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| 飞机结构件机械加工柔性夹具系统 | |
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飞机制造业中的工艺装备一般指机械加工夹具、装配型架、钣金模具、焊接夹具、测量检验夹具等。机械加工是获得飞机零件最终形状和精度的最主要方法，而机床夹具在保证飞机零件机械加工质量和工装加工效率方面起到重要作用。据估计，机床夹具数量约占飞机制造工装数量的30%左右，按设计、制造周期计算，一套专用机床夹具的平均设计制造周期约为30~50天。
飞机制造工艺装备的柔性化，一直是航空工业迫切希望解决的问题，因此得到了业界的广泛重视，并进行了大量的研究。柔性工装是基于产品数字量尺寸协调体系，采用可重组模块化结构的工装，自动化程度高。柔性工装系统目的是降低工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高生产率。目前，研究者较多地关注于飞机装配型架的柔性，而对于飞机零件（如飞机结构件）、机械加工夹具（或称机床夹具）的柔性化，重视程度不够、研究不多。机床夹具的柔性是指夹具快速适应不同形状和尺寸工件装夹要求的能力。
飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要零件，其品种繁多、材料各异、功能重要。从结构上看，飞机结构件包括框、梁、肋、接头等类别。为了减轻重量，进行等强度设计，往往在零件上形成各种复杂的型腔、筋。飞机结构件不仅精度要求高，而且有严格的重量控制和使用寿命要求，其机械加工难度大、易变形、效率低。大飞机制造涉及大量种类的结构件，每类结构件的生产批量又较小，对每类结构件研制专用机床夹具，显然是不合适的。
飞机结构件机械加工夹具现状
数控加工，尤其是数控铣削，是目前飞机结构件机械加工的主要方法。高速切削方法被普遍采用，如西飞大型复杂结构件均在西飞数控中心完成加工，结构件种类包括机翼大梁、壁板、梁间肋、框、大型支撑接头和对接接头等，这些结构件除具有槽腔多、壁厚薄、精度高等特点外，需要满足飞机变斜角理论曲面等飞机机翼结构件的通常特性以外，还具有零件轮廓尺寸大、槽腔深和基准平面轮廓度要求严等特性[1]，成飞结构件的加工分别在数控分厂和结构件分厂进行，大型结构件在数控分厂完成，小型结构件在结构分厂进行。目前，在国内整机厂中，结构件数控加工夹具存在如下普遍问题。
（1）专用夹具数量多，夹具适用范围窄。
中航工业某公司结构件厂在转包项目及大飞机研制中需要加工大量以型材为原料的结构件。这类零件以铣边和钻孔加工为主。由于转包任务的不确定性，且国内大型飞机还处于研制过程中，零件数量少但种类多。为了保证加工质量，每种零件均研制了专用夹具，基座为比较笨重的铸件，且定位精度不高。车间工具库乃至车间地面上堆满了各类夹具。从生产一种零件转换为生产另一种零件时，夹具重新组合转换时间在2h 左右，严重影响了生产效率。飞机上的大型整体结构件，如整体蒙皮和壁板，目前仍部分采用大型模胎来进行铣削和切边。模胎设计制造成本高、专用性强。大量模胎占用厂房面积, 库房积压严重。
（2）缺乏计算机辅助夹具拼装系统和夹具生产流程管理系统。
目前，夹具设计或夹具拼装方案规划基本上还是采取手工方式进行。设计人员劳动量大、效率低下；设计质量依赖个人经验和习惯，质量不稳定、规范性差，夹具元件的查找和夹具拼装费时费力。
夹具生产流程管理混乱，缺乏夹具及夹具元件的分类检索方法。对于新的结构件，可能存在合适的工装，但由于难以查找，或找到类似工装后，缺乏科学的方法指导拼装，设计者往往最终放弃利用已有夹具或夹具元件，而重新设计和制造，这导致了巨大的浪费。拼装夹具完成工件加工任务后，也不能及时有序地拆装归位。
（3）夹具自动化程度低。
对于结构件的装夹，目前仍然采用人工方法，如螺钉压板方式，费时费力。在很多情况下，夹具组装时间和工件装夹时间远远多于工件切削时间，导致生产效率低下。
夹具与数控机床在结构及控制方面是独立的，难以通过数控指令，协调一致地对工件进行定位、装夹和进退刀加工。
（4）夹具元件的标准化程度和模块化程度低，这导致了夹具元件的可重复使用率不高、夹具互换性不强、拼装困难。
（5）不能支持采用MBD 技术的飞机零部件设计，缺乏三维夹具及夹具元件数模，与飞机零部件设计的三维数字化协调程度不够。
夹具柔性策略
1 组合夹具和拼装夹具
组合夹具和拼装夹具仍然是实现飞机零部件夹具柔性化的主要方法。
组合夹具由一套预先制造好的不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件及合件组装而成。既可以把某一工件的某一工序组装成专用夹具，也可以组装成通用可调夹具或成组夹具。
拼装夹具主要用于数控加工，通常由基础件和其他模块化元件组成，具有模块化结构。所谓模块化，是指将同一功能单元，设计成具有不同用途或性能的，且可以相互交换使用的模块，以满足不同的工件装夹需求。同一功能单元中的模块，是一组具有同一功能和相同连接要素的元件，也包括能增加夹具功能的小单元。
拼装夹具与组合夹具之间有许多共同点，它们都具有方形、矩形和圆形的基础件，在基础件表面有网络孔系或槽系。两种夹具的不同点是组合夹具的万能性好，标准化程度高；而拼装夹具则为非标准的，一般是为本企业产品工件的加工需要而设计的。产品品种不同或加工方式不同的企业，所使用的模块结构会有较大差别。
本文将这两种夹具统一称为柔性夹具。柔性夹具把专用夹具的设计、制造、使用、报废的单向过程变为组装、扩散、清洗入库、再组装的循环过程。具有应变能力强、设计和制造周期短、成本低等优点。还可减少夹具库房面积，有利于管理。组合夹具元件精度要求高、耐磨，能完全互换。与专用夹具相比，组合夹具往往体积较大，显得笨重。此外，为了组装各种夹具，需要一定数量的组合夹具元件储备，即一次投资较大。对于某些形状复杂或形状不规则的工件，无法通过组合夹具来获得合适的工装。定位精度、刚度、装卸性能等有时无法保证。飞机结构件由于精度高、形状复杂，专用夹具是必须的，而又由于品种多，一次性研制足够数量的夹具元件储备，在经济上是合算的。
柔性夹具包括槽系和孔系两类，槽系夹具元件间靠键和槽（键槽、T形槽）定位；孔系夹具则通过孔与销来实现元件间的定位。两类夹具的元件分类及其组装均有很大的相似性。夹具元件包括基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件和其他件8 类。孔系夹具没有导向元件，而是增加了辅助件。
与槽系夹具相比，孔系夹具精度高、刚性好、易于组装，特别是它可以方便地提供数控编程的基准，即编程原点，因此在数控机床上得到广泛应用。孔系夹具的缺点是调整性差，夹具应用范围小。夹具的调整性能对处于研制阶段的产品非常重要。飞机结构件的加工以数控加工为主，因此主要考虑孔系柔性夹具。
柔性夹具的另外一种表现形式是结构可调整夹具[2]，即通过夹具的结构调整, 而不是通过更换夹具元件的方法来满足工件装夹要求。它建立在工件加工特征相似性的基础上，不用更换夹具元件或重新进行夹具的设计与组建, 只是调整某些夹具元件的空间位置便能适不同类型零件的装夹要求。飞机结构件之间存在加工特征相似性，依照其相似性进行必要的分类成组，并按照对象继承关系，将零件类逐步细分。对相似零件类设计结构可调整的柔性夹具。
需要注意的是，夹具的柔性化只能针对有限种类的零件和制造工序，不能期望存在一种万能夹具，能满足所有结构件的加工需求。
空中客车公司与英国Nottingham大学联合研制的用于飞机翼肋钻孔的柔性组合钻模[3] 是为空客“下代复合机翼（NGCM）”研制工程服务的。机翼零部件（蒙皮、翼肋等）在装配型架上进行钻孔和铰孔。钻模包括集成式复合基座、气囊式夹头、电磁夹头、蛛状夹头、箱形接头、轨道及手工断路器等零部件。这些零部件均为DE-STA-CO公司的组合元件，可以方便地拆卸与重组，以满足不同型号机翼的装配与钻孔要求。零件材料均为轻铝合金，刚度、强度和尺寸精度均能满足要求。
图1为本文作者为中航工业某公司设计的航空铝型材结构件柔性快装夹具，可适应多种截面和尺寸的型材结构件。夹具采用三面定位方案，工件各孔位及铣削位置由数控程序和对刀过程保证，不设计单独的钻套和对刀块。将夹具元件分为可变元件和固定元件，以适应工件种类及不同表面加工的需要。固定元件包括定位块、支承板、气动夹头、气管、连接板、立柱、弹簧、导板、气动顶缸和加强板。可变元件有左定位板和右定位板，另外，定位块的位置在不同类零件及同一零件不同装夹时，将会发生变化。可变元件对于不同类型的零件，形状和尺寸均不同，数量尽可能少。 （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） | |
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