鉸刀精加工，表面質量好，因熱處理而引起的變形也較小，可以作為精加工基準用。這就是隨后要說到的一種比較典型的方法 ——利用孔或軸的輪廓 ( 中心線) 作定位基準。以上說的是以模具型芯為代表的單件生產。長方體件在批量生產的時候，通常要利用夾具把 3 個基準面的位置固定下來，以提高效率。這樣的例子很常見，文中不再贅述。
但如圖 3 所示的長方體工件的基準確定，稍微有些特殊。該件形狀并不復雜，突出特點是尺寸公差要求很小 ( ± 0. 01 mm) 。屬來料加工，其下料尺寸為 76 mm × 45 mm × 51 mm，為了減少裝夾次數，生產中將長度方向的定位塊采用了活動量塊，裝夾 ( 如圖 4 所示) 時定位，裝夾好后移走，這樣在一次裝夾下加工完兩端面和頂面，實現了工序集中，減少了裝夾次數，充分發揮了加工中心的優勢，也保證了 ( 75 ± 0. 01) mm 等尺寸要求。由于加工過程中長度方向上不存在定位，所以屬于不*定位; 不過實際加工效果還好，幾乎很少有攢動。關于該件的加工，隨后將專門介紹。
圖 3 滑塊
圖 4 滑塊裝夾示意圖
1. 2 回轉體件
回轉體件的定位基準通常選擇其內 ( 外) 表面。基本方法是: 利用百分表的針頭 ( 或光電感應器的觸頭等) ，沿十字形測出 4 個點的中心即為中心線位置，詳見圖 5。具體測量時，應先在孔的正上方 2 —— 3mm 處旋轉表針，使針頭大致在被測孔徑外側 ( 軸的話，應偏向內側) ，然后輕壓表針使之進入孔內，首先找出某一方向上對稱兩點 (如點A和C 或與 AC 線平行的某一位置上的兩點) 的對稱中心，在此中心線 ( CD 線) 上再找點 C 與 D 的等分點O ( 期間需要調整針頭位置) ，找出之后再旋轉一周，查看表針跳動情況，以檢查剛才確定的AC 線是否經過點O，從而最終找出圓心O 的機床坐標 ( 旋轉一周，表針靜止不動或輕微震顫) 。
在確定過程中應注意，表針靜止不動有 3 種可能:
(1) 未接觸內表面;
(2) 與內表面之間的壓力太大而不能跳動;
(3) 主軸在圓心位置。
由于最終記錄的是圓心位置，視軸線為定位基準也未嘗不可。關文獻研究證明二者無實質差別。
圖 5 回轉體件基準孔找正
Z方向的基準可優先考慮上表面。至于哪一個為主基準，應結合加工余量和表面粗糙度確定。通常，以回轉體為主要特征的零件，內 ( 外) 表面的定位作用更重要一些，因為它往往會是設計基準，尺寸公差關系多，限制工件自由度數目多。
由于杠桿百分表與工件接觸的頂端直徑為 3 mm，所以只要孔徑大于 6 mm，就可以使用; 小于 6 mm時，可以考慮插入心軸，測外徑。在通過 CAPP 系統選擇定位基準的時候，為了確保正確決策和加工精度，這些影響因素也應被考慮。同理，用鍵槽作定位基準的時候，由于量塊可以塞進去，所以理論上，寬度 1 mm 以上的鍵槽都是可能的定位基準，在利用CAPP 系統選擇定位基準的時候，亦不應被忽略。
1. 3 異形件
若工件上缺少可作為定位基準的恰當表面，就有必要人為地制造一些基準面，使其在加工中起定位作用，這類基準稱為輔助基準。
圖 6 為某產品示意圖，批量生產，除了 “成型面”部分之外，其余 5 個面均為配合面，都需要精加工，精度要求高，同時成型面上無法裝夾。那么該怎樣裝夾、定位好呢?
仔細觀察產品圖可以發現，由 Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3所形成的圓弧面以及構成尺寸 70 mm 的上下面都是潛在的定位基準選項。經過分析，最終確定了 Ｒ1、Ｒ3和上平面分別為不同工序的定位基準，但還不能保證各工序的準確定位和裝夾.
在不妨礙使用的前提下，在原產品圖上增加工藝孔: 在頂面增加 M8 螺紋，在背面增加 3 × M8 ( 口部10H7 深 8 mm 作定位用) ，故修改產品圖如圖 7 所示。在此基礎上，進而設計出如圖 8 所示的鑄造毛坯圖，在鑄件上又增加輔助定位基準面 A、B 和 C ( 這3 個基準屬于增材，使用后都去掉) 。
圖6 某異形件產品圖
圖7 帶工件藝孔的異形件產品圖
圖8 異形件毛坯圖
如前所述，這些基準分別在不同工序中使用，基準統一原則該如何保證呢? 解決辦法是: 利用加工中心加工精度高且工序集中的優勢，盡量在一次裝夾中把所有可以加工的定位基準都加工出來; 確實暫不能加工的，則為其加工輔助定位基準。從實際加工結果看，這些定位基準有效地保證了產品質量。
這些輔助基準在加工后失去作用，屬于增材的話，事后通常會被去掉; 減材類 ( 如工藝孔) 一般不影響產品使用，則保留。
從上例可以看出: 對于批量生產的異形件，在確定基準時，應緊密結合加工工藝，充分利用現有形狀上的平面和圓弧面等; 必要時再通過增材或減材的辦法，增加輔助定位基準，從而保證產品質量。
2 、結束語
加工中心具有工序集中、生產效率高和加工質量好等優點，在加工中心上確定工件定位基準的時候，應考慮如何充分發揮加工中心的優勢，實現產品加工的高品質和高效率。文中對長方體件、回轉體件和異形件定位基準選擇的分析，雖然具體方法不同，但指導思想是一致的: 緊扣產品的加工特征，注重充分發揮加工中心的優勢，尋求高效優質的加工過程。
不過，文中只是對加工中心上定位基準的確定方法做了一個初步總結，還不夠全面，還有很多情況需要今后進一步總結、提煉。