焊接工裝中過(guò)定位問(wèn)題的應(yīng)用與分析

蔣立俏 何向榮

（1.徐工傳動(dòng)科技有限公司，徐州 221000；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司科技分公司，徐州 221000）

在工裝設(shè)計(jì)中，定位和夾緊是兩個(gè)非常重要的因素。定位即為了保證工件被加工表面的技術(shù)要求，必須使工件相對(duì)刀具和機(jī)床處于正確的加工位置。在使用夾具的情況下，要使機(jī)床、刀具、夾具和工件之間保持正確的加工位置。工件定位一般遵循6 點(diǎn)定位規(guī)則，任何一個(gè)工件在夾具中未定位前，都可以看成在空間直角坐標(biāo)系中的自由剛體。它能沿X、Y、Z 這3個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)，用X、Y、Z 表示。它也可以繞這3 個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，被稱為工件具有6 個(gè)自由度。要使工件在某方向上的位置確定，必須限制工件在該方向上的自由度。工件在夾具中的位置完全確定，需要將它的6 個(gè)自由度全部予以限制。因此，可以說(shuō)定位就是根據(jù)加工要求限制工件的自由度[1]。

1 過(guò)定位

從宏觀上講，工件過(guò)定位是指在夾具設(shè)計(jì)中工件的定位點(diǎn)超過(guò)了6 個(gè)點(diǎn)，或者說(shuō)工件有一個(gè)或幾個(gè)自由度重復(fù)受限制，使工件定位不穩(wěn)定。工件在夾緊時(shí)引起變形，影響工件加工精度，導(dǎo)致產(chǎn)生廢品工件甚至無(wú)法安裝，這就是過(guò)定位的惡果。所以，工藝人員在夾具設(shè)計(jì)中要盡可能避免過(guò)定位的發(fā)生[2]。

在工裝的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于過(guò)定位問(wèn)題要具體問(wèn)題具體分析，對(duì)會(huì)引起不良后果的過(guò)定位要進(jìn)行改進(jìn)。有些定位屬于合理重復(fù)定位，而有一些過(guò)定位是要加以應(yīng)用的。

2 過(guò)定位問(wèn)題的幾種應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 門架點(diǎn)焊工裝的定位問(wèn)題分析

如圖1 所示，在門架點(diǎn)焊工裝中，對(duì)于件5 產(chǎn)品梁在Y 方向的定位采用相同的3 個(gè)定位塊。在這種情況下，Y 方向上雖然有3 個(gè)定位塊，但是它們定位是限制相同自由度的，都是Y 正方向的自由度。所以，這一種情況不屬于過(guò)定位，應(yīng)該屬于合理重復(fù)定位。這種方式不需要回避，反而要充分利用。對(duì)于長(zhǎng)梁型元件，在焊接過(guò)程中，由于焊接變形，長(zhǎng)度方向上容易產(chǎn)生變形。如果在長(zhǎng)大梁方向上只有一個(gè)點(diǎn)的定位約束，就無(wú)法控制焊接變形。大的焊接變形往往導(dǎo)致外形尺寸超差，所以這種情況下，在長(zhǎng)度方向上多增加幾個(gè)定位塊反而更加有利，可防止長(zhǎng)度方向上發(fā)生變形。

在叉車的門架拼點(diǎn)工裝中，工件梁5 與套4 已經(jīng)拼焊成小組件。工藝要求梁的底部用墊板定位，也要求套的孔中心定位，如圖1 所示。在這種情況下，工件在Z 向墊板處形成了向上的約束，在軸套處因?yàn)槎ㄐ囊残纬闪薢 向的約束。如果此處Z 向約束向上這兩個(gè)約束只能有一個(gè)起作用，那么要么在底部墊板處形成間隙，要么軸套處無(wú)法貼緊V 形墊板。如果軸套處Z 向約束向下，那么這兩個(gè)約束是相互矛盾的，會(huì)導(dǎo)致安裝過(guò)程中出現(xiàn)相互干涉，或者導(dǎo)致軸套無(wú)法定位于設(shè)計(jì)位置。同樣，在X 方向也出現(xiàn)了兩個(gè)相互矛盾的約束，這就是過(guò)定位現(xiàn)象。

對(duì)于這一過(guò)定位問(wèn)題，通過(guò)分析得出了以下兩種解決方案。

如果產(chǎn)品套與產(chǎn)品梁作為一個(gè)組件事先拼接在一起，那么這一小組件以墊板定位為主，放棄套的孔中心定位，套的位置精度通過(guò)增加套與孔之間配合精度保證，工裝上直接取消V 形定位裝置，如圖2 所示。

過(guò)定位也稱為不合理重復(fù)定位。在工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整工藝方案將不合理重復(fù)定位變?yōu)楹侠碇貜?fù)定位。在門架點(diǎn)焊工裝中，如果既要求梁板定位又要求軸套孔定位，就會(huì)形成過(guò)定位。在門架這一部件中，將大梁和軸套分開作為兩個(gè)零件進(jìn)行拼焊，并且把梁板和孔之間的間隙留到足夠大就可以解決該問(wèn)題。對(duì)于梁板來(lái)說(shuō)，在X 方向只有墊板一個(gè)約束，在Z 方向雖然有3 個(gè)定位塊，但是這3 個(gè)定位塊是約束同一方向的，所以是合理重復(fù)定位。對(duì)于軸套來(lái)說(shuō)，X 方向和Z 方向因?yàn)殚g隙足夠大都不存在過(guò)定位 現(xiàn)象。

相對(duì)于梁的位置精度，軸套的精度是次重要的，最終選擇第一種解決方案。

2.2 一面兩孔過(guò)定位問(wèn)題的分析

一面兩孔定位被認(rèn)為是典型過(guò)定位問(wèn)題，通常的解決方案是將其中的一個(gè)定位銷改成菱形銷[3]。對(duì)于工裝，菱形銷的制作成本高于普通銷，且焊接工裝不需要那么高的精度，可以通過(guò)工裝的改進(jìn)將不合理的重復(fù)定位變成合理的重復(fù)定位。

當(dāng)工件以一面兩孔定位（或稱一面兩銷定位）時(shí)，合理重復(fù)定位條件表述如下。以一面兩孔定位的工件十分常見，加工關(guān)鍵是要保證所有零件都能裝入雙銷內(nèi)。這就必須使孔的中心距誤差δL小于兩孔與銷之間配合最小間隙Xmin與彈性變形量ε 之和[2]，如式（1）所示。這種情況下，可以通過(guò)調(diào)整工裝孔軸間的間隙把不合理的重復(fù)定位變成合理的重復(fù)定位，從而解決過(guò)定位問(wèn)題。

式中：δL為中心距誤差；Xmin1為芯軸Ⅰ與搖臂孔之間的最小間隙；Xmin2為芯軸Ⅱ與搖臂孔之間的最小間隙；ε 為彈性變形。

圖3 為搖臂拼焊工裝。搖臂的工藝流程為拼焊和通焊。機(jī)加工包括鏜孔刮面，孔的加工余量為6。搖臂有3 個(gè)孔，中間孔是很重要的孔，用中間孔和右側(cè)孔即芯軸Ⅰ和芯軸Ⅱ進(jìn)行定位。左側(cè)孔穿芯軸，芯軸不固定，保證上下孔的同軸度。根據(jù)式（1），因?yàn)閺椥宰冃桅?相對(duì)于焊接變形來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，所以去掉ε，式（1）可以簡(jiǎn)化為[4]：

當(dāng)δL滿足以上要求時(shí)，可以把過(guò)定位即不合理重復(fù)定位轉(zhuǎn)化成合理的重復(fù)定位。為了達(dá)到式（2）的要求，可以通過(guò)減小孔距距離的公差δL或者增加定位芯軸與產(chǎn)品孔之間的間隙Xmin1和Xmin2來(lái)獲得。對(duì)于搖臂工裝，芯軸Ⅰ的外徑為d1，和它配合的孔徑為D1(+1/0)；芯軸Ⅱ的外徑為d2，和它配合的孔徑為D2(+1/0)，兩個(gè)芯軸之間的距離為L(zhǎng)，L 的公差可以保證到L±0.3?？紤]到中間孔的位置比較重要，芯軸Ⅱ的尺寸做到d2(-0.2/-0.3)。那么δL=0.6，Xmin2=0.2，若要保證式（2），就要滿足Xmin1≥0.4，所以把芯軸Ⅰ的尺寸做到d1(-0.5/-0.6)。通過(guò)工裝方案的調(diào)整，把不合理的重復(fù)定位變成了合理的重復(fù)定位。這一實(shí)例說(shuō)明，在一定情況下，可以通過(guò)調(diào)整工裝把過(guò)定位變成合理的重復(fù)定位來(lái)解決過(guò)定位問(wèn)題。

2.3 過(guò)定位正常應(yīng)用的分析

在特定條件下，過(guò)定位是一種正常的應(yīng)用。比如，在薄板件拼點(diǎn)工裝中，這種過(guò)定位被廣泛應(yīng)用。如圖4 所示，在骨架焊工裝中，件1 定位塊在Z 方向上有兩個(gè)方向相反的約束，同樣件2 壓塊在Z 方向上也存在兩個(gè)相反方向的約束。

當(dāng)件2 壓緊工件時(shí)，在Y 方向上也有兩個(gè)約束，這就形成了過(guò)定位。過(guò)定位會(huì)造成工件無(wú)法裝夾或者因?yàn)樽冃螌?dǎo)致工件無(wú)法卸下。因?yàn)楸“寮匿摪灞容^薄，自身彈性變形比較大，一般的裝卸力量能夠克服變形力順利裝卸工件，所以不存在以上兩個(gè)問(wèn)題。此外，在薄板件焊接過(guò)程中，因?yàn)榘搴癖容^薄，容易形成大的焊接變形，所以在工裝中適當(dāng)增加定位點(diǎn)的數(shù)量和增加多方向的定位能達(dá)到減小焊接變形的目的[5]。這種定位方式有利于薄板件焊接變形的校正，經(jīng)常會(huì)被加以運(yùn)用。

3 結(jié)語(yǔ)

有些定位方式雖然在同一自由度上超過(guò)一個(gè)約束，但是如果約束方向一致，那么這種情況被認(rèn)為是合理重復(fù)定位，不是過(guò)定位。在有些過(guò)定位情況中，可以通過(guò)調(diào)整工藝方案消除過(guò)定位情況。比如，把小組件拆分為相互獨(dú)立的零件使它們各自定位，這樣既可以保證定位精度，又避免了過(guò)定位造成的負(fù)面影響。在有些過(guò)定位情況下，可以通過(guò)改進(jìn)工裝設(shè)計(jì)把過(guò)定位情況變成合理重復(fù)定位，如調(diào)整裝配間隙。有些工裝有多個(gè)定位要求，要分清主次定位，重點(diǎn)保證主要定位，而可以放棄次要定位或降低對(duì)次要定位的要求。在一些特殊情況下，過(guò)定位是可以加以利用的。多個(gè)數(shù)量和方向的約束可以解決焊接工藝中變形大的問(wèn)題，如薄板件工裝，增加各種定位約束來(lái)達(dá)到減小焊接變形的目的。

在工裝設(shè)計(jì)中，定位原理和規(guī)則是一定的，都是按照六點(diǎn)定位原理運(yùn)用的，但應(yīng)用靈活多樣，在不同情況下要分別對(duì)待。工裝中過(guò)定位的情況多種多樣，有的一定要避免，有的是可以正常應(yīng)用的，有些情況則是可以轉(zhuǎn)化的，要具體情況具體分析。