航空制造業(yè)一直在面對產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期、生產(chǎn)管理等嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，航空工業(yè)還作出了打造“數(shù)智航空”新業(yè)態(tài)的戰(zhàn)略部署。必須由傳統(tǒng)加工向自動(dòng)化、數(shù)字化加工轉(zhuǎn)型。從頂層設(shè)計(jì)到具體工藝，極其注重整體生產(chǎn)工藝優(yōu)化的可持續(xù)性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)突破以數(shù)控機(jī)床投資優(yōu)化為主導(dǎo)的傳統(tǒng)理念，進(jìn)一步在提升機(jī)床利用率、自動(dòng)上下料等方面動(dòng)腦筋，以小博大。
南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院李亮教授曾指出：“隨著智能制造理念的實(shí)踐深入，曾一度被忽視的工裝夾具，在工藝流程中的重要性突顯，以‘小工裝’撬動(dòng)整個(gè)產(chǎn)線自動(dòng)化升級(jí)的應(yīng)用更是屢見不鮮。柔性、精密、標(biāo)準(zhǔn)、智能是現(xiàn)代工裝夾具的發(fā)展方向，模塊化工裝應(yīng)用代表了發(fā)展所趨，有利于企業(yè)加速進(jìn)行深度數(shù)字化、智能化生產(chǎn)。”
如圖1所示，該款殼體零件有著鏤空的圓柱體形狀，以及左右兩側(cè)對稱且?guī)в袌A孔的耳片結(jié)構(gòu)。在原有的工藝方案中，此零件的定位基準(zhǔn)使用的是零件內(nèi)孔齒頂圓及定位工藝孔。
裝夾時(shí)，選用傳統(tǒng)“一面兩銷”的裝夾方式，當(dāng)一次裝夾后，加工零件的上表面內(nèi)腔及外輪廓；加工完成后，人工換裝以加工下表面內(nèi)腔；而后再拆裝兩次，完成左、右耳片輪廓及孔的加工。至整個(gè)零件加工完成，需要兩套夾具主體（如圖2），以及4次人工裝夾操作。
圖1殼體機(jī)構(gòu)復(fù)雜圖2夾具主體
“傳統(tǒng)裝夾的最大問題就是產(chǎn)品裝夾與產(chǎn)品換型的效率低下。以此零件為例，加工中人工裝夾的時(shí)間大概在5分鐘，4次裝夾就是20分鐘。另外，在加工完成后需要更換另一型號(hào)零件時(shí)，由于現(xiàn)有夾具的齒頂圓定位芯軸與夾具本體為固定裝配，不能用于其他直徑的零件，因此需要進(jìn)行包括拆卸清理、更換夾具、裝夾找正等長達(dá)11道工序的重新裝夾操作，所需時(shí)間更是超過60分鐘。
圖3傳統(tǒng)裝夾方式下產(chǎn)品換型流程圖
過度依賴人工裝夾，所帶來的另一大問題就是加工精度的不穩(wěn)定。由于操作人員技能水平的差異，在產(chǎn)品換型裝夾、找正夾具精度上會(huì)產(chǎn)生偏差，造成定位基準(zhǔn)不一致，由此而帶來的加工質(zhì)量不穩(wěn)定的情況時(shí)常出現(xiàn)。除此之外，還有傳統(tǒng)夾具通用性差所引起的夾具庫存大、成本浪費(fèi)，以及可插拔定位銷易對夾具本體和銷子造成磨損，降低夾具定位精度等多種問題困擾。
全新方案設(shè)計(jì)：零點(diǎn)快換系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘
零點(diǎn)快換系統(tǒng)是當(dāng)前工裝夾具標(biāo)準(zhǔn)化趨勢下的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，是機(jī)床工作臺(tái)與工件（或夾具）的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，在數(shù)秒內(nèi)，即可通過一個(gè)或多個(gè)定位銷將工件、夾持裝置、托盤與機(jī)床端的夾持系統(tǒng)快速緊固連接，精確地夾緊在設(shè)備中，從而提升不同工藝的轉(zhuǎn)化和設(shè)備連接的通用性，將整個(gè)制造資源的匹配最大化。
這一夾持方案（如圖4），在不改變原有工藝方案及定位基準(zhǔn)的情況下，通過由基礎(chǔ)底座、零點(diǎn)定位器、液壓芯軸、零點(diǎn)快換拉釘和變徑套組成的工裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次裝夾加工3個(gè)表面，再通過零點(diǎn)快換的方式，快速切換到工件反面與側(cè)面的加工工位，大大簡化了原有的裝夾流程，提升了裝夾效率與精度。
圖4“零點(diǎn)定位系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘”夾持方案
零件在機(jī)床外通過液壓芯軸鎖緊后，利用零點(diǎn)快換方式安裝于4軸加工中心的工作臺(tái)上，而后只需將角向限位安裝到位，即可開始加工產(chǎn)品的正面輪廓。一面加工完成后，再通過簡單的4軸正、負(fù)向旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)耳片輪廓的切削加工。
產(chǎn)品反面特征的加工則更為便捷，也是此新方案的一大亮點(diǎn)。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，在液壓芯軸的的正反兩側(cè)均制作了快換接口，當(dāng)正面輪廓加工完成后，只需將芯軸調(diào)換180°，即可立即對工件反面進(jìn)行夾持加工，這樣創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思路不僅最大程度提升了裝夾效率，也將夾具的柔性無限拓展。當(dāng)外輪廓與正反面特征均加工完成后，將夾具側(cè)置安裝在4軸加工中心的法蘭上，通過4軸的旋轉(zhuǎn)，可最后完成產(chǎn)品兩側(cè)耳片上斜孔的加工。
在產(chǎn)品換型的裝夾中，對于不同齒頂圓直徑的零件也無需再更換整個(gè)夾具主體，只需在一套夾具基礎(chǔ)底座上增加零點(diǎn)快換系統(tǒng)和可移動(dòng)定位銷，同時(shí)通過更換芯軸和芯軸的變徑套以及端面定位裝置，調(diào)整定位銷位置或更換不同規(guī)格定位銷即可實(shí)現(xiàn)不同零件的快速更換與夾緊。
柔性、復(fù)用的模塊化工裝帶來極致高效
通過模塊化零點(diǎn)快換裝夾方案，工件在加工中人工裝夾的操作時(shí)間從原來的5分鐘縮短至1分鐘，在產(chǎn)品換型時(shí)的裝夾中，由于無需更換夾具底座并重新找正，裝夾效率顯著提高，時(shí)間從60分鐘大幅縮短至10分鐘。
圖5時(shí)間對比表
同時(shí)，基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)和液壓芯軸的配合，不同零件的換型裝夾操作可在機(jī)床外進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可實(shí)現(xiàn)一套在機(jī)內(nèi)加工，一套在機(jī)外裝夾工件，如發(fā)現(xiàn)工件需要返工時(shí)，也可以將芯軸和工件二次裝入機(jī)床，直接加工。無需停機(jī)等待的優(yōu)勢更進(jìn)一步提升了機(jī)床利用率、提高了加工效率。另外，用一套夾具覆蓋43種同類型產(chǎn)品，替換原有的28套夾具的強(qiáng)大通用性，大大減少了夾具庫存，降低了成本投入，也為日后批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
圖6優(yōu)化后產(chǎn)品換型的流程
圖7批生產(chǎn)加工流程
與傳統(tǒng)依賴人工手動(dòng)裝夾、找正相比，液壓芯軸的定位精度小于0.003mm、零點(diǎn)定位系統(tǒng)的重復(fù)精度在0.002mm以內(nèi)，雙重精度的保障使得產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)快速換型的同時(shí)，工件的良率以及穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性都得到了大幅提升。