飞机结构件机械加工柔性夹具系统探究

孙福奎

摘 要：近年来，随着科技的发展，柔性夹具被广泛应用于飞机制造行业当中。柔性夹具一般应具备气动或液压夹紧功能，并与数控机床在结构和控制上集成一体，大大减少了传统央具的数量，降低了成本，提高了切钻的效率和质量，为数字化应用水平的提高起到了推动作用。文章对飞机柔性夹具的应用展开了探讨，望对我国的航空制造水平的提高能有所帮助。

关键词：飞机构件；机械加工；柔性夹具系统

作为国家的战略性发展产业，航空工业一直是国家国防预算中非常重要的一個产业。先进的航空产品不仅可以在技术层面有效推动加工、生产、电子、机械等领域，还可以在经济上提升国民生活水平，保证社会的进步。在航空工业中，飞机制造可作为生产的典型，而其中夹具在其生产过程中的地位举足轻重。夹具是一种机械设备，一方面对加工的工件进行定位和固定，由此保证在实际加工过程中，工件的精度较高；另一方面还可以用于工件的检测，有利于确定加工的工件尺寸合格率。

1 飞机柔性夹具

1.1 按结构分类

（1）组合夹具

柔性组合夹具一般被称为组合夹具，是最常应用于实际生产中的夹具种类。柔性组合夹具具有模块化、通用度高的特点。通过组合已生产好的不同形状、尺寸、型号的标准零件，使其成为适用于不同生产要求的零件的夹具。一方面，这种夹具可以通过组合形成专用夹具；另一方面，也可通过替换零件的方式组合形成可调节式的夹具。同时，柔性组合夹具还具有可拆卸、重复使用、可清洗的特点。一般情况下，柔性组合夹具的设计、组合时间不大于专有夹具使用时间的1/5，因此应用面受限小且受到广泛好评。

（2）拼装夹具

相较于组合夹具，拼装夹具的标准化程度较低，数控加工中使用拼装夹具较为普遍。拼装夹具是在已有基础件的基础上，通过与其他通用化的元件拼装形成模块化的夹具。针对不同的产品工件，拼装夹具使用的模块化结构存在较大差别。

1.2 按孔槽分类

由于表面分网络孔系和槽系，柔性夹具还可以被分为这两类。槽系夹具的定位主要依靠键和槽，孔系则通过孔和销。不同于槽系夹具，孔系夹具具有高精度、易组装的特点。由于孔系夹具可以更好地提供编程原点，其被广泛用在数控机床上。相较于孔系夹具，槽系夹具的优势在于调整性能强，可应用的范围较大。在实际生产中，由于飞机结构件主要为数控的加工方式，因此孔系柔性夹具使用较多。

2 柔性夹具系统的应用及发展

飞机结构件在生产制造中多以数控加工，尤其数控铣削的方式呈现；以机翼大梁、框、对接接头等结构件为例，生产精度要求高、零件壁厚薄、结构槽腔多、曲面较多且零件尺寸大，柔性夹具的出现保证了大型结构件的高效完成，降低了时间和经济成本。

2.1 应用优势及重要性

柔性夹具的出现在一定程度上保证了夹具的循环利用，节约了经济成本。与专用夹具相比，它有利于库房分类管理及设计分类，解决了专用夹具体积大、不可互换的问题。综合其优点，主要为精度高、通用、适用范围广、生产成本低且效率高等。

（1）精度高

柔性夹具在组合或拼装后，无论在尺寸还是几何结构方面，都具有很高的精度，这种高精度的优势直接体现在生产的工件精度高、尺寸准。以2m左右的大型工件为例，当夹持的方案选用合理时，夹具无论从平面还是三维、水平还是垂直角度的误差均可控制在±2mm以内。

（2）通用循环

由于柔性夹具可组装可拼装，其内部夹具零件可以相互更换。当出现某一部位夹具磨损严重时，可通过替换该零件的方式延长柔性夹具的使用寿命。同时由于夹具组合拼装后种类繁多，可满足于多种零部件的加工制造，其通用性能不容小觑。

（3）使用范围广

机械加工中车、磨、刨等均可使用柔性夹具，同时在划线、装配、检验、焊接等工序中也使用到了大量的柔性夹具。

2.2 应用发展

（1）计算机辅助

由于柔性夹具近几年才出现，目前还缺少完备的计算机辅助系统。在实际生产中，夹具的设计方案大多采用手工的方式。这一现状造成的直接后果为设计人员效率不高且工作量大，设计质量也大多依靠于工作人员多年的经验及习惯。针对不同的零件，可能存在较为简单的夹具组装法，但由于人工生产方式的弊端，难以迅速精准地定位夹具组合方法。

目前，已有研究人员针对柔性夹具计算机辅助系统进行研究与开发，帮助其生产流程管理与夹具元件的分类检索。这种系统有助于已有夹具的归类整理，避免重复设计及耗费大量时间进行搜索，因此也将在今后的夹具设计中起到很大的作用。

（2）自动化

目前主要还是采用人工的生产方式完成零件的装夹工作。实际生产时，部分零件的装夹时间甚至比工件切削所需时长还要多。生产效率低下是目前夹具装备的主要问题之一。如何提高夹具自动化程度，将其与数控机床的控制协调一致是柔性夹具发展时亟待解决的问题。

（3）标准化模块化

目前已有的柔性夹具标准化及模块化仍有待提高。由于生产方式的局限性，大多数柔性夹具的设计还未达到最佳状态，即使用最少的标准化夹具元件满足尽量多的工序要求。而这种现象也与夹具元件的管理流程混乱有一定关系，当管理检索已形成较完备的系统时，设计及工作人员可根据不同类别的柔性夹具元件完成更精准、简便的标准化设计方案。

3 结语

柔性夹具的设计与使用是未来飞机制造的主流趋势，组合及拼装是实现柔性化加工的重要手段。在未来的生产中，融入计算机辅助技术、三维数字化及数控自动化技术是柔性夹具系统的应用发展趋势，完美地实现柔性夹具系统的构建还任重道远。

参考文献

[1]吴灿云，王新乡，胡国清，等.飞机柔性夹具的应用与研究[J].机械设计与制造，2010，（8）：227-229.

[2]张石磊，李迎光，刘长青，等.基于环分析的飞机结构件槽特征腹板精加工区域自动创建方法[J].中国机械工程，2013，24（13）：1728-1733.

（作者单位：沈阳飞机工业（集团）有限公司）