智能、柔性、復(fù)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(diǎn)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(duì)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。作為我國(guó)唯一集航空機(jī)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(shì)為一體的機(jī)載設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)——航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱慶安公司），在全面進(jìn)行“提質(zhì)增速”、“創(chuàng)新生產(chǎn)”任務(wù)達(dá)成的同時(shí)，果斷開啟了戰(zhàn)略變革：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，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(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)。”慶安公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)深諳其理，從工件裝夾這一細(xì)節(jié)工序著手，基于業(yè)內(nèi)最為領(lǐng)先的零點(diǎn)定位系統(tǒng)對(duì)廠內(nèi)某一關(guān)鍵系列零件的夾持方案進(jìn)行了全面更換與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了 43 種產(chǎn)品的全覆蓋夾持，并計(jì)劃將這一項(xiàng)目的成功思路拓展到更多零件的應(yīng)用中。“雄克公司是零點(diǎn)定位系統(tǒng)的領(lǐng)先者，它的產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)能力，還可以為我們下一步持續(xù)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。”慶安技術(shù)團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人
表示。
耗時(shí)費(fèi)力、品質(zhì)不穩(wěn)定，傳統(tǒng)裝夾方式急需改善
在進(jìn)行裝夾工藝優(yōu)化前，慶安公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)先對(duì)多款同類型的殼體零件進(jìn)行了細(xì)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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。”慶安公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，“人工裝夾時(shí)，機(jī)床必須處于停滯狀態(tài)，這也直接導(dǎo)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(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)。大量的人工干預(yù)也無法滿足慶安公司未來計(jì)劃使用機(jī)器人進(jìn)行上下料的自動(dòng)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(kù)存大、成本浪費(fèi)，以及可插拔定位銷易對(duì)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
以上提到的這些困擾還僅限于測(cè)試的一個(gè)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(zhǔn)備時(shí)間，提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)呢？技術(shù)團(tuán)隊(duì)在多方思考與對(duì)比下選擇了零點(diǎn)快換系統(tǒng)。
零點(diǎn)快換系統(tǒng)是當(dāng)前工裝夾具標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)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。
“我們非常看重雄克公司的設(shè)計(jì)能力，當(dāng)我們提出改進(jìn)需求后，雄克的技術(shù)力量第一時(shí)間便來到車間現(xiàn)場(chǎng)，共同進(jìn)行具體裝夾方案的分析討論以及加工測(cè)試。我們不僅僅看重這一個(gè)零件的優(yōu)化，而是希望能借鑒他們的專業(yè)設(shè)計(jì)能力和全球化的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)該類零件提質(zhì)、增速需求的同時(shí)，將模塊化工裝的思路進(jìn)一步拓展至整體。” 慶安公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人說道。
“我們?cè)诤娇樟慵A持方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)上有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)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(diǎn)定位系統(tǒng)+芯軸+快換拉釘’夾持方案。” 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，雄克公司高級(jí)技術(shù)經(jīng)理麻曉杰表示。這一夾持方案（如圖 4），在不改變?cè)泄に嚪桨讣岸ㄎ换鶞?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(jiǎn)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(jiǎn)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)。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(dāng)正面輪廓加工完成后，只需將芯軸調(diào)換 180°，即可立即對(duì)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(duì)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
通過雄克模塊化零點(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(duì)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(shì)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(kù)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
保障加工品質(zhì)，是采用雄克零點(diǎn)快換系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢(shì)。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。
“慶安公司是航空機(jī)載設(shè)備的領(lǐng)先企業(yè)，工藝技能扎實(shí)，對(duì)于品質(zhì)的要求十分嚴(yán)格，此次能夠攜手完成這一裝夾工藝優(yōu)化項(xiàng)目，我們備感榮幸。以?shī)A持技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)最大程度地挖掘現(xiàn)有設(shè)備所蘊(yùn)含的生產(chǎn)潛能，是雄克始終致力所為的目標(biāo)，此次用戶獲得滿意生產(chǎn)效果便是對(duì)我們的最大認(rèn)可。慶安公司在方案設(shè)計(jì)之初便已要求我們要為下一步自動(dòng)化升級(jí)打基礎(chǔ)，這樣的頂層創(chuàng)新能力，這樣腳踏實(shí)地的技術(shù)團(tuán)隊(duì)令人佩服。”麻曉杰對(duì)此項(xiàng)目不無感嘆。的確，對(duì)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(yuǎn)的意義——賦能自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)。無論是自動(dòng)化生產(chǎn)還是數(shù)字化技術(shù)，其所作用的對(duì)象始終是要制造的工件，整個(gè)工藝流程設(shè)置的核心也是工件在不同設(shè)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(jī)器人自動(dòng)化的要求，慶安公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)清晰地認(rèn)識(shí)到了工裝夾具技術(shù)優(yōu)化對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域。新一輪工業(yè)革命浪潮已經(jīng)來襲，市場(chǎng)需求瞬息萬(wàn)變，面對(duì)機(jī)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(shè)新時(shí)代航空強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量。
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