智能、柔性、復用，一套夾具覆蓋超 40 種航空零件
2021-7-13 來源：雄克公司 作者：-
航空工業(yè)慶安公司以雄克模塊化零點快換系統(tǒng)加速智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型
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。作為我國唯一集航空機載武器裝備、飛行器操縱控制系統(tǒng)（裝置）兩大專業(yè)優(yōu)勢為一體的機載設備生產(chǎn)企業(yè)——航空工業(yè)慶安集團有限公司（以下簡稱慶安公司），在全面進行“提質(zhì)增速”、“創(chuàng)新生產(chǎn)”任務達成的同時，果斷開啟了戰(zhàn)略變革：由傳統(tǒng)加工向自動化、數(shù)字化加工轉(zhuǎn)型。從頂層設計到具體工藝，慶安公司極其注重整體生產(chǎn)工藝優(yōu)化的可持續(xù)性，技術(shù)團隊突破以數(shù)控機床投資優(yōu)化為主導的傳統(tǒng)理念，進一步在提升機床利用率、自動上下料等方面動腦筋，以小博大。
南京航空航天大學機電學院李亮教授曾指出：“隨著智能制造理念的實踐深入，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’撬動整個產(chǎn)線自動化升級的應用更是屢見不鮮。柔性、精密、標準、智能是現(xiàn)代工裝夾具的發(fā)展方向，模塊化工裝應用代表了發(fā)展所趨，有利于企業(yè)加速進行深度數(shù)字化、智能化生產(chǎn)。”慶安公司技術(shù)團隊深諳其理，從工件裝夾這一細節(jié)工序著手，基于業(yè)內(nèi)最為領先的零點定位系統(tǒng)對廠內(nèi)某一關鍵系列零件的夾持方案進行了全面更換與優(yōu)化，實現(xiàn)了 43 種產(chǎn)品的全覆蓋夾持，并計劃將這一項目的成功思路拓展到更多零件的應用中。“雄克公司是零點定位系統(tǒng)的領先者，它的產(chǎn)品性能優(yōu)勢明顯，更重要的是，能結(jié)合我們現(xiàn)有的生產(chǎn)需要來定制方案，它的設計能力，還可以為我們下一步持續(xù)優(yōu)化打下基礎。”慶安技術(shù)團隊相關負責人
表示。
耗時費力、品質(zhì)不穩(wěn)定，傳統(tǒng)裝夾方式急需改善
在進行裝夾工藝優(yōu)化前，慶安公司技術(shù)團隊先對多款同類型的殼體零件進行了細致分類，基于各種零件不同的工藝組成情況，最終確定了一款具備典型特性的測試零件。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，此零件的定位基準使用的是零件內(nèi)孔齒頂圓及定位工藝孔。裝夾時，選用傳統(tǒng)“一面兩銷”的裝夾方式，當一次裝夾后，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 殼體機構(gòu)復雜
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零件時，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，因此需要進行包括拆卸清理、更換夾具、裝夾找正等長達 11 道工序的重新裝夾操作，所需時間更是超過 60 分鐘。”慶安公司技術(shù)團隊負責人表示，“人工裝夾時，機床必須處于停滯狀態(tài)，這也直接導致了生產(chǎn)效率的下降。”
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、找正夾具精度上會產(chǎn)生偏差，造成定位基準不一致，由此而帶來的加工質(zhì)量不穩(wěn)定的情況時常出現(xiàn)。大量的人工干預也無法滿足慶安公司未來計劃使用機器人進行上下料的自動化需求。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，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。
全新方案設計：零點快換系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘
以上提到的這些困擾還僅限于測試的一個零件，而慶安公司這一類殼體零件的種類就超過了 40 種，如何優(yōu)化裝夾方案，縮短加工準備時間，提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)呢？技術(shù)團隊在多方思考與對比下選擇了零點快換系統(tǒng)。
零點快換系統(tǒng)是當前工裝夾具標準化趨勢下的一項創(chuàng)新技術(shù)，是機床工作臺與工件（或夾具）的一個標準接口，在數(shù)秒內(nèi)，即可通過一個或多個定位銷將工件、夾持裝置、托盤與機床端的夾持系統(tǒng)快速緊固連接，精確地夾緊在設備中，從而提升不同工藝的轉(zhuǎn)化和設備連接的通用性，將整個制造資源的匹配最大化。
“我們非常看重雄克公司的設計能力，當我們提出改進需求后，雄克的技術(shù)力量第一時間便來到車間現(xiàn)場，共同進行具體裝夾方案的分析討論以及加工測試。我們不僅僅看重這一個零件的優(yōu)化，而是希望能借鑒他們的專業(yè)設計能力和全球化的應用經(jīng)驗，在實現(xiàn)該類零件提質(zhì)、增速需求的同時，將模塊化工裝的思路進一步拓展至整體。” 慶安公司技術(shù)團隊負責人說道。
“我們在航空零件夾持方案的優(yōu)化設計上有著豐富的經(jīng)驗，慶安公司的需求比較典型，但也有其特殊性，基于零件的結(jié)構(gòu)特征、加工工藝，并綜合考量生產(chǎn)效率、成本節(jié)約、空間布局以及慶安公司想要適應未來加工品質(zhì)提升與加工需求拓展等多方因素，我們?yōu)槠涮峁┝?/font>定制化的解決方案——‘零點定位系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘’夾持方案。” 項目負責人，雄克公司高級技術(shù)經(jīng)理麻曉杰表示。這一夾持方案（如圖 4），在不改變原有工藝方案及定位基準的情況下，通過由基礎底座、零點定位器、液壓芯軸、零點快換拉釘和變徑套組成的工裝系統(tǒng)，實現(xiàn)一次裝夾加工 3個表面，再通過零點快換的方式，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 “零點定位系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘”夾持方案
零件在機床外通過液壓芯軸鎖緊后，利用零點快換方式安裝于 4 軸加工中心的工作臺上，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、負向旋轉(zhuǎn) 90°，實現(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。雄克技術(shù)人員根據(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行夾持加工，這樣創(chuàng)新性的設計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夾具主體，只需在一套夾具基礎底座上增加零點快換系統(tǒng)和可移動定位銷，同時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)格定位銷即可實現(xiàn)不同零件的快速更換與夾緊。
柔性、復用的模塊化工裝帶來極致高效
通過雄克模塊化零點快換裝夾方案，工件在加工中人工裝夾的操作時間從原來的 5 分鐘縮短至 1 分鐘，在產(chǎn)品換型時的裝夾中，由于無需更換夾具底座并重新找正，裝夾效率顯著提高，時間從 60 分鐘大幅縮短至 10 分鐘。
圖 5 時間對比表
同時，基于零點定位系統(tǒng)和液壓芯軸的配合，不同零件的換型裝夾操作可在機床外進行。在實際生產(chǎn)過程中，可實現(xiàn)一套在機內(nèi)加工，一套在機外裝夾工件，如發(fā)現(xiàn)工件需要返工時，也可以將芯軸和工件二次裝入機床，直接加工。無需停機等待的優(yōu)勢更進一步提升了機床利用率、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。
圖 6 優(yōu)化后產(chǎn)品換型的流程
圖 7 批生產(chǎn)加工流程
保障加工品質(zhì)，是采用雄克零點快換系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)依賴人工手動裝夾、找正相比，液壓芯軸的定位精度小于 0.003mm、零點定位系統(tǒng)的重復精度在 0.002mm 以內(nèi)，雙重精度的保障使得產(chǎn)品在實現(xiàn)快速換型的同時，工件的良率以及穩(wěn)定性、經(jīng)濟性都得到了大幅提升。
“慶安公司是航空機載設備的領先企業(yè)，工藝技能扎實，對于品質(zhì)的要求十分嚴格，此次能夠攜手完成這一裝夾工藝優(yōu)化項目，我們備感榮幸。以夾持技術(shù)的創(chuàng)新設計最大程度地挖掘現(xiàn)有設備所蘊含的生產(chǎn)潛能，是雄克始終致力所為的目標，此次用戶獲得滿意生產(chǎn)效果便是對我們的最大認可。慶安公司在方案設計之初便已要求我們要為下一步自動化升級打基礎，這樣的頂層創(chuàng)新能力，這樣腳踏實地的技術(shù)團隊令人佩服。”麻曉杰對此項目不無感嘆。的確，對于慶安公司而言，采用模塊化工裝技術(shù)還有一層更為深遠的意義——賦能自動化轉(zhuǎn)型升級。無論是自動化生產(chǎn)還是數(shù)字化技術(shù)，其所作用的對象始終是要制造的工件，整個工藝流程設置的核心也是工件在不同設備的流轉(zhuǎn)，而這一流轉(zhuǎn)過程就離不開工裝夾具的支撐。傳統(tǒng)的工裝夾具僅適用于人工上下料，不能滿足機器人自動化的要求，慶安公司技術(shù)團隊清晰地認識到了工裝夾具技術(shù)優(yōu)化對于生產(chǎn)邁入智能化階段的重要性，果斷采用了前沿的智能化模塊工裝，并已將其輻射至工廠的更多應用領域。新一輪工業(yè)革命浪潮已經(jīng)來襲，市場需求瞬息萬變，面對機遇和挑戰(zhàn)，慶安公司將持續(xù)致力智能制造、數(shù)字化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，為建設新時代航空強國貢獻力量。
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