針對航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造從傳統(tǒng)的單機(jī)加工向柔性生產(chǎn)線加工轉(zhuǎn)型過程中，面臨的流程優(yōu)化、柔性化工藝設(shè)計問題，通過面向柔性生產(chǎn)控制的工藝流程設(shè)計，以及面向無人化柔性加工的工藝方案設(shè)計，形成了一套適合航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)柔性生產(chǎn)的工藝設(shè)計總方案，有效提升多品種、小批量生產(chǎn)模式下航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工效率和質(zhì)量。
1 序言
我國航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對航空結(jié)構(gòu)件的加工效率和質(zhì)量提出了更高的要求。航空結(jié)構(gòu)件作為飛機(jī)的重要連接和承力結(jié)構(gòu)，廣泛采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。與其他行業(yè)的數(shù)控產(chǎn)品相比，航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種多和批量小的特點，多采用專用設(shè)備和工裝進(jìn)行加工，專業(yè)化和集成化的程度較低[1]。為了提升航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率，需要引進(jìn)更為先進(jìn)的加工制造技術(shù)和工藝設(shè)計方案。
柔性制造技術(shù)作為一種新的制造技術(shù)，已經(jīng)在機(jī)械制造、部件裝配等多個領(lǐng)域開展了相關(guān)應(yīng)用。在我國，柔性制造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域中的應(yīng)用尚且處于探索階段[2]，多家國內(nèi)航空企業(yè)已相繼開展柔性生產(chǎn)線技術(shù)的應(yīng)用研究。柔性生產(chǎn)線是以固定的機(jī)床設(shè)備為主體，配備相應(yīng)的物料運輸裝置、計算機(jī)控制系統(tǒng)、物料存儲庫等所組成的一條涉及產(chǎn)品數(shù)控加工全流程的自動化生產(chǎn)線[3]，具有產(chǎn)品柔性強(qiáng)、生產(chǎn)排產(chǎn)靈活、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和自動化程度高等特點。本文以航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為研究對象，分析柔性生產(chǎn)線上加工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及加工流程，針對柔性生產(chǎn)線加工過程中的自動化生產(chǎn)要求，開展了面向柔性生產(chǎn)控制的加工流程設(shè)計及工藝方案規(guī)劃，為航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的柔性生產(chǎn)提供一整套的工藝設(shè)計總體方案。
2 面向多族類航空結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計
在柔性生產(chǎn)線運行過程中，產(chǎn)品加工工藝流程的自動化控制是柔性化生產(chǎn)的核心，合理的加工工藝流程設(shè)計是生產(chǎn)線工藝設(shè)計的關(guān)鍵過程。產(chǎn)品的加工工藝流程是定義產(chǎn)品在生產(chǎn)線內(nèi)全過程的控制文件，柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)管控系統(tǒng)根據(jù)計劃訂單需求信息，通過調(diào)用相應(yīng)的加工工藝流程來實現(xiàn)產(chǎn)品的自動排產(chǎn)和無人化加工。
柔性生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計的第一個方面，由于航空產(chǎn)品生產(chǎn)對于零件制造全流程有嚴(yán)格的信息追溯性要求，因此，柔性生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計初期，首先要制定加工工藝流程控制文件的唯一性控制及變更規(guī)則。以零件圖號為主體，工藝流程控制文件按加工流程的不同，設(shè)計不同的編號規(guī)則，并進(jìn)行版次管理，實現(xiàn)產(chǎn)品的信息追溯性。以圖號為SYJ01的零件為例，規(guī)定單件加工后綴為_DJ，套料加工后綴為_TL，版次由A、B、C……依次類推，該零件的第一版單件加工工藝流程文件命名為：SYJ01_DJ_A，該文件編號在生產(chǎn)線中具有唯一性。
柔性生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計的第二個方面，是要考慮產(chǎn)品多樣性。由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類別多樣，因此在上線工藝流程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的相似性，開展成組化的零件族類劃分，在此基礎(chǔ)上，采用成組工藝進(jìn)行加工方案的設(shè)計。根據(jù)工藝相似性，可以設(shè)計適用于更多零件族的柔性工裝，解決傳統(tǒng)加工中專用工裝數(shù)量多、裝夾耗時且操作復(fù)雜的難題[4]。如圖1所示，加強(qiáng)隔板和機(jī)加框段2個結(jié)構(gòu)不同的產(chǎn)品族均采用正反2個工位加工，在柔性生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計中將使用相同的裝夾方案、相同的工裝，并采用同一套工藝流程。
a）加強(qiáng)隔板 
b）機(jī)加框段
圖1 基于工藝相似性的產(chǎn)品族合并
柔性生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計的第三個方面，結(jié)合柔性生產(chǎn)線上工藝資源的配置情況，優(yōu)化上線工藝流程設(shè)計。制約柔性生產(chǎn)線產(chǎn)品加工的因素包括毛料、工裝、刀具、機(jī)床設(shè)備和加工程序等，產(chǎn)品上線加工前需要完成相應(yīng)刀具、工裝和加工程序的準(zhǔn)備，當(dāng)毛料入庫并裝載完成后，生產(chǎn)管控系統(tǒng)需要依據(jù)不同產(chǎn)品需求數(shù)量和交付時間的差異，自動設(shè)計排產(chǎn)的優(yōu)先級并選擇合適的機(jī)床進(jìn)行加工。在滿足加工需求的前提下，減少工裝、刀具的需求數(shù)量，提升數(shù)控程序的效率，簡化加工工位，可以實現(xiàn)工藝流程設(shè)計的優(yōu)化。
柔性生產(chǎn)線上產(chǎn)品的加工以產(chǎn)品的工藝流程為指導(dǎo)，從毛料入庫開始，到零件加工完成出庫結(jié)束。單工位加工的產(chǎn)品，在生產(chǎn)線中的流轉(zhuǎn)過程如圖2所示。對于多工位加工的產(chǎn)品，某一工位加工結(jié)束后，半成品狀態(tài)的毛坯作為新的毛料入庫管理，根據(jù)生產(chǎn)訂單，重復(fù)上述過程，直至全部工位加工完成。
圖2 單工位加工產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)過程
3 面向航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無人化柔性加工的工藝方案設(shè)計
柔性生產(chǎn)線上產(chǎn)品的自動化加工，依賴于柔性化的工藝方案設(shè)計。以產(chǎn)品數(shù)控加工程序的穩(wěn)定可靠為前提，包含了柔性工裝的設(shè)計、毛料的機(jī)外裝夾方案、自動找正方案、刀具管理方案、自動化連續(xù)加工方案、機(jī)內(nèi)檢測和機(jī)內(nèi)清屑等環(huán)節(jié)[5]，將全流程寫入工藝流程文件，實現(xiàn)航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的無人化柔性加工。
3.1 機(jī)外裝夾及快速換裝
在柔性生產(chǎn)線中，零件的裝夾準(zhǔn)備需要在生產(chǎn)線外完成。在裝載完成后，需要將毛料和工裝一起送入機(jī)床，工裝和毛料作為一個整體，在機(jī)床內(nèi)應(yīng)實現(xiàn)準(zhǔn)確快速的定位和夾緊。目前，廣泛采用零點定位技術(shù)，解決工裝快速拆卸、精度定位的問題。零點托盤裝配如圖3所示，可以設(shè)計一組基于零點定位結(jié)構(gòu)的組合式工裝，基礎(chǔ)底板通過墊高塊固定在機(jī)床臺面上，裝有毛料或其他夾具的基礎(chǔ)托盤，通過導(dǎo)銷引導(dǎo)，使用零點定位夾頭，快速與基礎(chǔ)底板定位和夾緊，實現(xiàn)快速換裝。
圖3 零點托盤裝配示意
3.2 自動找正及在線測量
柔性生產(chǎn)線的加工過程中，需要將操作人員手動操作手輪、按鍵以及應(yīng)用尋邊儀、千分表和探頭等手動找正設(shè)置工件坐標(biāo)系的過程轉(zhuǎn)化為程序的自動操作。在自動化生產(chǎn)線中，機(jī)床配備了機(jī)用測頭，通過開發(fā)后處理軟件，用數(shù)控程序驅(qū)動測頭對毛料的直邊、孔和平面等不同特征進(jìn)行測量，完成加工坐標(biāo)系的設(shè)定。
在線測量功能通過引入測量宏程序，對半精加工后的尺寸位置進(jìn)行測量，將測量值寫入機(jī)床中對比差值，進(jìn)行動態(tài)加工補(bǔ)償。加工完成后，在線測量功能可對零件實際加工尺寸進(jìn)行測量和記錄，當(dāng)尺寸超差時進(jìn)行質(zhì)量預(yù)警。
3.3 刀具管控方案
在柔性生產(chǎn)線中，對加工所使用刀具的規(guī)格、數(shù)量有著特殊要求。為了便于刀具管理和檢測，根據(jù)刀具類型和規(guī)格，對刀具名稱進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，保證刀具名稱的唯一性，形成標(biāo)準(zhǔn)化刀具數(shù)據(jù)庫。柔性生產(chǎn)線同時配備了專用的刀具監(jiān)控系統(tǒng)，可以對刀具切削振動、使用壽命進(jìn)行統(tǒng)計分析，提示刀具更換，有效避免刀具磨損、損壞造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題。常規(guī)的刀具選型，僅考慮了零件結(jié)構(gòu)特征及加工特性。由于機(jī)床刀庫中可存儲的刀具數(shù)量有限，所以在工藝方案設(shè)計中需合并刀具規(guī)格。在實際使用中，只有當(dāng)程序調(diào)用的刀具名稱與機(jī)床刀庫存儲的刀具名稱相同時，才能完成刀具的自動調(diào)用。
3.4 自動清屑方案
在數(shù)控加工過程中，切屑的積累會導(dǎo)致產(chǎn)品最終表面質(zhì)量變差，甚至?xí)鸬毒哒车?，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。選用某型強(qiáng)力機(jī)用風(fēng)扇，將風(fēng)扇作為刀具入庫管理，在加工過程中調(diào)用吹屑程序，清除零件加工過程中的切屑，保證加工的連續(xù)性。同時，由于托盤出線時不能將切屑帶出，根據(jù)現(xiàn)場加工的實際工況，編制清屑宏程序，將風(fēng)扇固定角度后機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)運動，可以將工件、托盤及機(jī)床上的切屑清潔到位。
3.5 自動加工串聯(lián)方案
程序的自動調(diào)用依托于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)功能，同時需要與生產(chǎn)管控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。編制與生產(chǎn)管控系統(tǒng)相匹配的數(shù)控加工主程序，應(yīng)用子程序調(diào)用功能，可以實現(xiàn)各類子程序的調(diào)用，同時需添加程序信息、子程序名和刀具名等信息注釋行，用于生產(chǎn)管控系統(tǒng)對主程序的預(yù)讀。通過信息預(yù)讀，生產(chǎn)管控系統(tǒng)可以判斷子程序是否存在，刀具名稱是否對應(yīng)，只有信息一一匹配時，主程序才能被正確調(diào)用，生產(chǎn)訂單方可正常運行，完成加工過程。
4 案例應(yīng)用
選取飛機(jī)的加強(qiáng)肋零件，開展柔性生產(chǎn)線的上線加工測試。編制典型件的工藝流程文件，導(dǎo)入柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)管控系統(tǒng)中，用于自動化的產(chǎn)品工序調(diào)用。從毛坯的線外裝夾（見圖4）開始，到產(chǎn)品加工結(jié)束，驗證了產(chǎn)品在柔性生產(chǎn)線中全流程無人化柔性加工的可行性。該方案能夠大幅提升機(jī)床利用率，同時顯著提高產(chǎn)品的加工效率。
圖4 毛坯的線外裝夾
5 結(jié)束語
從傳統(tǒng)的單機(jī)加工向柔性自動化加工的轉(zhuǎn)型，是航空結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)的一大飛躍。本文通過面向多族類航空結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)控制的工藝流程設(shè)計，為實現(xiàn)從人工工序控制向自動化控制系統(tǒng)的工序控制轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，通過機(jī)外裝夾和快速換裝方案設(shè)計，以及自適應(yīng)找正、刀具管理、自動清屑控制以及自動過程檢測控制等面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)無人化柔性加工的工藝開發(fā)設(shè)計，將使航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的自動化柔性加工成為可能。
