ホイールフレーム部品には通常、寸法や幾何公差などの高い技術要件があります。 従来の片側2ピン位置決め方式はすきまばめ方式のため、位置決め誤差が大きく部品加工精度が不安定でした。 オーバーポジショニングには 2 つの側面があります。 一方で、これは 6 点位置決めの原則に違反し、クランプと位置決めに影響を与えます。 一方で、正しく扱えば部品の剛性や加工精度を向上させることができます。 オーバー位置決めを正しく解析し処理することで、ワークの搬入出に影響を与えることなく、位置決め精度を向上させることができます。 これは、オーバーポジショニングの治具を合理的に設計するための鍵です。 UG NXソフトウェアの組立・動作シミュレーション機能により、各位置の丸穴の位置決め誤差に対するはめあいクリアランスの影響を直感的に表示できます。 位置決め誤差を改善した二重拡張2ピン構造により位置決め精度は向上しましたが、限界もあります。 多孔質ホイールフレームワークの場合、片側2ピン位置決め方式よりも合理的な片側3ピン位置決め方式の方が、より高く安定した位置決め精度を実現できます。
1 はじめに
オーバーポジショニングとは、ワークの自由度を2倍以上制限することを指します。 オーバーポジショニング現象は、硬いワークピースを正しく取り付けることができなくなる可能性があり、可能な限り回避する必要があります [1]。 2ピンクランプおよび位置決めプロセスで使用される位置決めピンは、リジッドピンとフレキシブルピンの2つに大別されます。 硬いピンにも柔軟なピンにも限界があります。 片側2ピン構造のギャップタイプの嵌め合いにより、加工精度が制限されます。 片側の柔軟な 2 つのピンは製造が面倒でコストがかかります。 また、片側2ピンでは適用範囲が限られており、ホイールフレームなどの多孔質部品の加工には対応できません。 立形マシニングセンタにおける多孔質部品の位置決め精度をいかに確保するかは検討すべき課題である。
2 片側 2 ピンの制限
2.1 片側2ピンのギャップタイプ
従来のギャップタイプの片側2ピン構造で、剛性の高い位置決めピンを使用しています。 オーバーポジションを避けるため、円筒ピンと刃先ピンを使用しています。 位置決め原理は円筒ピンの位置決めとダイヤモンドピンの向きです。 円筒形の位置決めピンは、ワークピースの X 方向と Y 方向の動きの自由を制限し、主な位置決めの役割を果たします。 ダイヤモンド位置決めピン (エッジカットの目的は、ピン穴のギャップを増やし、ワークピースの穴の間隔の誤差と治具のピンの間隔の誤差を補正することです。取り付けるときは、それが非エッジであることを確認する必要があります) 2 つの穴の中心を結ぶ垂直線の方向の円柱）は、Z 軸を中心としたワークピースの回転の自由を制限するだけであり、通常は角度位置決めの役割を果たします。 水平方向のプロセス寸法のデータム変位誤差は、通常、円筒形のピン穴の位置決めペアによって決まります。これは主に、円筒形の位置決めピンに対するワーク上の主位置決め穴のランダムなふらつきと浮きが原因です。 垂直方向のデータム変位誤差は、2 つの穴の中心に関係します。 接続線は X 軸の角度に関係し、フィクスチャの位置決めピンとワークの位置決め穴の間のギャップによって生じるワークの角度誤差によって決まります。
従来のギャップタイプの片側2ピン構造では位置決めのオーバーは回避できますが、端切りピンの位置決め穴での位置決め誤差が大きくなります。 図1に示すように、最大限界サイズの基準穴と最小限界サイズの位置決めピンが合致する場合、ピン穴接触線は2つの穴を結ぶ線の両側に位置し、限界角度のたわみが発生するとき2 つの穴を結ぶ線と 2 つのピンを結ぶ線の間にあると、最も不利な位置決め条件が発生し、穴の位置が公差外になりやすくなります [2]。
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図 1: 片側 2 つのピンの回転誤差
ランダムフローティングによる基準変位誤差や回転角誤差を低減するには、ピン穴の合わせズレをなくす、つまり位置決め穴とピンの寸法偏差を小さくする必要があります。 しかし、工作機械の加工精度によっては、ワークや治具の精度向上には限界があります。 穴ピッチ公差や穴径公差は小さいほど加工が難しくなりコストも高くなりますし、はめあい隙間が小さすぎるとワークの搬入出に大きな支障をきたします。 図1より、穴とピンのすきまが一定の条件下では、2つの穴間の距離Lが長くなるほど回転角度誤差Δφが小さくなり、回転角度に起因する位置決め誤差が相対的に小さくなることがわかります。
2.2 片側2ピン拡張タイプ
実際の生産現場では、位置決め精度の向上やワークの搬入出を容易にするため、片側2ピンの伸縮可能な構造がよく使われます。 片側の拡張可能な2ピン構造は、最初にピン穴のギャップを使用して柔軟にクランプし、次にピンの拡張機構を使用して位置決めピンを拡張することで、ピン穴のマッチングギャップを排除し、コーナー誤差を低減します。 同時に、位置決め穴の間隔と位置決めピンの間隔の差により、位置決め穴の拡大によりワークがわずかに移動し、間隔の差が効果的に均等化され、精度が向上します。加工穴の位置精度。 また、片側拡張可能な2ピン構造を採用することで、設計要件を満たしながらワーク位置決め穴の加工精度を下げることができ、生産コストを削減できます[3]。
位置決めピンの拡張構造は、主に位置決めの役割を果たす円筒形の位置決めピンと、ワークの角度誤差を制限するエッジカットピンに対応し、全円拡張と数点拡張の2種類があります。 拡張可能な片側2ピン構造は、シングル拡張タイプとダブル拡張タイプに分類できます。
片拡張タイプの片側2ピン構造において、主に位置決めの役割を果たす円筒形の位置決めピンは、通常、外拡張タイプとして設計されており、ワークの中心の位置決め穴の径が大きく、ワークの中心の位置決め穴の径が大きい場合に使用されます。角度位置決め穴の直径が小さくなります。
片側2ピン構造の2倍拡張タイプは、ワークの中心位置決め穴と角度位置決め穴の径がともに大きい場合によく使用されます。 一般的な片側2ピンの二重拡張構造は歯付きフラップ拡張構造を採用しており、両方の位置決めピンは高品質のばね鋼で作られています。 新しい二重拡張タイプの片側 2 ピン構造は、内部キャビティにフローティング媒体が取り付けられた薄肉の位置決めピンを主に使用しています。 浮遊媒体には、固体球、ペースト、液体が含まれます。 液体プラスチックの薄肉位置決めピンを例にとると、圧力ねじがスライディングカラムを介して薄肉拡張スリーブ内の液体プラスチックを加圧すると、位置決めピンの内部空洞内の液体プラスチックが耐える圧力を均一に伝達します。これにより、薄肉の位置決めピンが塑性変形して径方向に広がり、位置決めピンの軸と中心穴が一致し、位置決め誤差を低減するという目的が達成される。 ワークピースの加工後、薄肉拡張スリーブ内の圧力が減圧され、位置決めピンがワークピースから分離されます。
2.3 片側2ピン構造の限界
片側2本のピンの位置決め工程は、ピンと穴ワークの組立工程とも言えます。 したがって、UG NX ソフトウェアを使用してピンと穴を組み立て、片側に 2 つのピンを配置する方法をシミュレートできます。 ステンレス製の回転盤を例にとると、φD1の同軸穴が両端面にN個（奇数個）均等に配置されており、中心はφD2の大きな貫通穴になっています。 ピンと穴のアセンブリには UG NX ソフトウェアが使用されます。 ツーリングとワークピースの間には 3 つの接触制約があります。すなわち、ベース プレートとワークピースの間の端面接触、および 2 組のピン穴の間の接触です。 多孔質ワークピース内の 2 ピン位置決め構造の位置決め誤差増幅現象をより直観的に示すために、2 対の円筒形ピンと穴の間のマッチング ギャップを 3 mm に設定します。
図2に示すように、分布円上の中央の大穴Q1と小穴Q2を基準にすると、ピンと穴シリンダの位置がずれていても一致する隙間があるため、部分接触の場合でも、ワークピースは狭い範囲内にある可能性があります。 内部フロート。 ２つの位置決め穴に加えて、回転ディスクの分布円上の残りの２つの穴Ｋ３、Ｋ４の位置誤差は、２つの位置決めピン穴Ｑ１、Ｑ２との相対位置により大きさが変化する。 図 2 より、分布円上の小穴 K3 と K4 の位置決め誤差は、ピン穴の嵌合ギャップを 3 mm はるかに超えており、嵌合ギャップに比べて位置決め誤差が増幅されていることが直感的にわかります。 。 センター穴と分配サークル上の小穴を使用する場合 穴の片側2ピン位置決め方式では加工要件を満たせません。
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図2：中心穴と外周穴の位置決めにおける誤差増幅現象
図 3 に示すように、回転ディスクの分布円上の 2 つの小穴 Q2 と K4 をベンチマークとして使用すると、本方法のピン間隔が従来の方法よりも大きいことが明らかです。 ピン間隔が広くなり回転角度誤差は相対的に減少しますが、残りの2つの穴Q1、K3の位置誤差は依然としてマッチングギャップを3mm超えており、穴の位置がずれて誤差が生じる現象も発生しています。位置決めエラー。 このような片側 2 ピンの配置では、依然として技術要件を満たすことができません。
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図3 2重円周穴位置決めにおける誤差増幅現象
片側2ピンの二重展開構造であっても、治具の位置決め部品の製造工程では、測定・製造・組立などの系統誤差が必ず発生します。 治具自体の製造誤差により、ピンとシャフトの軸が完全に一致することはありません。 同時に、2 つのピン間の接続の垂直方向ではありますが、嵌合ギャップがなくなるため、角度誤差が減少します。 2本のピンを接続する方向では、ピン、穴間隔基準の違いは、ワークのわずかな変位により均一化されますが、位置決め誤差は剛性のある円筒ピンに比べて減少するだけであり、ゼロにすることはできません。 。 そのサイズは、製造時の治具自体の形状、位置、寸法精度によって異なります。 2 つの位置決め穴を除いて、他の穴の位置決め誤差は、位置決めピン穴に対する相対的な位置によって依然として変化します。 片側2ピンに対して位置決め誤差が増幅される傾向が依然としてあり、公差外現象が発生します。
3 オーバーポジショニングの二面性分析
オーバーポジショニングの現象により、剛性のあるワークピースを正常に取り付けることができなくなる可能性があります。 ただし、特定の条件下では、オーバーポジショニングを合理的に使用すると、良好な結果と明らかな利点が得られる場合があります。
薄肉ワーク、細い棒や位置決め基準となる平面が大きいワーク、大型部品など、剛性が弱く高精度が要求されるワークには、オーバー位置決めクランプの方が有利です。 剛性の低いワークの場合は、変形しやすい箇所を極力抑える必要があります。 加工時の切削抵抗による変形を防止し、位置決めやクランプの剛性を高め、加工工程の安定性を確保し、加工精度を向上させることが目的です。
長軸ワークを回転させる際、ワークの一端を3本の爪でクランプし、他端をテールチップで支持します。 Y 方向と Z 方向におけるワークピースの動きの自由度が 2 倍制限されるため、オーバーポジショニングが発生します。 チップレスサポートに比べ、接触面積とクランプ信頼性が増加し、ワークの剛性が強化され、加工がスムーズに進み、ワークの加工品質と効率が大幅に向上します。
フライス加工では、3 つの支持点が平面を定義し、4 番目の支持点は ABC と完全に同一平面上にあることはできません。 4点固定面がオーバーポジションになっています。 しかし、実際の生産では、相互の位置精度がより優れた複数の面が同時に位置決めの基準として使用され、オーバー位置決め手法が形成されることがよくあります。 このオーバーポジショニング方法は、クランプの信頼性とシステムの剛性を向上させるだけでなく、薄肉ワークピースの応力変形を改善し、それによって製品の加工品質をより確実に保証します。 4 番目の支持点を削除し、過剰な配置方法を排除すると、逆効果になります。
つまり、位置決め方法によっては、形式的にはオーバーポジションとなるが、自由度制限を繰り返した位置決め支点間に実質的な相互干渉や衝突がないか、干渉はあっても許容範囲を超えないものがある。ワークの限界です。 要件に応じて、この種の過剰な配置は許可されます。 つまり、位置決めデータとして加工精度の高い精密データムを用いると、位置決めデータの誤差が小さく、ワーク位置の変動も小さい範囲で許容される。 この種のオーバーポジショニングは形式的なオーバーポジショニングにすぎず、発生が許可されています [4]。
測位を使用する場合は、次の 3 つの点に注意する必要があります。
1) 位置決め基準の誤差は、過剰位置決め干渉結果の望ましくない度合いを決定します。 位置決めデータの誤差が大きいほど、干渉変形が大きくなり、悪影響が大きくなります。 したがって、位置決め基準自体の誤差を低減するために、ワークとして使用される位置決め基準穴の寸法および幾何学的精度に対するより高い要求が求められる。
2) ワークの搬入出に使用する力は適切であり、局部的な変形や接触応力は技術的要求の範囲内に制御する必要があります。
3) オーバーポジショニングフィクスチャシステムでは、位置決め部品の数がフィクスチャシステム全体の総合的な偏差に影響します。
4 片側3ピンオーバーポジションの応用例
先ほどのステンレス回転板は全高210mmで断面がI型です。 両端面にφD1の小穴が同軸で均等にN個（奇数個）あり、中央にφD2の大きな貫通穴があります。 このワークピースは溶接構造部品であり、小さな穴の上軸と下軸の間、均一な円軸と大きな穴の軸の間、および大きな穴に対する小さな穴の位置には高い要件があります。 立形マシニングセンタで加工する場合、上層と下層の間の小穴に高い同軸度が要求されることが難点です。 延長工具を使用して片端からボーリング加工を行うことで技術要件を確保できますが、延長ボーリング工具は仕様が多く、工具コストが高く、加工中に振動が発生しやすく効率が高くありません。 したがって、より現実的な加工ソリューションは、特殊治具の U ターン加工を使用することで、必要な短いナイフの数が少なくなります。 U ターン加工計画を成功させる鍵は、旋削加工中のクランプと位置決めの精度が技術要件を満たしている必要があることです。
前述したように、位置決めデータとして微細データを使用すると、オーバー位置決めが許容され、位置決め精度が向上する。 立型マシニングセンタで回転テーブル第２面の穴を加工する場合、片側３ピンの位置決め構造でクランプが可能です。 ツールの底面とその上の 3 つの円筒ピン軸が位置決め基準として使用され、ワークは穴とピンのクリアランスに基づいています。 ツーリングベースプレートに適合する方法で取り付けられます。 ワークの XY 変位と Z 軸周りの回転は、3 対のピンホール位置決めペアによって同時に制限されます。 オーバーポジショニングの使用条件は上記 3 条件に従い、治具ベースの製作とロータリーテーブル第 1 面の小穴加工には高精度立形マシニングセンタを使用し、ピン間隔とピンの間隔の差を小さくする必要があります。穴の間隔。 マシニングセンタは高い位置決め精度（位置決め誤差｛｝｝｝.01mm以下）を持っています。 したがって、ピン間隔と穴間隔の大きさの違いや形状誤差は無視できます。 位置決め精度に影響を与える唯一の要素は、ピンと穴の間のクリアランスの一致です [5]。
引き続き UG NX ソフトウェアを使用して、片側の 3 つのピンの位置決めとクランプのプロセスをシミュレートし、3 番目のピン穴のペアに接触拘束を追加します。 図４の組立ナビゲータからわかるように、多孔質ワーク２の位置状態は「半黒、半白」の小円となり、ワーク２が部分的に拘束された状態にあることを示している。 アセンブリツールバーの拘束ボタンをクリックし、カーソルをワークピースに移動し、押したままマウスを回転させます。 ワークピース上の 3 つの小さな穴はそれぞれ、接触している円筒ピンの周りを同時に回転します。 実際、ワークピースは完全に拘束されていない状態にあります。 明らかに、UG NX ソフトウェアの助けを借りれば、3 ピン構造のワークピースが浮いているとき、小さな穴の中心によって形成されるリングの直径が嵌合ギャップを超えず、その組み合わせが直観的にわかります。 3つの制約によりワークの中心が大きくなります。 穴は狭い範囲内でしか浮くことができません。 では、ワーク中心の大穴の位置誤差はどのくらいでしょうか？
