2.2 工件定位的相关知识_机床夹具设计与应用实例-QQ阅读男生轻小说网

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2.2　工件定位的相关知识

2.2.1　基准

基准就是工件上用来确定其他表面（或点、线）的位置时所依据的表面（或点、线）。工序基准和定位基准是夹具设计中直接有关的两种基准。

（1）工序基准

在工件工序图中，用来确定本工序加工表面位置的基准，称为工序基准。加工表面与工序基准之间，一般有两项相对位置要求：一是加工表面对工序基准的距离位置要求，即工序尺寸要求；另一项是加工表面对工序基准的形状位置要求，如平行度、垂直度等。至于加工表面对工序基准的对称度、同轴度等要求，则包含着上述两项要求的内容。

图2-2（a）中，A为加工表面，本工序要求保证A面对母线B的距离尺寸h和A对B的平行度（图上没有标注时，平行度要求包括在h的尺寸公差范围内），则母线B为本工序的工序基准。

图2-2　工件的工序基准

工序基准有时不止一个，工序基准的数目取决于本工序加工面数以及加工表面与多少个面具有位置要求。例如图2-2（a）中，本工序的加工表面还有端面C，并要求C对D的距离为l，则工序基准有两个，即母线B和端面D。再例如图2-2（b）中，ϕD孔为加工表面，要求其中心线与A面垂直，对B面、C面的距离尺寸分别为l1、l2，则本工序的工序基准为A、B、C 3个表面。

工序基准可以是工件上的实际表面（或点、线），如图2-2（a）、（b）所示。另外，还可以是对称面、对称线、几何中心等。如图2-2（c）中，键槽两侧面的工序基准是轴的轴向对称面。

由分析中知道，工件定位主要是工序基准的定位。因此，工序基准是夹具设计时选择定位基准的主要依据。

（2）定位基准

工件定位时，用以确定工件在夹具中位置的表面（或点、线），称为定位基准。定位基准一般指与定位元件的定位表面相接触的工件表面；某些情况下，也可以是工件的几何中心、对称面或对称线；找正安装时，被找正的面或线则为定位基准。如图2-2（b）所示工件，在加工ϕD孔时，使表面A、B、C分别靠在夹具的定位元件的定位表面上，如图2-3（a）所示，工件便得到定位，工件上的A、B、C面即为定位基准。如图2-2（c）所示工件，要求在轴上铣一直通键槽，定位时工件以外圆柱面放在定位元件V形块上，这时工件的定位基准就是轴心线和轴向对称面。如图2-3（b）所示。

图2-3　工件的定位基准

定位基准的选择，一般应本着基准重合原则，即尽可能选用工序基准作为定位基准，这样可以减少加工误差。但有时为使夹具结构简化或其他原因，定位基准也可以不是工序基准。

2.2.2　工件定位原理

（1）自由度

任何形状的工件在夹具中未定位前，都可以看成为在空间直角坐标系中的自由物体。如图2-4所示，它能沿X、Y、Z三坐标轴移动（用、、表示）和绕这三坐标轴转动（用、、表示），这被称为工件具有六个自由度。要使工件在某方向上的位置确定，就必须限制工件在该方向上的自由度。如果要使工件在夹具中的位置完全确定，就需将它的六个自由度全部予以限制。因此，可以说工件定位的实质就是根据加工要求来限制其自由度。

图2-4　未定位工件的自由度

（2）六点定则

如图2-5所示，在分析工件定位时，通常可将定位元件抽象为定位支承点（以下简称支承点）。一般用一个支承点限制工件一个自由度，而用适当分布的六个支承点限制工件的六个自由度，这就是六点定位原理或称为六点定则，这是工件定位的基本法则。

图2-5　六个支承点的分布

工件在坐标系中的定位不存在反方向定位的问题，即工件在一个方向上定位了，就认为工件在其反方向也获得了定位。

（3）支承点的设置与合理分布

① 六个支承点的设置：如图2-5所示，在XOY坐标平面内，设置图示的三个定位点1、2、3与工件的底面相接触，限制了工件沿Z轴方向的轴向自由度和绕X轴、Y轴角度方位的角向自由度，即限制、、三个自由度；在YOZ坐标平面内，沿平行于Y轴的方向设置两个定位点4、5与工件侧面相接触，限制了工件沿X轴方向的轴向自由度和绕Z轴角度方位的角向自由度，即限制了、两个自由度；在XOZ坐标平面内，设置一个定位点6与工件的另一侧面相接触，限制了工件沿Y轴方向的轴向自由度。

② 六个支承点的合理分布：如果六个支承点分布不当，可能限制不了工件的六个自由度。

如图2-6所示的工件在夹具中加工键槽时，槽宽b的精度取决于铣刀的选择和加工性质，但槽的位置尺寸A±δa、B±δb和C±δc则与工件在夹具中的定位有关。在工件的主要定位基准面M下布置三个不在同一直线上的支承点1，它们限制了工件的、、三个自由度，以保证加工尺寸A±δa。由于主要基面要承受较大的外力（如夹紧力、切削力等），故三个支承点连接起来所组成的三角形面积越大，工件就放得越稳，也就越容易保证定位精度。在工件的垂直侧面N上布置两个支承点2，这两点的连线不能与主要定位基准垂直，而且距离越远，限制自由度越有效，本例中限制工件的、两个自由度，以保证尺寸B±δb。在工件的正垂面P上布置一个支承点（工件上最窄小、与切削力方向相对应的表面），可限制工件的自由度，它保证尺寸C±δc，并要承受加工过程中的切削力和冲击等。

图2-6　在夹具中铣键槽

1，2—支承点；3—止推销

上述六个支承点的分布是最典型的，即按“三、二、一”规律来完全限制工件的六个自由度，这种定位方式称为完全定位。

2.2.3　工件定位的类型

（1）完全定位

工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。图2-7为不同外形的工件作完全定位的示例。

图2-7（a）中，工件的定位基面为底平面和两个侧平面，被加工面为具有三个坐标方向工序尺寸要求的不通槽，其工序尺寸：在X方向为、，Y方向为，Z方向为。今采用处在同一平面上的三个支承钉1、2、3限制工件的、、三个自由度，从而保证工序尺寸的要求；采用两个支承钉4、5限制工件的、两个自由度，从而保证工件尺寸的要求（由刀具保证）；用支承钉6限制工件的自由度，从而保证工序尺寸的要求。

图2-7（b）中，工件的定位基面为外圆柱面、键槽1'侧面和后端面，被加工面为具有三个坐标方向工序尺寸要求的键槽。其工序是：在X方向要求槽的中心面通过圆柱体的直径平面；Y方向为，Z方向为，并要求该键槽与键槽1'的夹角为180°。今采用V形块和两个销子定位。工件以外圆柱表面与V形块工作面相接触，限制工件的、、、四个自由度（这是四点定位的方式，其定位点的数目及分布是按被消除的自由度数去作具体推断的）；短圆柱销1限制工件绕Y轴的角向自由度；短圆柱销2限制了工件的自由度。

图2-7　不同形状工件的完全定位示例

图2-7（c）中，工件唯一连杆，被加工面为孔D2。其定位方式是利用连杆的一个端面与夹具体表面相接触，限制工件的、、三个自由度；利用孔D1与夹具上的短圆柱销1相配合，限制了工件的、两个自由度；最后让连杆侧面与夹具上的销2相接触，限制了工件的自由度。

（2）不完全定位

在定位时，工件的六个自由度并非在任何情况下都要全部加以限制，一般只要求限制影响工件加工精度的那些自由度。例如在图2-8（a）和（b）中，若该两工件的被加工面均为通槽，则图2-8（a）中就可以取消销6，图2-8（b）中就可以取消销2并分别按图2-8（a）和（b）的方式定位。此时，尽管工件被限制的自由度数变为、、、、五个，但这并不影响工件的加工精度和要求，因此是合理的和允许的。此外，在图2-8（b）中，若被加工表面为通槽，而且工件上又无槽1'以及180°的夹角要求，则可按图2-8（c）的方式定位，其被限制的自由度数仅为、、、四个。如图2-9所示，三个形状各异的工件都要求加工平面，图2-9（a）只需限制、、三个自由度；图2-9（b）只需限制、两个自由度；图2-9（c）只需限制一个自由度即可满足加工要求。这种根据加工要求，工件的六个自由度有时不需要限制的定位，称为不完全定位。但也有这样的情况，为了承受切削力、夹紧力或便于安放工件和自动走刀限位所需，对不影响加工要求的自由度也要加以限制。如图2-10所示，根据加工要求，只需限制三个自由度，但为承受水平切削分力并使夹紧方便，采取了全定位方式。如图2-11所示为钻孔3×ϕ6H9的工序要求，则沿孔轴线方向的自由度可不予限制，但定位芯轴2在限制其与自由度的同时，也限制了这一自由度，这是合理的，若要避免限制这个自由度，则反而会使夹具结构复杂化甚至无法实现。

图2-8　不完全定位示例（1～5为销）

图2-9　同一工序不同定位基准对自由度的限制

图2-10　铣平面液压铣床夹具

1—夹具体；2—夹紧块（2件）；3—杠杆（2件）；4—活塞杆（2件）；5～9—定位件

图2-11　钻3×ϕ6H9等分孔钻床夹具

1—夹具体；2—定位芯轴；3—工件；4—定位衬套；5—对定销；6—手把；7—手柄；8—衬套；9—开口垫圈；10—螺母；11—钻套

工件在加工过程中，机床和刀具的运动轨迹是一定的。从保证加工精度要求来看，并不是工件的六个自由度都要限制，因为有些方向的自由度是与刀具运动轨迹无关的，这些自由度就不必限制。毫无疑问，当被加工表面在三个坐标方向上都有加工位置尺寸要求时，工件必须采用完全定位；如果被加工表面只存在两个坐标方向甚至一个坐标方向有加工位置尺寸要求时，夹具中所布置的定位支承点就可以少于六点，也能保证加工要求，这样的定位称为不完全定位。

按照加工要求确定工件必须限制的自由度是设计定位方案时首先要解决的问题。不完全定位由于它不违背六点定则，故在机械加工中应用的实例是很多的。

例如，加工图2-6（a）工件的槽b时，如果该槽是通槽（尺寸c的要求取消），则从理论分析，沿Y方向的自由度可不必限制，即只需五点定位。但此时止推销3仍可以保留，因为它实际上已不起定位作用，而只是为承受切削力而设。

综上所述，工件定位时需要限制的自由度数目，应由工序的加工要求而定，不影响加工要求的自由度可不加限制。若要求工件限制六个自由度，则称为完全定位，否则为不完全定位，并且在具体夹具上，定位点及其作用是由定位元件体现的。有时（定心或定中定位）定位点数及其作用需要按被消除的自由度数去作具体的推断。究竟采用完全定位或是采用不完全定位，以及定位点的数目和分布方式如何，要视工件的定位基面形状的不同和工序加工要求的不同，以及所采用定位元件形式的不同而有所不同。通过工件的被加工面在三个坐标方向上都有尺寸要求或位置精度要求时，就要采用完全定位方式；否则，可以用不完全定位方式。在实际生产中，工件被限制的自由度数一般不少于三个。

表2-1列举了一些常用定位方式所限制的自由度，以作参阅和分析。

表2-1　常用定位方式所限制的自由度

欠定位和过定位都是违反定位原则而造成的非正常定位情况。

（3）欠定位

按工序的加工要术，工件应该限制的自由度而未予限制的定位，称为欠定位。在确定工件定位方案时，欠定位是绝对不允许的。例如图2-7（b）中，若不设销1（防转定位销），工件绕Y轴的角向自由度得不到限制，则无法保证键槽与槽1'之间夹角180°的工序要求，因此是不允许的（用找正法作补充定位者除外）。

（4）过定位（又称超定位或重复定位）

在夹具中，当用一组定位表面（或工件）限制工件的自由度时，可能出现工件的同一自由度被数个定位点重复限制，这样的定位称为过定位。过定位会造成定位干涉、定位不稳、增大误差，使工件或定位元件产生受力变形，甚至出现部分工件装不进夹具的情况，因此应该尽量避免。但在精密加工和装配中，过定位有时是必要的。图2-12（a）为连杆定位的局部图。工件的定位基面为孔及其端面，今在夹具上若用长销和支承平面实现定位，此时，长销限制、、、四个自由度，支承平面限制、、三个自由度，其中、二自由度被长销和支承平面重复限制，因此会出现干涉观象。由于工件孔与端面间、长销外圆与支承平面间必然存在着的垂直度误差，因此工件定位时，将出现二平面的不完全接触，若用夹紧力迫使其接触，则会造成销和连杆的弯曲变形，这是不允许的。

图2-12　过定位及改善措施

如图2-13所示，箱体工件的定位基面为V形导轨面1、2和平导轨面3以及端面4。夹具上用两个短圆柱5、长支承板6和支承钉7实现定位。两个短圆柱5限制、、、四个自由度；长支承板6限制、两个自由度；支承钉7限制自由度。其中被重复限制，在一定条件下，这将引起工件与两个短圆柱销及长支承板接触不良，从而造成定位不稳及夹紧变形。

图2-13　V形导轨面的定位

1，2—V形导轨面；3—平导轨面；4—端面；5—短圆柱；6—长支承板；7—支承钉

若要消除过定位，或要减小因过定位引起的干涉，通常采取下述两种措施。

其一，改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度。例如图2-12（a）所示的过定位，可按图2-12（b）所示用短销代替长销，使它只限制、两个自由度，从而消除了被重复限制的、两个自由度；也可按图2-12（c）所示以长销和小端面组合定位或是按图2-12（d）所示以长销和浮动的球面垫圈组合定位，以使夹具上的支承端面只限制一个自由度，从而对工件的、不起限制作用。显然，改变定位元件结构的目的，就是改过定位为不过定位。

其二，提高定位基面之间以及定位元件定位表面之间的位置精度，以减小或消除过定位引起的干涉。如图2-12（a）中，若提高连杆孔与端面间以及长销与支承平面间的垂直度精度，使其定位后不影响各表面之间的良好接触，或销与孔之间的允许间隙足以补偿其垂直度误差值时，其过定位是允许的。如图2-13中，若工件V形导轨面与平面导轨面经过加工，使其保证有足够高的尺寸精度和位置精度；并且夹具上经过装配后的短圆柱5与支承板6的尺寸精度和位置精度也很高，以致一批工件定位之后，各表面均能很好的接触。这样的过定位，不但不会产生不良后果，反会增加定位的稳定性，而且夹具结构也比较简单，因而是可取的。特别要强调的是：过定位若合理设计，就可起到确保定位精度、提高定位刚性和稳定性以及简化夹具结构的作用，因而已被广泛应用于精密的各种产品（如精密机床主轴、内燃机曲轴主轴颈等）、零部件组装以及夹（测）具上。

以上所述的过定位方法用于成批和大量生产的精密加工中。在具体设计时，首先要对工件定位基面和夹具定位表面的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度提出较高的要求，同时要做可装入性和定位精度计算以及做夹紧力的计算等。具体计算方法参照有关资料。

2.2.4　工件定位基准的选择

（1）定位基准的选择原则

① 尽量用精加工过的表面作为定位基准，并尽可能使定位基准与工序基准重合，以保证有足够的定位精度。

② 应使工件装夹方便、稳定，便于操作，并且变形最小。

③ 遵守基准统一原则，以减少夹具的种类，提高各被加工表面的位置精度。

上述原则仅供夹具设计时的参考，因为定位基准的选择是一个比较复杂的实践问题，必须在实际应用中根据具体生产条件具体分析。

（2）定位符号与夹紧符号在工序图上的标注

在选定定位基准及确定夹紧力的方向和作用点后，应在工序图上标注定位符号和夹紧符号。定位符号和夹紧符号按照机械行业标准（JB/T 5061—2006）确定。图2-14所示为典型零件定位符号和夹紧符号的标注。

图2-14　典型零件定位符号和夹紧符号的标注

（3）定位副

当工件以回转表面（圆柱面、圆锥面、球面等）与夹具的定位元件接触（或配合）时，工件上的回转面称为定位基面，其轴线称为定位基准[见图2-15（a）]；与此对应，定位芯轴的圆柱面称为限位基面，芯轴的轴线称为限位基准。若工件以平面与定位元件接触时[图2-15（b）]，工件上那个实际存在的面就是定位基面，它的理想状态（平面度误差为零）是定位基准。如果工件的定位基面是精加工过的，形状误差很小，可认为定位基面就是定位基准。同样，定位元件以平面限位时，若形状误差很小，也可以认为限位基面就是限位基准。从理论上说，定位基准与限位基准重合，而定位基面与限位基面接触。

图2-15　定位副的组成

为了简便，将定位基面与限位基面合称为定位副。当工件有几个定位基面时，限制自由度最多的定位基面称为主要定位基面，相应的限位基面称为主要限位基面。

（4）对定位元件的基本要求

工件在夹具中定位时，一般是把工件的定位基面放在定位元件上。故对定位元件提出以下基本要求。

① 足够的精度：定位元件的精度将直接影响工件的加工精度。因此，限位基面应有足够的精度，以适应工件的加工要求。

② 足够的强度和刚度：定位元件不仅限制工件的自由度，还有支承工件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，应有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损坏。

③ 耐磨性好：定位元件的工作表面因与工件接触而易磨损，导致定位精度下降，为此，要求定位元件应有较好的耐磨性。

④ 工艺性好：定位元件的结构应力求简单、合理，便于制造、装配和维修。

⑤ 便于清理切屑：定位元件工作表面的形状应有利于清理切屑。否则，会因切屑而影响定位精度，切屑还会损伤定位基准表面。

（5）定位基准选择实例

现需要加工图2-16所示的轴承座，其机械加工工过程见表2-2，表2-2中列出了各工序的定位基准以及选择定位基准的依据。

图2-16　轴承座

表2-2　轴承座机械加工工艺过程

2.2.5　常用定位元件的选用

定位方法和定位元件的选择包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，主要取决于工件的加工要求、工件的定位基准和外力的作用状况等因素。表2-3为常用的定位方式和定位元件所能限制的工件自由度。

表2-3　根据加工要求确定限制工件自由度及选择定位元件

为此在夹具设计中可根据需要选用各种类型的定位元件。

2.2.5.1　常用的定位元件及其结构

常用的定位方式有工件以平面定位、工件以圆柱孔定位、工件以外圆柱表面定位以及工件以组合表面定位。

（1）工件以平面定位时的定位元件及其结构

工件以平面作为定位基准时，所用的定位元件一般可分为主要支承和辅助支承两类。主要支承用来限制工件的自由度，具有独立定位的作用；辅助支承用来加强工件的支承刚性，不起限制工件自由度的作用。在夹具设计中常用的平面定位元件有固定支承、可调支承、自位支承以及辅助支承等。其中，前三者为主要支承，都起定位作用。

1）固定支承：在夹具体上，支承点的位置固定不变的定位元件称为固定支承，主要有各种支承钉和支承板，如图2-17所示。

图2-17　固定支承钉

① 标准固定支承钉（JB/T 8029.2—1999）：如图2-17所示，在使用过程中，三种类型的支承钉都是固定不动的，其应用实例如图2-18所示。

图2-18　支承钉的应用

a.圆头支承钉。图2-17（a）所示支承钉也称为B型支承钉或球头支承钉，主要用于工件上未经加工平面的粗基准定位用，以保证接触点的位置相对稳定。

b.锯齿头支承钉。锯齿头支承钉也称C型齿纹头支承钉，齿纹能增大摩擦系数，常用于要求摩擦力大的工件侧平面粗基准定位用[图2-17（b）]。

c.平头支承钉。平头支承钉也称A型支承钉，因与定位基面接触面积大，不易磨损，主要用于工件上已加工平面的支承[用于精基准中[图2-17（c）]。

② 标准支承板：定位支承板如图2-19所示。

图2-19　定位支承板

a.图2-19（a）为A型支承板，其结构简单、制造方便。安装时固定螺钉的头部比支承板的定位平面低1～2mm，孔边切屑不易清除干净，故适用于工件的侧平面和顶面定位。

b.图2-19（b）为B型支承板，该支承板是带有排屑槽的斜槽支承板，切屑已清除，适用于底面定位（精基准定位用）。

工件以精基准平面定位时，为保证所用的各平头支承钉或支承板的工作面等高，装配后，需将它们的工作平面一次磨平，并且与夹具底面保持必要的位置关系。否则，对夹具体的高度H1及支承钉或支承板的高度H的公差应严格要求，如图2-20所示。

图2-20　支承的等高配作

支承板一般以2～3个M6～M12的螺钉紧固在夹具体上。在受力较大或支承板有移动趋势时，应增加圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。

2）可调支承：可调支承又称调节支承（JB/T 8026.3—1999、JB/T 8026.4—1999）。在工件定位过程中，夹具体上支承钉的高度（支承点的位置）需要手动来调节的定位元件（支承）称为可调支承，如图2-21所示；其应用如图2-22～图2-24所示。可调支承的结构已经标准化。它们的组成均采用螺钉、螺母形式，并通过螺钉与螺母的相对运动来实现支承点位置的调节。当支承点高度调整好以后，必须通过锁紧螺母锁紧。

图2-21　可调支承示例

1—支承钉；2—锁紧螺母

在图2-22中所示的调节支承（JB/T 8026.4—1999）、圆柱头调节支承JB/T 8026.3—1999）、六角头调节支承（JB/T 8026.1—1999）属于支承高度可调节的支承，以保证工序有足够和均匀的加工余量。可调支承主要用于以下3种情况。

图2-22　可调支承钉

① 工件的定位安装基面是毛坯面时，至少应设置一只可调支承。当毛坯精度不高，而又以粗基准定位时，若采用固定支承，由于毛坯尺寸不稳定，将引起工件上要加工表面的加工余量发生较大的变化，影响加工精度。例如图2-23所示的箱体零件，第一道工序是铣顶面。这时以未经加工的箱体底面作为粗基准来定位。由于毛坯质量不高，因此对于不同批毛坯而言，其底面至毛坯孔中心尺寸L发生的变化量ΔL很大，使加工出来的各批零件，其顶面到毛坯中心孔的距离发生由H1到H2的变化。其中：H2-H1=ΔL。

图2-23　可调支承的应用

这样，以后以顶面定位镗孔时，就会像图2-23中实线孔所表示的那样，使镗孔余量偏在一边，加工余量极不均匀。更为严重的是，使单边没有加工余量。因此，必须按毛坯的孔心位置划出顶面加工线，然后根据这一划线的线痕找正，并调节与箱体底面相接触的可调支承，使其高度调节到找正位置，使可调支承的高度，大体满足同批毛坯的定位要求。当毛坯质量极差时，同批毛坯每一件均需划线、找正、调节，这样方可实现正确定位，以保证后续工序的加工余量均匀。因H有ΔL误差，当工件第一道工序以图示下平面定位加工上平面，然后第二道工序再以上平面定位加工孔时，出现余量不均，影响加工孔的表面质量。若第一道工序用可调支承钉定位，保证H有足够精度，再加工孔时，就能保证余量均匀，从而可保证加工孔表面的质量。

图2-23（a）中工件为砂型铸件，加工过程中，一般先铣B面，再以B面定位镗双孔。为了保证镗孔工序有足够和均匀的余量，最好先以毛坯孔为粗基准定位，但装夹不太方便。此时可将A面置于可调支承上，通过调整调节支承的高度来保证B面与两毛坯孔中心的距离尺寸H1、H2，对于毛坯比较准确的小型工件，有时每批仅调整一次，这样对于一批工件来说，可调支承相当于固定支承。

② 工件置入夹具后，需按划线来校正位置。

③ 在小批量生产中，利用同一夹具来加工形状相同而尺寸不同的工件时，所有的支承均设置成可调支承，如图2-24、图2-25所示。

图2-24　可调支承的应用实例

图2-25　使用可调支承加工不同尺寸的零件

如图2-24所示，在成组可调夹具中用图2-24（b）夹具加工图2-24（a）工件，因L不同，定位右侧支承用可调支承钉，问题方可解决。

在同一夹具上加工形状相似而尺寸不等的工件时，也常采用可调支承。如图2-23（b）所示，在轴上钻径向孔。对于孔至端面的距离不等的几种工件，只要调整支承钉的伸出长度，该夹具都可适用。

可调支承在调节后必须用螺母锁紧，以防松动。

3）自位支承：自位支承又称浮动支承，在工作过程中，能自动调整位置的支承称为自位支承或浮动支承。它是随工件定位基准的变化而自动与之适应的，一般只限制一个自由度，即一点定位，如图2-26所示。

图2-26（a）为球面式自位支承，与工件三点接触；图2-26（b）为杠杆式自位支承，与工件两点接触；图2-26（c）为三点式自位支承；图2-26（d）为两点式自位支承。由于自位支承是动的，支承点的位置随着工件定位基面的不同而自动调节，定位基面压下其中一点，其余点便上升，直至各点都与工件接触。接触点数的增加，提高了工件的装夹刚度和稳定性。

图2-26　自位支承

如图2-27所示的叉形零件，以加工过的孔D及端面定位，铣平面C和平面E，用芯轴及端面限制了、、、、五个自由度。为了限制自由度，需设置一个防转支承。此支承单独设置在A处或B处，都因工件刚性差而无法加工。若A、B两处均设置防转支承，则属于过定位，夹紧后工件变形较大，这时应采用如图2-27所示的自位支承。

图2-27　自位支承的应用

自位支承的工作特点是：由于自位支承是活动的，支承点的位置能随着工件定位基面的位置不同而自动调节，定位基面压下其中一点，其余点便上升，直至各点都与工件接触。由于接触点数的增多，提高了工件的装夹刚度和稳定性，但是一个自位支承实质上仍相当于一个固定支承（只起一个定位支承钉的作用），只限制工件的一个自由度。

自位支承适用于工件以毛坯面定位或刚性不足的场合。

4）辅助支承：辅助支承是用来提高工件的装夹刚度和稳定性的。一般在工件定位后与工件接触。然后锁紧，不起定位作用。

如图2-28所示连杆，其小头端面与大头端面不在一个平面上，若以端面定位，就会出现不稳定的现象。现以左端大孔及其端面定位，钻右端小孔。若右端不设支承，工件装夹后，右边为一悬臂，刚性差。若在小头端面设置固定支承，属过定位，有可能破坏左端的定位。在这种情况下，宜在右端设置辅助支承。工件定位夹紧后，使辅助支承与工件接触并固定下来，以承受切削力。

图2-28　辅助支承提高工件的刚性

① 螺旋式辅助支承：如图2-29（a）所示，螺旋式辅助支承的结构与可调支承相近，但操作过程不同，前者工件定位后再接触工件，不起定位作用，后者调整后与固定支承一样起定位作用。

② 自位式辅助支承：如图2-29（b）所示，弹簧1推动滑柱2与工件接触，用顶柱3锁紧，弹簧力应能推动滑柱上升，但不可顶起工件。

③ 推引式辅助支承：如图2-29（c）所示，工件定位后，推动手轮4使滑销6与工件接触，然后转动手轮4使斜楔5开槽部分胀开而锁紧。推引式辅助支承主要用于大型工件。

图2-29　辅助支承

1—弹簧；2—滑柱；3—顶柱；4—手轮；5—斜楔；6—滑销

5）辅助支承一般使用的场合

① 起预定位作用：如图2-30所示，当工件的重心越出主要支承所形成的稳定区域时，工件重心所在一端便会下垂，而使另一端向上翘起，于是工件上的定位基准脱离定位元件。为了避免出现这种情况，在将工件放在定位元件上时，能基本上接近其正确定位位置，这时应在工件重心所在部位下方设置辅助支承，以实现预定位。

图2-30　辅助支承起预定位作用

② 提高夹具工作稳定性：如图2-31所示，在壳体零件1的大头端面上，需要沿圆周钻一组紧固用的通孔。这时，工件是以其小端的中央孔和小头端面作为定位基准，而由夹具上的定位销2和支承盘3来定位。由于小头端面太小、工件又高，钻孔位置离开工件中心又远，因此受钻削力后定位很不稳定。为了提高工件定位稳定性，需要在图示位置相应处增设三个均匀分布的辅助支承4。在工件从夹具上卸下前，先要把辅助支承调低，工件每次定位夹紧后，又需要予以调节，使辅助支承顶部刚好与工件表面接触。

图2-31　辅助支承提高夹具工作的稳定性

1—壳体零件；2—定位销；3—支承盘；4—辅助支承

③ 提高工件的刚性：如图2-28所示，连杆以内孔及端面定位，加工右端小孔。若右端不设支承，工件装夹好后，右端为一悬臂梁，刚性差。若在右端A处设置固定支承，属不可用重复定位，有可能破坏左端的定位。于是在右端设置辅助支承。工件定位时，辅助支承是浮动的（或可调的），待工件夹紧后再固定下来，提高工件的刚性，以承受切削力。

同样，图2-32零件夹紧力作用点靠近加工部位，可提高加工部位的夹紧刚性，防止或减少工件振动。如图2-32所示，主要夹紧力垂直作用于主要定位基准面，如果不再施加其他夹紧力，因夹紧力没有靠近加工部位，加工过程易产生振动。所以，应在靠近加工部位处采用辅助支承，并施加夹紧力或采用浮动夹紧装置，既可提高工件的夹紧刚度，又可减小振动。

图2-32　辅助支承提高工件的刚性

1—工件；2—辅助支承；3—铣刀

（2）工件以圆柱孔定位时的定位元件及其结构

工件以圆柱孔定位属于中心定位，定位基面为圆孔或圆锥孔的内表面，定位基准为圆孔或圆锥的中心线（中心要素），通常要求内孔（或内锥孔）基准面有较高的精度，在夹具设计中常采用的定位元件有圆柱销、菱形销、圆锥销、圆柱芯轴和锥度芯轴等。

1）用外圆柱面限位工件的圆柱孔。

若工件以圆柱孔作定位基面，则夹具用外圆柱面作限位基面。如果采用长外圆柱面作定位元件，则限制工件的四个自由度；如采用短外圆柱面，则限制两个自由度。前者的定位元件常用定位芯轴，后者常用定位销。

① 圆柱定位销　圆柱定位销（以下简称为定位销）有固定式（JB/T 8014.2—1994）、可换式（JB/T 8014.1—1999）和插销式。图2-33为固定式定位销，A型称圆柱销，B型称菱形销。直接用过盈配合装在夹具体上。夹具体上应有沉孔，使定位销的圆角部分沉入孔内面部影响定位。为了便于定位销的更换，采用可换式定位销（见图2-34）。为便于工件装入，所有定位销的头部有15°倒角并抛光，与夹具体配合的圆柱面与凸肩之间应有空刀槽，以保证装配质量。

图2-33　固定式定位销

图2-34　可换式定位销

定位销采用图2-35所示带衬套的结构形式，并用螺母拉紧，以承受径向力和轴向力。

图2-35　可换式定位销的结构

定位销的工作部分直径可按g5、g6、f6、f7制造，定位销与夹具体的配合可用H7/r6、H7/n6，衬套与夹具体选用过渡配合H7/n6，其内径与定位销为间隙配合H7/h6、H7/h5。

图2-36的插销式定位销用于定位基准孔是加工表面本身。使用时，待工件安装后取下。

图2-36　插销式定位销

② 圆柱芯轴：图2-37所示为常用的几种圆柱芯轴的结构形式。

图2-37（a）为间隙配合芯轴。芯轴的限位基面一般按h6、g6或f7制造，其装卸工件方便，但定心精度不高。为了减少因配合间隙而造成的工件倾斜，工件常以孔和端面联合定位，因而要求工件定位孔与定位端面之间，芯轴限位圆柱面与限位端面之间都有较高的垂直度，最好能在一次装夹中加工出来。

图2-37（b）为过盈配合芯轴，由引导部分1、工作部分2、传动部分3组成。引导部分的作用是：使工件迅速而准确地套入芯轴，其直径d3按e8制造，d3的基本尺寸等于工件孔的最小极限尺寸，其长度约为工件定位孔长度的一半。工作部分的直径按r6制造，其基本尺寸等于孔的最大极限尺寸。当工件定位孔的长度与直径之比L/d＞1时，心轴的工作部分应略带锥度，这时，直径d1按r6制造，其基本尺寸等于孔的最大极限尺寸，直径d2按h6制造，其基本尺寸等于孔的最小极限尺寸。这种芯轴制造简单，定心准确，不用另设夹紧装置，但装卸工件不便，易损伤工件定位孔，因此，多用于定心精度要求高的精加工。

图2-37（c）是花键芯轴，用于加工以花键孔定位的工件。当工件定位孔的长径比L/d＞1时，工作部分可略带锥度。设计花键芯轴时，应根据工件的不同定心方式来确定定位芯轴的结构，其配合可参考上述两种芯轴。

图2-37　常用圆柱芯轴的结构形式

1—引导部分；2—工作部分；3—传动部分

芯轴在机床上的常用安装方式如图2-38所示。

图2-38　芯轴在机床上的常用安装方式

③ 菱形销：菱形销有A型和B型两种结构，常用一面两孔定位时，与圆柱销配合使用，圆柱销起定位作用，而菱形销具有定向作用（将在一面两孔定位中介绍）。其结构尺寸已经标准化，可查手册进行选用。

2）以圆锥面限位工件的圆柱孔。

① 圆锥定位销：圆锥定位销（简称圆锥销）常见结构如图2-39所示。图2-39（a）用于以圆柱孔为粗基准面，图2-39（b）用于以圆柱孔为精基准面。采用圆锥定位销消除了孔与销之间的间隙，定心精度高，装卸工件方便。圆锥定位销限制了工件的、、三个自由度。

图2-39　圆锥销定位

工件在单个圆锥销上定位容易倾斜，为此，圆锥销一般与其他定位元件组合定位，如图2-40所示。图2-40（a）为圆锥—圆柱组合芯轴，锥度部分使工件准确定心，圆柱部分可减少工件倾斜。图2-40（b）以工件底面作主要定位基面，采用活动圆锥销，只限制、两个自由度，即使工件的孔径变化较大，也能准确定位。图2-40（c）为工件在双圆锥销上定位，左端固定锥销限制、、三个自由度，右端为活动锥销，限制、两个自由度。以上三种定位方式均限制工件五个自由度。

图2-40　圆锥销组合定位，防止工件在锥度芯轴上倾斜

② 锥度芯轴：锥度芯轴也称小锥度芯轴（JB/T 10116）。如图2-41所示，工件在锥度芯轴上定位，并靠工件定位圆孔与芯轴限位圆锥面的弹性变形夹紧工件，限制工件、、、、五个自由度。

图2-41　用锥度芯轴定位

这种定位方式的定心精度较高，可达到ϕ0.01～0.005mm。但其缺点是工件的轴向位移误差较大，工件在芯轴上的轴向位置视工件定位基准孔的实际尺寸和芯轴的工作表面的锥度C而定；另一缺点是工件易倾斜。为克服上述缺点，常采取以下措施：①当基准孔的长径比L/D＞1.5时，可采用图2-40（a）所示的圆锥-圆柱组合芯轴；②减小锥度C，使定位副的实际接触长度增加，以减少工件倾斜，或采用图2-40（b）所示的组合定位。

锥度芯轴的结构尺寸，按表2-4计算；芯轴锥度见表2-5。具体设计可查阅JB/T 10116。设计锥度芯轴，主要确定以下参数。

表2-4　锥度芯轴的尺寸计算

表2-5　高精度芯轴锥度推荐值

一般来说，芯轴的长径比L/D＜8。在保证定位精度要求和夹紧可靠的前提下，应尽量缩短芯轴长度，以提高刚性。当L过长时，可将基准孔按公差范围分成2～3组，芯轴也相应制造2～3根。

3）工件以圆锥孔定位。

在加工轴类零件或某些要求内外轴线有同轴度的精密定心工件时，常以工件的圆锥孔作定位基面（图2-42）。这类定位元件往往也采用圆锥面作限位基面，如图2-42（a）所示，把圆锥孔安装在锥度芯轴上定位，由于其接触面较长，故相当于五个定位支承点，限制、、、、五个自由度。图2-42（b）是车削、磨削中常用的用60°顶尖定位工件的中心孔，它相当于三个支承点，限制三个移动自由度。两顶尖定位是芯轴和较细长工件最常用的定位方法。

图2-42　圆锥孔定位分析

（3）工件以外圆柱表面定位时的定位元件及其结构

用于外圆表面的定位元件有定位套、支承和V形块等。各种定位套对工件外圆表面主要实现定心定位，支承实现对外圆表面的支承定位，V形块则实现对外圆表面的定心对中作用。

1）用V形块限位工件的外圆柱面

V形块是常用于外圆柱表面定位的元件，不论作为定位基面的外圆柱面是否经过加工或者是否完整，都可选用V形块定位[见图2-43（a）、（b）]。这种方法的突出优点是对中性好，即定位基准始终处在V形块两斜面的对称中间面上，且不受基准外圆直径误差的影响。但其轴线位置可能沿对称面上下变动。V形块一般限制工件四个自由度[接触线较长时，见图2-43（c）]或限制两个自由度[接触线较短时，见图2-43（d）]。

图2-43　V形块的应用

图2-44为常见的V形块结构形式。图2-44（a）用于较短的精基准面定位；图2-44（b）的一对短的V形块组合紧固在夹具体上代替整体式V形块，用于较长的粗基准面和阶梯定位；图2-44（c）用于两段精基准面相距较远的场合。V形块不一定要做成整体钢件，如工件定位基面直径很大时，则选用如图2-44（d）所示的铸铁底座镶有淬硬钢垫或硬质合金板的V形块。V形块的工作角度α有60°、90°、120°三种，最常用的是90°。中小型尺寸V形块材料，选用20钢，渗碳淬火硬度为58～63HRC。大尺寸V形块可选T8A、T12A或CrMn，淬火至同样硬度58～63HRC。

图2-44　V形块的结构形式

设计V形块时，90°V形块的结构和尺寸已标准化，可查阅有关国家标准。对于非标准的V形块，可按图2-45进行有关尺寸的计算。

图2-45　V形块的结构尺寸

V形块（JB/T 8018.1—1999）的主要参数有：

D——V形块的设计芯轴（检验棒）直径，D为工件定位基面的平均尺寸（即工件定位基面直径），其轴线是V形块的限位基准；

α——V形块两限位基面间的夹角。有60°、90°、120°三种，最常用的是90°；

H——V形块的高度；

T——V形块的定位高度，即V形块的限位基准至V形块底面的距离；

N——V形块的开口尺寸。

V形块已经标准化，H、N可查阅国家标准JB/T 8018.1—1999，但T必须计算。由图2-46可知：

T=H+OC=H+（OE-CE）

所以

图2-46　V形块尺寸的计算

当α=60°时，T=H+d-0.867N；当α=90°时，T=H+0.707d-0.5N；当α=120°时，T=H+0.578d-0.289N。

尺寸T在V形块零件图上必须标注，因为当V形块制造完毕，须将检验棒放在V形块上按尺寸T综合检验V形块的制造精度。

V形块通常在夹具中起主要定位作用，其限位基面必须精磨光。它在夹具体上装配时，一般用螺钉和两个定位销连接。定位销孔需在夹具装配调整好后与夹具体一起钻铰，然后打入销钉。

有些夹具还采用活动的V形块，它只限制工件的一个自由度。图2-47（a）为加工连杆孔的定位方式，此时活动V形块只限制一个转动自由度，以补偿因毛坯尺寸变化而对定位的影响，同时还兼有夹紧的作用。图2-47（b）的活动V形块在弹簧作用下只限制一个移动自由度，也兼有夹紧作用。同样，图2-48所示的活动V形块对工件限制了一个自由度，并对工件起夹紧作用。

图2-47　活动V形块的应用

图2-48　活动V形块的应用

2）在圆孔中定位

工件以外圆柱面在定位套中定位，是把工件的精基准面插于定位套中。图2-49为定位套的几种类型。在圆孔中定位，使用的定位元件有定位套、半圆套和锥套等。其内孔轴线是限位基准，内孔面是限位基面（见图2-15）。为了限制工件沿轴向的自由度，常与端面联合定位。图2-49（a）为短定位套，定位时接触线较短，限制工件的两个移动自由度；图2-49（b）为长定位套，定位时接触线较长，限制工件的四个自由度；图2-49（c）为锥面定位套，它和锥面销对工件圆孔定位一样，限制三个自由度；在夹具设计中，为了装卸工件方便，也可采用如图2-49（d）所示的半圆套对工件外圆表面进行定心定位。根据半圆套与工件定位表面接触的长短，将分别限制四个或两个自由度。各种类型定位套和定位销一样，也可根据被加工工件批量和工序加工精度要求，设计成为固定式和可换式的。同样，固定式定位套在夹具中可获得较高的位置定位精度。

图2-49　定位套

① 采用定位衬套：定位衬套单独制造，它与夹具体连接。衬套结构见图2-49，材料用20钢、经渗碳淬火，硬度达55～60HRC。这种定位元件结构简单，但定位基准轴线可能产生径向位移和倾斜。为了保证轴向定位精度，基准孔常与端面联合定位，此时共限制工件五个自由度，如果把断面作为主要限位基面，端面可限制三个自由度，定位孔限制两个自由度[图2-49（a）]；若以定位孔作主要限位基面，则限制四个自由度，而端面只限制一个移动自由度[图2-49（b）]。

② 将限位基准孔直接做在夹具体上：一般用于本体尺寸不大而形状复杂的情况。这种夹具体可选用45钢锻造，经淬火后硬度达33～38HRC，仍可进行切削加工。

③ 采用定位块定位：大直径零件定位时，为减轻夹具质量，往往把定位元件做成几个定位块，用螺钉和圆柱销安装在夹具体上（见图2-50）。这种定位件较整体式圆柱孔节省材料，使夹具易制造。定位块一般选45钢板，经淬火后硬度达30～35HRC。几块定位块组成的限位基准孔，应在立式车床上一次装夹中车出，然后，在夹具装配时调整好，再与夹具体一起钻铰孔，并打入定位销。

图2-50　大型零件用的定位块

④ 在半圆柱孔中定位：主要用于不适合用以上两种定位件的大型轴类零件定位。半圆柱孔是把一个整圆柱分为两半（见图2-51），其下半圆柱孔固定在夹具体上，上半孔装在可卸式铰链结构的盖上。使下半孔起限位作用，上半孔只起夹紧作用，其夹紧力均匀分布在基准圆柱面上。一般来说，这种定位件的两半孔都不直接做在夹具体上，而用铜套制造（比如轴承衬）或用45钢淬硬至35HRC左右。衬套与本体及盖的配合为或，以保证密合。为保证夹紧可靠，必须在两半孔间留有间隙t；下半孔的最小直径应取工件定位基准面的最大直径。

图2-51　工件在半圆柱孔中定位

⑤ 在圆锥套中定位：这是一种通用的“反顶尖”，见图2-52。它由顶尖体1、螺钉2和圆锥套3组成。工件以圆柱面的端部在圆锥套3的带齿纹锥孔中定位，齿纹能带动工件旋转。顶尖体1以锥柄插入机床主轴锥孔中，螺钉2用来传递转矩。为了防止工件倾斜，应增设后顶尖4。

图2-52　工件在圆锥套中定位

1—顶尖体；2—螺钉；3—圆锥套；4—后顶尖

图2-53所示锥面定位套和锥面销对工件圆孔定位一样，限制三个自由度。

图2-53　锥面定位套

各种类型定位套和定位销一样，也可根据被加工工件批量和工序加工精度要求，设计成为固定式和可换式的。同样，固定式定位套在夹具中可获得较高的位置定位精度。

⑥ 支承定位：如图2-54所示。一般定位基准为接触的点、线，也可认为是中心线。点接触限制1个自由度，线接触限制2个自由度。

图2-54　支承定位分析

（4）工件以组合表面定位时的定位元件设计

如果工件以两个或两个以上表面作定位基面，夹具定位元件也必须相应地以组合表面限位，这就是组合定位方式。实际上前面所述的定位方法中，如内圆柱孔与端面联合限位、圆锥与圆柱组合芯轴，以及长方体工件的定位等，都属于一般的组合定位。工件往往需要利用平面、外圆、内孔等表面进行组合定位来确保工件在夹具中的正确加工位置。在组合定位中，要区分各基准面的主次关系。一般情况下，限制自由度数多的定位表面为主要定位基准面。

① 圆孔面与端面组合定位形式。

这种组合定位形式以工件表面与定位元件表面接触的大小可分为：大端面短芯轴定位和小端面长芯轴定位。前者以大端面为主定位面，后者以内孔为主定位面，如图2-55（a）、（b）所示。当孔和端面的垂直度误差较大时，在端面处可加一球面垫圈作自位支承，以消除定位影响，如图2-55（c）所示。

图2-55　圆柱孔与端面组合定位

② 一面两孔组合定位形式。对于箱体、盖板等类型零件，既有平面，又有很多内孔，故它们的加工常用一面两孔来组合定位，这样可以在一次装夹中加工尽量多的工件表面，实现基准统一，有利于保证工件各表面之间的相互位置精度。

图2-56为插床变速箱体简图，需在镗孔夹具上完成镗五列平行孔系。工件以底面A及两个轴线互相平行且垂直于底面的2×D孔作为定位基面，这种组合定位方式，在加工箱体、杠杆、盖板、气缸体等零件时应用很普遍。工件上的双孔可以是结构上原有的，也可以为定位需要专门设计的工艺孔。本例以原有的螺钉孔经铰削后作为定位基准。

图2-56　插床变速箱体

③ 一面两孔组合定位方案的选择。

第一种方案：以两个等径短圆柱销及一个支承板实现限位[图2-57（c）]。此时，支承板限制三个自由度，短圆柱销1限制两个自由度，仅剩自由度没有限制。短圆柱销2又限制两个自由度，即一个、一个。于是被重复限制，出现了过定位。若要使同批工件都能顺利装入，必须满足下列条件：当工件两孔径为最小（D1min、D2min）、夹具两销直径为最大（d1max、d2max）、孔心距为最大（）、销心距为最小（），或者孔心距为最小（）、销心距为最大（）时，D1与d1、D2与d2之间仍有最小间隙x1min、x2min存在。否则工件在上述极端情况下，根本无法装进夹具，如图2-57（a）、（b）所示，这就是过定位引起的后果。为此夹具不能采用等径的双销，而必须减小销2的直径至d2max，但这样使销2与孔的间隙x2增大，从而导致转角误差Δα（也称角位移误差）增大，定位精度降低。

第二种方案：以一个短圆柱销和一个菱形销及一个支承板限位。从图2-57中看出，使工件的孔心距在极端情况下能装到双销上，若不减小短销2的直径，而采取改变短销2的形状，把销2碰到孔壁的部分削去，只保留一部分圆柱面（见图2-58）。这样，在双销连心线方向上，仍具有减小销2的直径的作用。但在垂直于连心线方向上，由于销2的直径并未减小，故不会增大工件的转角误差，有利于保证定位精度。为保证菱形销的强度，一般采用菱形结构[故也称菱形销，见图2-59（a）～（c）]，削边宽度部分b1可修圆b[图2-59（d）]。

图2-57　一面两孔定位分析（1，2为销）

图2-58　削边销的形成

图2-59　削边销的结构和尺寸

必须指出，装配菱形销时应使其长轴垂直于双销孔连心线。为了装卸工件方便，可使削边销高度略低于圆柱销3～5mm，防止出现卡住现象（图2-60）。定位元件主要由一个大支承板（起主要定位作用）、两个轴线与该板垂直的定位销组成，而此两个定位销一个为圆柱销、一个为菱形销。在这种组合定位中，大支承板限制了工件三个自由度，圆柱销限制两个自由度，菱形销起防转作用，限制一个旋转自由度。菱形销在设计和装配时，其长轴方向应与两销中心连线垂直，正确选择其直径的基本尺寸和削边后圆柱部分的宽度b。标准菱形定位销的结构尺寸如图2-59所示，在夹具设计时可按表2-6所示数值直接选取。