唐 林，周良明，劉衛(wèi)武，蒲昌蘭

TANG Lin, ZHOU Liang-ming, LIU Wei-wu, PU Chang-lan

（中航工業(yè)成飛公司結(jié)構(gòu)件加工廠，成都 610092）

0 引言

在軍用飛機(jī)追求高性能的今天，產(chǎn)品的更新?lián)Q代日趨頻繁，相應(yīng)的航空制造模式為多品種小批量生產(chǎn)，這種生產(chǎn)模式下設(shè)備利用率低，已經(jīng)嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的正常生產(chǎn)交付。要提升機(jī)床利用率的關(guān)鍵在于減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，經(jīng)過調(diào)查在多品種小批量生產(chǎn)模式下影響中小航空結(jié)構(gòu)件加工效率的除機(jī)床固有特性外，主要就是零件裝夾準(zhǔn)備時(shí)間。機(jī)床生產(chǎn)廠商一直以來致力于開發(fā)機(jī)床輔助功能以減少零件裝夾時(shí)間，如多工位機(jī)床、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等，但多工位機(jī)床同時(shí)帶來的是機(jī)床投入成本的增加以及日常維護(hù)要求的提升，而且對(duì)于大量的小批單件加工很難體現(xiàn)其設(shè)計(jì)價(jià)值，也不能解決不同零件、不同機(jī)床之間柔性裝夾問題。

零點(diǎn)定位技術(shù)是一種減少機(jī)床停工時(shí)間設(shè)計(jì)的夾具系統(tǒng)，基于精益制造思想將大部分裝夾時(shí)間外移到機(jī)床外進(jìn)行，使得加工和裝夾可以同時(shí)進(jìn)行，國外在20世紀(jì)90年代就開始推出零點(diǎn)定位裝夾系統(tǒng)，也多見于一些批量生產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)用上，在多品種單件小批量生產(chǎn)模式中應(yīng)用較少，國內(nèi)的航空企業(yè)對(duì)于零點(diǎn)定位系統(tǒng)應(yīng)用也只是起步階段，所以解決小批量、換裝頻繁零件生產(chǎn)加工機(jī)床利用率低的問題，發(fā)展新的高效率的快速、精確定位系統(tǒng)已成為提升效率、減低成本的重要手段和趨勢(shì)。

1 中小航空結(jié)構(gòu)件加工特點(diǎn)及存在問題

1.1 中小航空結(jié)構(gòu)件加工特點(diǎn)

與其他行業(yè)產(chǎn)品相比，航空類產(chǎn)品零件具有一些顯著的特征，從而決定了航空零件數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)以及相應(yīng)的技術(shù)需求，這些特征主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多品種、小批量特點(diǎn)

隨著對(duì)飛機(jī)性能的追求，飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)以追求性能優(yōu)先，為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)的氣動(dòng)布局、強(qiáng)度、重量等性能要求，飛機(jī)零件趨向整體化、復(fù)雜化、薄壁化。同時(shí)因?yàn)樾枨蟛煌?，飛機(jī)品種繁多，且飛機(jī)研制常為小批量生產(chǎn)，無法采用大規(guī)模流水線生產(chǎn)方式來提高效率和降低成本。

2）混線生產(chǎn)，專業(yè)化、集成化程度低

因?yàn)轱w機(jī)產(chǎn)品研制周期長，目前存在多種飛機(jī)產(chǎn)品同時(shí)研制，軍民機(jī)的多品種混線生產(chǎn)模式普遍存在，而且生產(chǎn)資源配置普遍存在專業(yè)化程度低、布局不合理，導(dǎo)致各種類型產(chǎn)品交叉生產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 中小航空結(jié)構(gòu)件加工存在的問題

1）專用工裝多，夾具柔性化低

由于航空結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品趨向整體化、復(fù)雜化、薄壁化，使得零件加工多需通過專用工裝來完成加工，同時(shí)由于多品種、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，每類產(chǎn)品均需定制大量工裝，使得生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)大量裝用工裝；這樣一方面使得生產(chǎn)成本幾局增加，同時(shí)在用大量的庫存、場(chǎng)地，另一方面需要增加工裝的制造周期而使得產(chǎn)品的制造周期無法及時(shí)保證。由于不同工裝不具有通用性，對(duì)生產(chǎn)制造是一種極大的浪費(fèi)，因此夾具的柔性化是急需解決的問題。

2）數(shù)控加工準(zhǔn)備等輔助時(shí)間多，設(shè)備利用率不高

由于中小航空結(jié)構(gòu)件的多品種、小批量混線生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過程中需要根據(jù)計(jì)劃需求，在同一臺(tái)機(jī)床上頻繁更換不同機(jī)型不同零件加工，在零件更換過程中，機(jī)床必須停下來進(jìn)行裝夾準(zhǔn)備。同事中小結(jié)構(gòu)件有別于大型結(jié)構(gòu)件，大型結(jié)構(gòu)件裝夾一次需要加工一個(gè)星期，甚至一個(gè)月才拆下來，對(duì)于大型航空結(jié)構(gòu)件的裝夾時(shí)間相對(duì)零件加工時(shí)間占比低，換裝零件占用時(shí)間問題不是很突出，而中小結(jié)構(gòu)件零件切削時(shí)間相對(duì)短，導(dǎo)致零件需要頻繁換裝，在換裝零件時(shí)需要進(jìn)行大量的裝夾準(zhǔn)備，機(jī)床停工等待時(shí)間長，目前大部分航空產(chǎn)品加工廠的機(jī)床平利用率僅有40%左右，其中機(jī)床因裝夾停工等待時(shí)間占總工作時(shí)間的30%以上，平均每次換裝零件時(shí)間為1小時(shí)左右，嚴(yán)重制約中小結(jié)構(gòu)件數(shù)控設(shè)備加工能力的發(fā)揮。

另外對(duì)于五坐標(biāo)設(shè)備缺乏的單位，大量帶角度的零件需要采用三坐標(biāo)粗加工+五坐標(biāo)精加工模式，更換機(jī)床導(dǎo)致大量重復(fù)準(zhǔn)備時(shí)間，嚴(yán)重制約設(shè)備能力的發(fā)揮。

2 零點(diǎn)定位工裝定位夾緊原理

基于零點(diǎn)定位的工裝系統(tǒng)包括：一套通用零點(diǎn)工裝基板，裝夾零件的托盤，托盤與基板連接的插銷，一個(gè)氣或液壓泵。通用零點(diǎn)工裝基板提供2個(gè)或2個(gè)以上高精度的定位孔，各定位孔之間的位置公差保證在±0.002 mm內(nèi)，每一個(gè)定位孔對(duì)應(yīng)的連接插銷可以提供鎖緊力5000N，可以根據(jù)實(shí)際加工工藝的切削力大小要求選擇定位孔數(shù)。托盤底部加工有同樣等距離的高精度定位連接插銷，以便用來連接托盤和零點(diǎn)工裝基板，工裝基板與托盤通過插銷實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖緊。常態(tài)下，零點(diǎn)工裝內(nèi)部的彈簧系統(tǒng)處于鎖緊狀態(tài)，以設(shè)定的夾緊力鎖住連接插銷，從而鎖緊夾具；需要松開夾具時(shí)，通過外界的氣壓或液壓裝置加壓，反向壓縮彈簧系統(tǒng)，松開連接插銷，從而松開夾具。

使用時(shí)可以在機(jī)床外的托盤上對(duì)零件進(jìn)行裝夾，真正占用機(jī)床的停機(jī)安裝時(shí)問僅為零件起吊與再次吊入時(shí)間。平均裝夾時(shí)間可以控制在10min內(nèi)，而不使用零點(diǎn)工裝時(shí)平均裝夾時(shí)間在30min～90min，從而極大地減少了機(jī)床停機(jī)時(shí)間，提升了機(jī)床的加工效率。綜合而言，使用“基于零點(diǎn)定位技術(shù)的工裝系統(tǒng)”的擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）極大地減少了不同零件換裝導(dǎo)致的機(jī)床停機(jī)時(shí)間；

2）重復(fù)定位精度高，確保在土0.002mm內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速定位夾緊；

3）能有效提升類似中小航空結(jié)構(gòu)件的多品種單件小批量生產(chǎn)的加工效率。

3 基于零點(diǎn)定位技術(shù)解決快速換裝的思路

結(jié)合中小航空結(jié)構(gòu)件加工特點(diǎn)和實(shí)際存在的問題，通過引進(jìn)零點(diǎn)定位技術(shù)有效解決零件換裝導(dǎo)致的裝夾時(shí)間長、機(jī)床設(shè)備利用率不高的問題，以下是詳細(xì)解決思路：

1）基于柔性裝夾的航空結(jié)構(gòu)件特征歸類、識(shí)別及裝夾知識(shí)庫生成

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的重要組成部分,結(jié)構(gòu)件的加工特征通?？煞譃檩喞卣?、槽特征、筋特征、孔特征和非圓孔特征等。每種特征都具有相應(yīng)的加工工藝方案，其裝夾方法不一定一致，但可以找到一些與特征相應(yīng)的裝夾元件共通規(guī)律，從而方便不同類型的零件進(jìn)行快速工裝的設(shè)計(jì)。通過研究航空結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征和工藝特征，形成特征庫、工藝庫以及與裝夾元件之間的映射關(guān)系或者規(guī)律，形成便于快速柔性裝夾的知識(shí)庫，以指導(dǎo)各個(gè)快速裝夾方案的設(shè)計(jì)。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝夾方案配比

2）基于零點(diǎn)定位技術(shù)設(shè)計(jì)快速換裝方案

引入零點(diǎn)定位系統(tǒng)，結(jié)合結(jié)構(gòu)件廠中小結(jié)構(gòu)件加工和零件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)各類零件定位裝夾方案，夾具能做到快速更換、不同機(jī)床之間快速切換、多項(xiàng)零件共用的目的，通過提取飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特征、工藝特征，快速制定出基于網(wǎng)孔的柔性工裝方案。

3）建立柔性工裝庫

制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速裝夾方案對(duì)于結(jié)構(gòu)件的加工是十分重要的。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來說，通?？刹捎貌煌亩ㄎ环桨概c夾緊裝置，配比成不同的裝夾方案，如圖1所示。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的種類較多，至今仍沒有明確的每種結(jié)構(gòu)件與定位元件、夾緊元件的映射關(guān)系。目前，在實(shí)際裝夾時(shí)多是依靠工人經(jīng)驗(yàn)確定裝夾方案，當(dāng)需要加工新的零件時(shí)，需要重新制定裝夾方案。為了快速制定出結(jié)構(gòu)件的裝夾方案，利用成飛現(xiàn)有的夾具種類和裝夾經(jīng)驗(yàn)，采購現(xiàn)成的裝夾元件，基于CATIA環(huán)境，建立起柔性工裝元件庫，以方便生成柔性裝夾方案時(shí)，快速生成三維裝夾模型。

4）實(shí)現(xiàn)基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的機(jī)床夾具快速更換

目前，更換機(jī)床夾具時(shí)，通常是靠人工完成，零件工裝調(diào)整過程的自動(dòng)化水平低。通過將零點(diǎn)定位系統(tǒng)直接鑲?cè)霗C(jī)床工作臺(tái)、平板或用壓板安裝于工作臺(tái)。形成唯一的零基準(zhǔn)，無需再校正，大幅降低機(jī)床停機(jī)時(shí)間，使設(shè)備利用率達(dá)到最高點(diǎn)；同時(shí)零點(diǎn)定位系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化接口，能夠?qū)崿F(xiàn)不同加工類型的機(jī)床之間高精度、高效率轉(zhuǎn)換，確保加工質(zhì)量，縮短交貨期；零點(diǎn)定位裝夾系統(tǒng)將柔性和剛性完美結(jié)合，保證工件工裝的重復(fù)定位精度為2μm，從源頭上控制積累誤差，保持機(jī)床和工件精度相等；這樣在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)夾具的快速更換，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)外裝卡，減少80%的停機(jī)時(shí)間，大幅度地提高工作效率，圖2所示為零點(diǎn)定位過程的原理圖。

通過上述思路，按照精益制造的思想，采用零點(diǎn)定位工裝可將裝夾零件的時(shí)間外移，實(shí)現(xiàn)加工和裝夾并行以增加現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際有效加工時(shí)間。同時(shí)解決托盤及夾緊原件的柔性化，以此開發(fā)一套飛機(jī)結(jié)構(gòu)件柔性快換工裝夾具，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工快速換裝和柔性裝夾，提高數(shù)控設(shè)備的利用率，降低工裝成本。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用達(dá)到如下水平：

1）實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)定位工裝系統(tǒng)應(yīng)用，將零件機(jī)內(nèi)裝夾轉(zhuǎn)移到機(jī)外裝夾，減少關(guān)鍵設(shè)備的換裝時(shí)間，使數(shù)控加工換裝導(dǎo)致機(jī)床停工時(shí)間由平均1小時(shí)縮短到10分鐘以內(nèi)；

圖2 零點(diǎn)定位系統(tǒng)加工裝夾原理

2）在中小航空結(jié)構(gòu)件定位裝置和夾緊裝置模塊化的基礎(chǔ)上，配合工裝的柔性設(shè)計(jì)技術(shù)及裝夾仿真技術(shù)，解決了工裝的通用性問題，使有限的工裝數(shù)量覆蓋80%零件的快速換裝。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合本單位生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)中小航空結(jié)構(gòu)件，采用零點(diǎn)定位技術(shù)和柔性夾具設(shè)計(jì)思路，充分發(fā)揮現(xiàn)有機(jī)床的效能，達(dá)到了減少裝夾時(shí)間提高裝夾效率的目的，實(shí)現(xiàn)了零件快速換裝的目標(biāo)。隨著航空制造業(yè)的高速發(fā)展，在航空制造領(lǐng)域，特別是在中小航空結(jié)構(gòu)件制造方面，通過減少裝夾時(shí)間解決多品種小批量生產(chǎn)導(dǎo)致的設(shè)備利用率不高的問題是未來發(fā)來的趨勢(shì)。

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