种用于自动化夹具设计时确定工件夹紧面夹紧点的设计方法，这种方法能够与传统的设计方法同步使用，传统的设计方法是：在加工过程中确定工件的夹持和支承，根据切削刀具正确地定位工件。T. S. Kow 等人在 UG 平台上建立了夹具模块数据库，把常用的夹具模块和选择夹具模块的规则录入数据库，通过人机交互的方式使用这些资料，实现夹具设计的自动半自动化，使夹具设计更高效。B. Li 等人把工件和夹具的每个接触点都模型化为弹性的，能够承受分解为切向和法向的约束力，并能利用牛顿欧拉运动方程式计算有动态切削力的情况下工件在切削点处的最大偏移，通过变换定位点和夹紧点取得最大偏移的最小值，达到了优化夹具布局的目的。Zheng Li, Shun Yun, Liang Steven Y 等人对与装夹变形相关的切削力的估算作了深入的研究，提出了一系列的估算端铣削、侧壁铣削时切削力的估算模型。
对于装夹变形的控制，国内外也有不少相关的研究。南京航空航天大学王志刚，何宁等人在文献中提出使用数控补偿技术，通过数控走刀补偿让刀误差，以达到控制加工精度的目的。同种情况 Budak E 和 Altintas Y 采用变进给控制方法，Devor R E 只提出了优化思想，没有具体提出精度控制方案。同时，M B Behzadi 和 B Arezoo 提出在零件加工中使用辅助固定支承对提高工件刚度具有显著效果。
1.2.3 薄壁零件装夹研究的不足
目前国内外对装夹技术的研究仍然集中在装夹方案的理论分析以及基础理论的研究，着重于在装夹技术中添加新的元件以期达到较好的装夹效果。在传统的方案分析和夹具设计中，主要依靠设计人员的经验和知识面的宽广度，分析和设计结果的可传承性比较低，同样的劳动多次执行、分析设计周期长、效率低，且有些设计错误只能够在产品投入测试阶段之后才能够发现，增加了返工次数。对于装夹方案的测试和评价主要依靠的仍然是实际制造出初步设计的夹具，在现实中对夹具进行各项测试试验，采集所需的评测数据，进而分析和评价装夹方案的优劣。这种使用试验的方法评价装夹方案极其耗费时间，不利于缩短夹具设计周期，从而延长产品的加工制造周期、影响产品的快捷上市、不利于整个产品全生命周期的缩短。由于试验是多方案比较，必定会报废夹具零组件，因而增加产品设计初期的投资成本。有时由于和时间平衡不力，评价试验次数较少，导致对装夹方案的评测不够准确和全面，或者由于采样点的离散性较大导致实验结果的不精确，影响装夹方案评价的准确度。对于一个工件的装夹方案的设计和评价，还需要多人、多部门配合进行，耗费人力物力和财力。目前，精密薄壁零件的夹具设计过程也类似于上述的设计流程，因而也存在相同的缺陷。现行夹具设计流程总结起来有以下一些方面的缺点：
1) 试验评价需要报废非最优或不合格夹具体，导致成本增加； 2) 夹具设计周期长，产品加工制造时间延后，产品全生命周期长；
3) 每次新的装夹方案设计都要重复劳动并比较，经验和劳动成果可重复利用率低； 4) 由于时间关系，对装夹方案的评价不够完全； 5) 试验结果不够精确和全面；
6) 耗费人力、物力和财力。因而迫切需要一种简易、可行、敏捷和实用的装夹方案设计流程和评价体系。
现行夹具设计流程图如图2所示
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图2
第二章 薄壁零件的定位与夹紧研究
2.1 环形薄壁件装夹变形概述 2.1.1 概述
在外力的作用下，固体改变形状，这是固体基本性质之一。固体有抵抗改变其质点间相互位置的能力。当外力作用停止时，固体能消除由外力所引起的变形，这一种特性称之为弹性。当外力作用停止时，固体一般具有较大的永久变形的这一特性称之为塑性。在外力作用除去后，能完全消失的变形称为弹性变形，消失不掉的变形称为永久变形、残余变形或塑性变形。对结构的变形进行矫正，就是使工件的整体结构产生额外变形以消除原有变形的影响，或使结构产生符合所要求的形状、尺寸的变化。装夹变形也就是工件在被装夹的整个过程种所发生的一系列变形。产生装夹变形的外界因素很多，主要有零件的装夹方案、零件加工的切削用量、切削用刀具的参数等。与装夹变形相关的零件内部因素就是零件材料的弹性和塑性，反应为材料参数就是零件材料的弹性模量和泊松比。环形薄壁零件的装夹变形也包括弹性变形和塑性变形。但是由于工件较薄的厚度，沿厚度方向的变形也相对比较大，因而在初期的弹性变形之后产生塑性变形对工件的精度是一个较大的冲击，再加上起初的弹性变形造成的过切或者让刀使工件的加工精度已经严重降低，不能够再经受塑性变形了。为了保证环形薄壁零件的较高的加工精度，应首先考虑零件的零件变形初期的弹性变形，因而本研究主要基于工件弹性变形的范围内对环形薄壁零件的装夹变形进行分析。
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2.1.2 装夹变形的区分
(一) 主要和次要变形的区分原则
工件的变形包括多方面的变形，比如弹性变形、塑性变形。而且这些变形在具体的坐标轴上也可以分解为沿坐标轴方向的变形。对于直角坐标可以分为x、y、z 向的变形，对于柱坐标，可以分为径向变形和切向变形。无论对工件变形的分解如何，分解的主要目的也是为了更好的理清变形对工件加工精度的影响。
根据变形对工件加工精度的影响，把变形分为主要变形和次要变形。主要变形是指那些对工件加工精度影响较大的变形。很多情况下，工件的主要变形是沿加工表面的法向的。工件沿加工表面法向的变形直接影响加工面的加工精度，具体受影响表面参数有：工件实际尺寸、表面平面度、粗糙度，如果是孔面或者轴外表面，则影响的参数有：圆度，跳动公差等。
次要变形是指那些对工件加工精度影响较小的变形。一般情况下加工平面 的工件的次要变形是沿加工面的切向的。
根据以上对于变形的主要和次要变形的分类可知，在一般情况下对装夹变形进行研究时，应该着重于对工件主要变形进行研究，也就是研究沿工件加工面法向的变形。 (二) 变形区分的优点
主要变形和次要变形的区分在研究变形对工件加工精度的影响上有重要意义，能够节约变形分析和计算的时间。在使用数值方法，比如有限元法，单一计算工件的变形时，只需要计算工件的主要变形即可，可以大大降低计算时间，提高计算效率。在有限元方法计算变形过程中，对于复杂零件划分网格生成的节点单元数以万计，计算一次变形耗费时间已经很长，在以变形大小作为目标函数的优化运算中，每生成一组新的设计变量，就需要做一次变形计算，可想而知在优化运算中多次计算变形需要的计算时间。主次要变形的划分则可能很好的解决这个问题。运算中只生成和保存主要变形，次要变形在失去中间变量的作用后直接删除，最大限度的除去冗余数据，提高计算效率，降低时间消耗。
2.1.3 装夹变形的计算方法
工程和机械结构的力学分析方法可分为解析法和数值法两类，它们都可以用于计算精密薄壁零件的变形，常见的分析方法如图3所示。
解析法是经典理论的求解方法，其解法是首先建立工程问题的微分连续方程，然后通过解方程得出工程问题的解析解。解析解在系统的任何点上都是精确的。但是由于在众多的工程问题中，越是复杂的问题越是难以建立连续的微分方程。解决方法之一就是，建立微分方程之前首先设法简化结构物的外形等，使它能达到用解析法求解的地步，求得线性近似解之后，再引入一定的安全系数以确保结构物安全。但这样的解决办法远离了结构物真正的变形情况，所求得的解析解只是近似解。为了求得更加准确的这些复杂问题的解，通常采用更为有效的数值计算方法来解决工程问题。
数值方法是通过拟合离散的点代替原连续空间的值从而简化求解的建模，便于求解所需要的值，比如位移、应变应力、场等问题。任何数值解法的第一步都是离散化，也就是说，将求解的对象分为若干小的区域和节点。数值解只是在节点上才近似于解析解，在离开节点的任何点都需要使用插值函数来计算近似解。数值解常分为两大类：有限差分法和有限元方法。
有限差分法，需要针对每一节点写出微分方程，并且用差分方程代替偏微分方程，从而得到一组联立的线性方程组，求解此方程组即可得到节点的数值解。有限差分方法对于较简单的问题是易于理解和应用的，但是使用该方法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题，对于具有各向异性特性的问题也是如此。相比之下，有限单元方法
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是使用积分方法而不是微分方程来建立系统的代数方程组。而且，该方法用一个连续的函数来近似描述每一个单元的解。由于内部单元的边界是连续的，因而整个问题的解就可以通过单个解连接或组装起来，实现解的近似连续性。使用有限元方法分析和计算精密薄壁零件的变形，既可以解决有限差分方法对于复杂边界条件的不适应，也可以避免建立工件连续微分方程的困难性，同时可以充分利用有限元方法数值解的连续性，使复杂工件解值更加贴近实际值。
图3 力学分析方法关系列表
2.2 薄壁零件的定位研究
工件的定位就是使工件多次重复放置到夹具中时都能占据同一位置。对一批工件来说，就是每个工件放置到夹具中时都能占据同一位置。如何保证一批工件在夹具中位置的一致性，是工件定位的实质问题。工件在夹具中的位置由定位件决定。工件在定位时应解决两个问题：首先应解决工件位置“定与不定”的问题，也就是根据工序的加工要求，如何使工件在夹具中占有一确定的位置。这个问题可以根据六点定位原理，通过消除工件相应的“自由度”来解决；其次是解决工件定位中的“准与不准”的问题，也就是如何保证工件有足够的定位精度，使一批工件逐个放置夹具中的实际位置能保证足够的一致性。这个问题需要通过选择合理的定位基准、选择和设计相应的定位元件来解决。 精密薄壁零件装夹方案中的定位与一般工件的定位是相同的，都需要解决工件的“定与不定”和“准与不准”的问题。需要注意的是由于精密薄壁零件局部刚度较小，在“准与不准”的问题上需要综合考虑定位基准、定位元件以及定位后的夹紧力的施加等因素，从而通过优化等手段配置定位、夹紧和支承元件的最佳组合。
2.2.1定位的基本原理
由理论力学可知，一个在空间处于自由状态的刚体，具有六个自由度，即：沿三个互相垂直的坐标轴的移动自由度和绕此三轴的转动自由度。当对工件没有采取定位措施时，工件在夹具中的位置将是任意的。因此，对一个工件来说，其位置将是不正确的，对一批工件来说，其位置将是变动的、不一致的。定位的首要任务，在于消除工件的这种代表位置不定的自由度，也就是说要使工件在夹具中的位置按照一定的要求确定下来，将必须限制的自由度一一予以限制。六点定位原理是工件定位最基本的定位方式之一。由于工件的定位就是要使工件在夹具中占有一确定的正确的加工位置，因此工件的六点定位就是要使工件在夹具中占有一确定的位置，也就是在空间直角坐标系中确定刚体的六个坐标参数。其基本原理是：用按一定要求的分布在三个相互垂直平面上的定位 支承点或相当于支承点的定位件与工件紧密贴合或配合，以限制工件在空间的六个自由
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度，使工件在夹具中占有一确定的位置。当用定位支承点去限制工件在空间的自由度时，定位支承点必须与工件定位基准始终保持紧密贴合(接触)精密薄壁零件装夹变形的分析与控制研究或配合，不得脱离。若二者一旦脱离，就表示定位支承点失去了限制自由度的作用(也即失去定位作用)。
2.2.2定位的约束分析
定位约束是用于限制工件六个自由度的。根据定位元件对工件六个自由度的限制，可以将定位划分为完全定位、不完全定位、欠定位和过定位四个种类。
工件在夹具中定位，若六个自由度都被限制时，称为完全定位。很多情况下，工件在加工中的定位都需要限制六个自由度，即应该采用完全定位。
工件在夹具中定位，若六个自由度未被完全限制时，称为不完全定位。根据工件加工前的结构形状特点和工序加工要求，又可分为两种情况：第一种是由于工件的加工要求，工件在定位时允许保留某些方面的自由度不被限制。第二种情况是由于工件加工前的结构形状特点，无法也没有必要限制某些方面的自由度。在保证工件位置精度的前提下，不完全定位可以减少夹具元件，简化夹具结构。
工件在夹具中定位时，若几个定位支承点重复限制同一个或几个自由度时，称为过定位。在过定位情况下，被加工工件在夹具中以两个或两个以上的组合表面作为定位基准定位，由于工件各定位基准面之间存在误差，夹具上各定位件之间的位置也不可能绝对准确，因而过定位就会造成不良后果：使工件位置不确定，增加了同批工件在夹具中位置的不一致性；使工件和夹具产生夹紧变形，影响加工精度；导致部分工件无法安装而不能进行加工，因此，在确定工件定位方案时，应尽量避免采用过定位。
虽然工件在夹具中定位时，一般情况下要避免产生过定位，但是如果工件定位基准和夹具定位件都具有较高的形状和位置精度，过定位不仅是允许的，而且还会带来一定的好处，因而在实际生产中亦可以合理应用。尤其对于刚度较差的工件，为了减小切削力和夹紧力造成的变形，经常采用过定位。精密薄壁零件的特点就是刚度差，在切削力和夹紧力的作用下极易产生大变形，影响工件的加工精度。因而使用过定位对精密薄壁零件来说会带来一定的好处：增强了工件在加工中的刚度，减小了由切削力和夹紧力作用下产生的变形，提高了加工精度。根据文献的研究，精密薄壁零件采用过定位不仅是可行的，而且有时还很必要。
工件在夹具中定位时，如果一个夹具的定位结构所限制的工件自由度，少于位置精度必需要限制的自由度，就会产生定位不足，称为欠定位。欠定位情况下，工件位置精度不能保证，欠定位是不允许的。欠定位和不完全定位是有区别的。不完全定位情况下，不需要限制的自由度并不影响工件加工的位置精度。比如在图4中，在圆形工件距离轴线 25mm 处加工一孔。由于圆形对称，零件不需要限制绕 Z 轴的转动，因而工件只要限制五个自由度，这种定位方式仍然能够满足加工孔的精度要求，这就是不完全定位。如果工件需要限制五个自由度 X、 Y 、Z、X、Y，但是实际的装夹只限制了四个自由度 X 、Y 、Z、X，少限制了自由度Y ，这种情况即是欠定位。由于欠定位的Y 自由度没有限制，因而不能保证孔的轴线与零件轴线的平行度，所以欠定位是不允许的。
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