图4
2.2.3定位方案的分类
薄壁件的定位主要包括两个方面，一是零件在夹具中的定位，二是夹具在机床上的定位。本文主要研究的是精密薄壁件在夹具中的定位及其夹紧。
(一)精密薄壁件常用的定位方法
根据常用的定位基准的分类，精密薄壁零件件的常用的定位方法有：零件以平面定位、零件以圆柱孔定位、零件以外圆表面定位等。
1) 以平面定位。平面定位的形式主要是支承定位。支承定位的元件分为固定支承、可调支承、自位支承和辅助支承四种。支承位置固定的支承称为固定支承。固定支承有支承钉和支承板的形式。固定支承板多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉。支承位置可以调整的支承称为可调支承。当工件定位表面不平整以及工件批与批之间毛坯尺寸变化比较大时，常使用可调支承。有时可调支承也可用作成组夹具的调整元件。自位支承在定位过程中，支承本身可以随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应。自位支承一般只起一个自由度的定位作用，即一点定位。辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，它不起定位作用。辅助支承主要用来在加工过程中加强被加工部位的刚度。
薄壁零件的定位基准面一般都是法向变形较大的面，因而在定位面确定之后，布置定位元件于定位面上时应考虑尽可能增大定位面的刚度。如果是点定位，可以考虑在必要的定位点个数之外增加辅助支承点；如果工件的定位面是经过精加工，且能够使用基础板或者使用面接触代替定位点作为定位元件，应该尽可能的使用基础板或具有面接触的定位元件进行定位。
2) 以圆柱孔定位。工件以圆柱孔定位大多属于定心定位(定位基准为孔的轴线)，夹具上相应的定位元件是心轴和定位销。
i. 心轴定位。心轴为四点定位，即限制工件除绕心轴转动和沿心轴自身轴线移动以外的 4 个自由度。某些心轴还能够在定位的同时将工件夹紧，使用方便。由于精密薄壁零件刚度差，在使用这些心轴同时进行定位和夹紧时，心轴的尺寸公差应比普通工件更加严格，以防止过大的心轴误差产生较大的夹紧力，使薄壁工件的孔沿径向产生较大变形，从而影响加工表面的加工精度。
ii. 定位销 定位销分为圆柱定位销、菱形销和圆锥定位销。圆柱定位销限制工件 2 个移动自由度，菱形定位销限制 1 个移动自由度，而圆锥定位销限制工件 3 个移动自由度。精密薄壁零件中使用定位销的孔轴线一般在工件厚度方向，因而定位销对精密薄壁零件的影响等同于普通零件。
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3) 以外圆表面定位。工件以外圆表面定位有两种形式：一种是定心定位，另一种是支承定位。工件以外圆表面定心定位的情况与以圆柱孔定位的情况相似，只是定位元件不一样，使用套筒或者卡盘代替心轴或柱销，以锥套代替了锥销。薄壁工件外圆表面定心定位尽量使用接触面较大的套筒和锥销，若使用卡盘定位，可以在卡盘和工件的接触之间垫一块具有一定精度的垫块，垫块与工件外圆接触面积应大于卡盘与工件外圆的接触面积。工件以外圆表面支承定位的常用元件是 V形块。 (二)正确配置定位基准、支承点，以提高定位的精度和稳定性
在确定定位方案时，除了将所需要限制的自由度予以恰当的限制外，还要保证工件定位的稳定性和必要的定位精度。为此，一方面要正确地选择工件的定位基准，另一方面要合理地配置定位支承点。合理地配置定位基准和支承点是精密薄壁工件定位方案设计中装夹变形分析的重点。对于普通工件，尤其是刚度较大的工件，定位点、支承点的配置对工件加工过程中的稳定性影响较大，而对工件刚度的影响微乎其微，在工件刚度足够的情况下甚至需要校核夹具的刚度，比如螺栓旋紧情况下校核 T 型槽的刚度。但是对于精密薄壁零件，夹具的刚度一般都是大于工件刚度，因而在对工件和夹具系统进行校核的时候，主要校核的就是工件的稳定性和刚度。而对工件刚度校核的一个主要要求就是：在特定的定位基准和支承点配置下，施加适当的夹紧力(包括初始夹紧力和切削过程中的夹紧力)和估算的切削力时，工件加工面的装夹变形和让刀变形最大值不能大于加工要求的规定值。 2.3 薄壁零件的夹紧 2.3.1 夹紧设计的基本要求
环形薄壁件属于低刚性工件，若对其内控在车床上进行车削加工，应用普通的三爪自定心卡盘进行径向夹紧时，容易发生工件的夹紧变形，如图5a所示。若用普通三爪自定心卡盘直接夹紧薄壁套筒，会将套筒夹成如图5b所示的三棱形；若在夹紧变形的情况下将内孔车圆，如图5c所示，则当卡爪松开后，套筒的内孔会由于弹性回复变形而形成三棱形状的内孔，如图5d所示，所以有必要对其进行夹紧研究。
图5
加工过程中，工件受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用，为了保证工件可靠地夹紧在定位元件上，工件除定位外，还必须将之夹紧，对夹具中夹紧机构的基本要求是：a)夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确位置；
b)夹紧力要足够使工件在加工过程中不致产生移动、转动或发生振动，不能过大导致工件表面压坏(尤其是经过加工的表面不能出现印痕)或使工件产生变形； c)夹紧机构要操作方便，节省操作工人劳力，保证安全；
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d)夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。针对薄壁零件刚度差的特点，特别要求：
a)夹紧力大小除了普通要求的不使工件产生移动、转动的下限或引发振动的区域外，应该增加不能使工件过大变形的夹紧力上限；
b)夹紧位置应该与定位位置、支承位置相对应，以期达到最佳配置，从而最小化工件加工中的装夹变形；
c)夹紧力的方向应该尽量避免与装夹变形方向一致，最好是与之相反以抵消变形量。 2.3.2 夹紧力方向的合理确定
确定夹紧力的方向时，一般应掌握以下要点： 1，
主要夹紧力的方向应尽量指向工件的主要定位基准表面：
工件在定位中常选择幅面较大，安装稳定的表面作为主要定位基准面。夹紧力的方向指向工件主要定位基准面有助于工件在此基准面上的稳固接触，保证工件的定位质量。夹紧力指向主要定位基准面，也可以增大工件与定位基面间的摩擦力，有利于工件的夹紧可靠性。
2，夹紧力的方向应尽量与切削力，重力方向保持一致：
使夹紧力的方向与切削力，重力方向尽量相一致，可以借助于切削力和工件的重力承担一部分夹持力作用，此时所需的夹紧力最小。当切削力P和工件重力G使工件压向安装基面时，可在此表面上产生一部分摩擦力，有助于工件所需夹紧力的减小。 3, 夹紧力的方向应尽量施于工件刚性较强的方向：
不同结构及形状的工件，其不同方向上的刚性不同，为尽量减小夹紧变形，应尽量选择工件刚性较强的施力方向夹紧工件。特别是对于刚性较差的薄壁件，细长件等，更应注意。
4，夹紧力的作用线应分布于工件有效支撑面范围以内，以防止工件发生倾覆： 如图6所示，当夹紧力的方向掌握不好，使其作用线分布于工件有效支撑面范围以外时，如图6a所示，会引起工件的失稳和倾覆。应把力的作用线调至工件支撑范围内，即可保证工件的稳定安装。图7a所示的夹紧力施加在工件有效支承面的范围之外，会造成工件倾覆。如果把夹紧力施加在工件的支承范围之内，如图7b所示，工件的夹紧就比较稳固。
图6 夹紧力作用线应分布于支承范围内
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图7 夹紧力的作用部位选择 2.3.3 夹紧力作用点的合理确定
1，夹紧力作用点应选择工件刚性较好的部位：
夹紧力的作用点应选择在使工件夹紧变形小的凸缘，耳座，肋，隔板等刚性较好的部位。只有选择这些部位，才能使工件夹得实，压得牢；同时，所产生的夹紧变形也较小，图8a的夹紧方案把作用点选在工件刚性最差的薄壁空腔顶部的中央，会造成工件顶部较大的压紧变形；图8b把夹紧点设置在工件底部的凸缘处，夹紧变形就很小；图8c表示工件无压紧凸缘可利用时，可以利用浮动压板，把夹紧点分散到肋板和箱壁厚度较大处，可以有效减小压紧变形。
图8 夹紧力的作用点要合理选择 2，
夹紧力的作用点应尽量靠近工件要加工部位：
夹紧力作用点越靠近加工部位，加工振动越小，切削越平稳，加工质量越高。如图9所示的工件在夹具角铁上定位进行镗孔加工。由于被镗孔的轴线相对工件左端面有较严的垂直度公差要求，工件的定位选择左端面A作为主要定位基准面，并且使夹紧力W保持
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垂直于工件的左端面，而把工件压紧在夹具角铁的垂直表面A上，如图8a所示，可以保证刀具镗孔走刀路线相对A面的垂直精度，从而保证镗孔轴线相对工件左端面垂直度的公差要求。图8a表示夹紧力保持水平方向，将工件压紧在夹具的垂直定位面上，从而保证了镗出的孔轴线与工件侧面间的垂直度。若夹紧力未设置在此方向，而是采用图8b中的垂直方向，把工件直接压紧在夹具角铁的底板表面上，使夹紧力W不再指向工件的左端面，则由于工件底面与左端面间不可避免的垂直度误差，会造成被压紧后的工件的左端面不再与夹具B面保持垂直状态，而具有一定的误差。在这种条件下镗出的孔，其轴线可与夹具B面（即工件底面）保持良好的平行关系，但却不能保证孔轴线相对左端面的垂直度公差要求。
图9 夹紧力方向的选择
2.3.4 夹紧力的计算及相关实例
夹紧力的计算方法一般是将工件作为一受力体进行受力分析，根据静力平衡条件列出平衡方程，求解保持工件平衡所需的最小夹紧力。在受力分析时，考虑在工件的加工过程中，工件承受的力有切削力，夹紧力，重力，惯性力等，其中切削力是一个主要力，计算夹紧力时，一般先根据金属切削原理的相关理论计算出加工过程中可能产生的最大切削力（或切削力矩），并找出切削力对夹紧力影响最大的状态，按静力平衡求出夹紧力的大小。
实际夹紧力的计算公式为：Fj?kFj0
安全系数k值的取值范围为1.5～3.5，视具体情况而定。精加工，连续切削，切削刀具锋利等加工条件好时，取k?1.5～2；粗加工，断续加工，刀具刃口钝化等加工条件差时，取k?2.5～3.5.
下面以车削为例，计算其典型加工情况下常见夹紧方式的夹紧力。
图10是在车床上用三爪自定心卡盘定位夹紧加工外圆柱面的情况。以工件为受力单元体并且在垂直工件轴线的平面内求力矩平衡（设主切削力为Fc，每个卡爪的径向夹紧力为Fj0，则卡爪与工件之间的摩擦力为fFj0）,于是有平衡方程：
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