基于UG的一面三销过定位结构应用

 这是金属加工（mw1950pub）发布的第18186篇文章

编者按

轮架类零件通常具有较高的尺寸、几何公差等技术要求。传统一面两销定位系统采用间隙配合，导致定位误差大，零件的加工精度不稳定。过定位具有双面性，一方面违反六点定位原则，影响装夹和定位；另一方面，处理得当可以提高零件的刚性和加工精度。正确分析和处理过定位，在提高定位精度的同时，不影响工件的装卸，这是过定位夹具合理设计的关键。借助UG NX软件的装配和运动仿真功能，可以直观地展现配合间隙对不同位置的圆孔定位误差的影响。定位误差改善后的双胀式一面两销结构，定位精度有所提高，但仍然有其局限性。对多孔系的轮架类工件而言，选用合理的一面三销过定位方法，比一面两销定位方法具有更高、更稳定的定位精度。

1  序言

过定位是指工件的某个自由度被限制了两次或两次以上，过定位现象容易导致刚性工件无法正确安装，应该尽量避免[1]。一面两销装夹定位过程中采用的定位销大致分为刚性销和挠性销两类。无论是刚性销还是挠性销，都有其局限性。刚性一面两销结构的间隙式配合导致加工精度受到限制，挠性一面两销制作麻烦、成本较高，而且一面两销适用范围有限，不能满足轮架之类的多孔系零件的加工。如何保证多孔系零件在立式加工中心上的定位精度，是一个值得研究的问题。

2  一面两销的局限性

2.1 间隙式一面两销

传统的间隙式一面两销结构使用刚性定位销，为避免过定位，使用一个圆柱销、一个削边销。其定位原理是圆柱销定位、菱形销定向。圆柱定位销限制工件X和Y两个方向的移动自由度，起主要的定位作用；菱形定位销（削边的目的是为了增加销孔间隙，补偿工件的孔间距误差、夹具的销间距误差，安装时应保证在垂直两孔中心连线方向上为非削边圆柱）仅限制工件绕Z轴旋转的自由度，通常起角度定位的作用。工序尺寸在水平方向的基准位移误差通常由圆柱销孔定位副决定，主要是工件上的主定位圆孔相对于圆柱定位销的随机游走、浮动，在垂直方向的基准位移误差与两孔中心连线和X轴夹角有关，由夹具定位销与工件定位孔之间的间隙而引起的工件的转角误差决定。

传统的间隙式一面两销结构，虽然避免了过定位，但是加大了削边销定位孔处的定位误差。如图1所示，当最大极限尺寸的基准孔遇到最小极限尺寸的定位销，销孔接触线分别位于两孔连线两侧，两孔连线与两销连线发生极限角度偏转时，将出现最为不利的定位条件，极易造成该孔位置度超差[2]。

图1　一面两销的转角误差

要减小随机浮动造成的基准位移误差和转角误差，必须消除销孔的配合间隙，即减小定位孔、销的尺寸偏差。但工件、工装精度提高的程度受机床加工精度的限制。孔距公差、孔径公差越小，加工越困难，成本越高，而且配合间隙过小，会给工件的装卸带来极大的困扰。从图1可以看出，在孔销间隙一定的条件下，两孔间距L越长，转角误差∆φ 越小，由转角引起的定位误差相对缩小。

2.2 可胀式一面两销

实际生产中，为了能既提高定位精度，又方便地装卸工件，多应用可胀式一面两销结构。可胀式一面两销结构先利用销孔间隙灵活装夹，再利用销的外胀机构，使定位销膨胀以消除销孔配合间隙，减小转角误差。与此同时，由于定位孔间距与定位销间距的差异，工件会因定位孔被胀紧而产生轻微移动，间距差异被有效地均化，从而提高了被加工孔的位置精度。应用可胀式一面两销结构，还可在满足设计要求的前提下，降低工件定位孔的加工精度，从而节约生产成本[3]。

定位销的外胀结构又分为整圆外胀、几点外胀两种，分别对应起主定位作用的圆柱定位销、起限制工件转角误差的削边销。可胀式一面两销结构可分为单胀式和双胀式。

单胀式一面两销结构，通常将起主定位作用的圆柱定位销设计为外胀式，用于工件中心定位孔直径较大，而角向定位孔直径较小的场合。

双胀式一面两销结构，多用于工件中心定位孔、角向定位孔直径皆较大的场合。常见的双胀式一面两销结构，多采用齿瓣胀开结构，两定位销皆为优质弹簧钢。新型双胀式一面两销结构，则多采用内腔中装有浮动介质的薄壁定位销。浮动介质有固态球体状、膏体状及液体状等类型。以液塑薄壁定位销为例，当加压螺钉通过滑柱向薄壁胀套内的液性塑料加压后，定位销内腔液性塑料将其所承受压力均匀地传递，使薄壁定位销产生塑性变形而径向膨胀，且定位销与中心孔的轴线处于重合状态，从而达到减小定位误差的目的。工件加工完成后，降低薄壁胀套内的压力，定位销与工件脱离。

2.3 一面两销结构的局限性

一面两销的定位过程，也可以看作销、孔工件的装配过程，因此，可以采用UG NX软件进行销、孔装配，模拟一面两销的过定位方式。以某不锈钢回转盘为例，其两端面上均布着N（奇数）个φD1的同轴均布小孔，中心为φD2的大通孔。用UG NX软件进行销、孔装配，工装和工件之间有3个接触约束，分别是底板和工件的端面接触、两组销孔之间的接触。为了更直观地呈现一面两销定位结构在多孔工件中出现的定位误差放大现象，两对圆柱销、孔的配合间隙皆设为3mm。

如图2所示，如果以中心大孔Q1和分布圆上的一个小孔Q2为基准，因为存在配合间隙，即便是过定位，在销、孔柱面局部接触时，工件仍能在小范围内浮动。除两定位孔之外，回转盘分布圆上的其余两孔K3、K4，其定位误差因其与两定位销孔Q1、Q2的相对位置不同而大小各异。从图2中可以直观地看出分布圆上的小孔K3、K4的定位误差远远超出销孔的配合间隙3mm，也即定位误差相对于配合间隙被放大，采用中心孔和分布圆上小孔的一面两销定位方式，无法满足加工要求。

图2　中心孔和圆周孔定位的误差放大现象

如图3所示，如果以回转盘的分布圆上两个小孔Q2、K4为基准，显然这种方法的销间距比前一种方法的销间距加大。虽然销间距加大，导致转角误差相对减小，但其余两孔Q1、K3的定位误差仍然超过配合间隙3mm，而且同样存在孔位不同，定位误差不同的现象。这种一面两销过定位仍然无法满足技术要求。

图3　双圆周孔定位的误差放大现象

即使采用双胀式一面两销结构，由于在夹具定位元件的制作过程中不可避免地引入测量、制造和装配等系统误差。夹具本身制造误差的存在，销、轴的轴线并不能完全重合，同时，虽然在两销连线的垂直方向上，转角误差因配合间隙消除而减小；在两销连线方向上，销、孔间距基准的差异会因工件的微量位移而被均化，但定位误差只是相对于刚性圆柱销有所减小，并不能被消除，其大小取决于夹具本身制造时的形状、位置及尺寸精度，而且除两个定位孔外，其余各孔的定位误差仍然会因其与定位销孔的相对位置不同而各异，仍然存在相对于一面两销的定位误差被放大的趋势，存在超差的现象。

3  过定位的两重性分析

过定位现象容易导致刚性工件无法正常安装，但在某些条件下，合理地采用过定位，反而可以获得良好的效果和明显的效益。

对于刚性弱而精度要求高的工件，如薄壁工件、细长杆件或定位基准是大平面的工件、大型零件等，过定位装夹则更为有益。刚性差的工件，凡是容易变形的地方，尽可能进行约束，其目的就是防止加工过程中切削力造成的变形，增加定位装夹刚性，确保加工过程稳定、提高加工精度。

在车削长轴工件时，工件的一端用三爪夹紧，另一端用尾顶尖支承，工件在Y、Z方向移动的自由度限制了两次，产生了过定位。相较于无顶尖支承，增大了夹持的接触面积和夹持的可靠性，使工件刚性得以加强，加工顺利进行，工件的加工质量和效率大大提高。

在铣削加工中，三支承点限定一个平面，第四点支承并不能与ABC绝对共面，四点定面就属于过定位。可是，实际生产中，经常用相互位置精度较好的多个表面同时做定位基准，构成过定位方式。这种过定位方式，不仅增强了夹持可靠性和系统刚性，还可以改善薄壁工件受力变形的状况，从而更好地保证产品加工质量。去除第四点支承，消除过定位方式，效果却适得其反。

也就是说，有些定位方式，从形式上看是过定位，但重复限制的自由度的定位支点之间，并未形成实质性的互相干涉或冲突，或者虽有干涉，但未超出工件所允许的要求，则这种过定位是允许的。换言之，以加工精度高的精基准作为定位基准，其定位基准的误差小，工件位置仍然可以小范围内浮动，这种过定位只是形式上的过定位，是允许出现的[4]。

在使用过定位时，必须注意以下三点。

1）定位基准的误差大小，决定了过定位干涉结果的不良程度。定位基准的误差越大，干涉变形就越严重，不良后果就越大，因此，必须对用作工件的定位基准孔的尺寸、几何精度提出较高要求，减小定位基准自身的误差。

2）装卸工件的作用力要适当，其局部变形和接触应力都必须控制在技术要求允许的范围之内。

3）在过定位夹具系统中，定位件的数量影响到整个夹具系统的综合偏差。

4  一面三销过定位的应用案例

前文提到的不锈钢回转盘，其全高210mm，截面呈工字形结构，两端面上均布着N（奇数）个φD1的同轴均布小孔，中心为φD2的大通孔。该工件为焊接结构件，小孔上下层轴线之间、均布圆轴线与大孔轴线之间、小孔相对大孔的位置都有较高的要求。在立式加工中心上加工时，其加工难点在于上下两层间小孔的同轴度要求较高。利用加长刀具加工，从一端镗削，虽然可保证技术要求，但所需加长镗刀规格较多，刀具成本高，且加工中易出现振动，效率不高，因此，较为可行的加工方案是采用专用夹具，调头加工，这样只需使用少量短刀即可。调头加工方案成功的关键是翻面加工时的装夹定位精度要能满足技术要求。

前文讲过，以精基准作为定位基准时，为提高定位精度允许出现过定位。用立式加工中心加工回转盘第二面上的各孔时，可以采用一面三销过定位结构进行装夹，以工装底面及其上的3个圆柱销轴线作为定位基准，工件以孔销间隙配合的方式安装于工装底板上。工件的XY向位移和绕Z轴的转动同时受3对销孔定位副的多重限制。依据前述过定位的3项使用条件，应采用高精度的立式加工中心制作工装底板、加工回转盘第一面上的各小孔，以减销间距、孔间距的差异。加工中心具有较高的定位精度（定位误差≤0.01mm），因此，销间距、孔间距尺寸差异、形状误差可以忽略不计，影响定位精度的因素就只有销、孔的配合间隙[5]。

继续利用UG NX软件对一面三销过定位装夹的过程进行模拟，增加第三对销孔的接触约束。从图4中的装配导航器可以看出，多孔工件2的位置状态为“半黑半白”的小圆，提示工件2处于部分约束的状态。点击装配工具条的约束按钮，光标移到工件上长按不松，旋转鼠标，工件上的3个小孔同时各自绕所接触的圆柱销转动，工件的确处于非全约束状态。显然，借助UG NX软件可以直观地看出，一面三销结构中的工件浮动时，小孔圆心所形成的圆环直径不会超出配合间隙，而且三重限制的综合作用，使得工件上的中心大孔也只能小范围的浮动。那么，工件中心处的大孔，其定位误差又是多少？

图4 4个接触约束的半约束状态

我们利用UG NX的运动仿真功能，对一面三销结构的装配进行分析，可以直观印证我们的猜想，展现各孔定位误差的大小。进入运动仿真模块，创建动力学运动仿真，指定连杆，并创建平面运动副、线上副约束或2D接触连接器，指定矢量扭矩和矢量力载荷，创建智能点并追踪，从而得出各孔圆心的分布范围。如图5所示，小孔的追踪点绕着相应的定位销圆心分布在以配合间隙为直径的小圆内；对产生的追踪点进行分析和标注，即可得出误差的大小。从局部放大图中可看出，中心大孔的追踪点绕着3个定位销的分布圆的圆心散布，同样呈圆形，其直径大小也是配合间隙值。这种方法无需公式推导，其结果十分直观。

图5　一面三销定位的运动仿真结果1

如果在装夹时，有意识地排除随机误差，保持多次装夹受力方向一致，从而减小重复定位误差，则跟踪点的分布范围进一步缩小。如图6所示，跟踪点的分布范围为圆形的一部分，但此分布圆弧的直径并无变化。

图6　一面三销定位的运动仿真结果2

图5和图6说明，一面三销过定位结构的定位误差相对于配合间隙，并未出现一面两销所出现的放大现象，也没有因孔位不同而呈现不等值现象。比较一面两销和一面三销的定位结果，一面三销过定位所产生的定位误差，要比一面两销过定位时所产生的定位误差小得多。如图7所示，采用不定方程“公式＋图解”的方法，以定位销分布圆的圆心为坐标原点，可将3个定位销的圆心看作三角形的3个顶点，3个顶点的位置坐标分别为（a1，b1）、（a2，b2）、（a3，b3）。已知三组销孔的最大配合间隙2r（各自用三角形顶点的小圆表示），工件上三孔的圆心坐标分别为（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3），中心大孔的坐标为（X0，Y0），工件上3个小孔圆心必定落在以r为半径的小圆之内，即：（X1－a1）2＋（Y1－b1）2＝（X2－a2）2＋（Y2－b2）2＝（X3－a3）2＋（Y3－b3）2≤r2。

图7　公式＋图解法

又因为采用精密加工中心制作夹具和工件，销间距、孔间距尺寸差异忽略不计，那么：X12＋Y12＝X22＋Y22＝X32＋Y32＝（a1－X0）2＋（b1－Y0）2＝（a2－X0）2＋（b2－Y0）2＝（a3－X0）2＋（b3－Y0）2，（X1－X2）2＋（Y1－Y2）2＝（X2－X3）2＋（Y2－Y3）2＝（X3－X1）2＋（Y3－Y1）2……

联立这些多元二次不定方程组，借助功能强大的MATLAB工具，能够求解出中心大孔的圆心点（X0，Y0）的分布范围，从而进一步确认中心大孔的定位误差与销孔配合间隙的关系，即X02＋Y02＝r2。

因此，一面三销过定位结构的定位误差大小与销孔配合间隙的关系为：定位误差的大小与销孔配合间隙值相等。

该不锈钢回转盘工件，其小孔上下层轴线之间、均布圆轴线与大孔轴线之间的同轴度φ0.1mm、小孔相对大孔的位置度φ0.1mm、小孔轴线与大孔轴线的平行度为0.1mm。夹具的定位误差一般可取被加工工件允差的1/3，那么，销孔的配合间隙应为φ0.033mm。结合零件设计图样对均布小孔的公差要求，定位销的公差可按n7选取，一旦圆柱销在n7公差范围内制作完成，定位销的尺寸即相对固定，那么定位孔的公差也可确定，工件定位孔的公差选取F8，从而使工件可以轻松地装卸、精准地定位。回转盘的一面三销过定位工装设计和实物如图8所示。

a）工装设计

b）实物

图8　一面三销过定位工装

采用一面三销过定位结构的工装加工回转盘第二面，无需找正，无需加长刀具。既满足了加工要求，又提高了生产效率，降低了刀片消耗，节约了生产成本。此外，如果某一工件无法在检定合格的夹具上顺利安装，那么此件有可能为不合格品，需进一步确认，可有效防止不合格品流入下道工序。工装实际应用效果如图9所示。

图9　回转盘的一面三销过定位工装应用

一面三销的过定位夹具结构简单、刚性良好、制造容易及使用方便，能实现快速装夹、精确定位，并且重复定位精度高，相对于一面两销定位方式，其定位误差大幅度减小。如果将其改为膨胀式一面三销，则可降低对定位孔的孔径公差要求。

5  结束语

一面三销间隙配合过定位的装夹方法具有良好的实用性，为轮架类零件的加工提供了参考方案，扩大了立式加工中心的加工范围，具有一定的推广意义。正确分析和处理过定义，合理选择定位表面的尺寸和配合间隙、几何公差，在提高定位精度的同时，不影响工件的装卸，这是一面三销过定位夹具合理设计的关键。

参考文献：

[1] 薛源顺. 机床夹具设计[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[2] 吴盘龙，胡东方. 一面两销无间隙定位方法的研究[J]. 机械科学与技术，2020，39（11）： 1747-1752.

[3] 苏沛群，苏梁，储岩. 一面两销精确定位自动控制系统设计[J]. 机床与液压，2015，43（14）：36，44-48.

[4] 韩克昌. 过定位在夹具设计中的应用[J]. 机械工艺师，1988（7）：22-24.

[5] 刘越. 应用过定位实现零件的高精度加工[J]. 机械工程师，2004（5）：74-75.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2024年第2期第55~60页，作者：中国兵器工业集团江山重工研究院 方振红，周德民，方春华，彭华武，张伟，袁静文，潘喜利，原标题：《基于UG的一面三销过定位结构应用》。