航空制造業一直在面對產品質量、交貨期、生產管理等嚴苛挑戰，“十四五”發展規劃中，航空工業還作出了打造“數智航空”新業態的戰略部署。必須由傳統加工向自動化、數字化加工轉型。從頂層設計到具體工藝，極其注重整體生產工藝優化的可持續性，技術團隊突破以數控機床投資優化為主導的傳統理念，進一步在提升機床利用率、自動上下料等方面動腦筋，以小博大。
南京航空航天大學機電學院李亮教授曾指出：“隨著智能制造理念的實踐深入，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’撬動整個產線自動化升級的應用更是屢見不鮮。柔性、精密、標準、智能是現代工裝夾具的發展方向，模塊化工裝應用代表了發展所趨，有利于企業加速進行深度數字化、智能化生產。”
如圖1所示，該款殼體零件有著鏤空的圓柱體形狀，以及左右兩側對稱且帶有圓孔的耳片結構。在原有的工藝方案中，此零件的定位基準使用的是零件內孔齒頂圓及定位工藝孔。
裝夾時，選用傳統“一面兩銷”的裝夾方式，當一次裝夾后，加工零件的上表面內腔及外輪廓；加工完成后，人工換裝以加工下表面內腔；而后再拆裝兩次，完成左、右耳片輪廓及孔的加工。至整個零件加工完成，需要兩套夾具主體（如圖2），以及4次人工裝夾操作。
圖1殼體機構復雜圖2夾具主體
“傳統裝夾的最大問題就是產品裝夾與產品換型的效率低下。以此零件為例，加工中人工裝夾的時間大概在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零件時，由于現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，因此需要進行包括拆卸清理、更換夾具、裝夾找正等長達11道工序的重新裝夾操作，所需時間更是超過60分鐘。
圖3傳統裝夾方式下產品換型流程圖
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定。由于操作人員技能水平的差異，在產品換型裝夾、找正夾具精度上會產生偏差，造成定位基準不一致，由此而帶來的加工質量不穩定的情況時常出現。除此之外，還有傳統夾具通用性差所引起的夾具庫存大、成本浪費，以及可插拔定位銷易對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。
全新方案設計：零點快換系統+芯軸+快換拉釘
零點快換系統是當前工裝夾具標準化趨勢下的一項創新技術，是機床工作臺與工件（或夾具）的一個標準接口，在數秒內，即可通過一個或多個定位銷將工件、夾持裝置、托盤與機床端的夾持系統快速緊固連接，精確地夾緊在設備中，從而提升不同工藝的轉化和設備連接的通用性，將整個制造資源的匹配最大化。
這一夾持方案（如圖4），在不改變原有工藝方案及定位基準的情況下，通過由基礎底座、零點定位器、液壓芯軸、零點快換拉釘和變徑套組成的工裝系統，實現一次裝夾加工3個表面，再通過零點快換的方式，快速切換到工件反面與側面的加工工位，大大簡化了原有的裝夾流程，提升了裝夾效率與精度。
圖4“零點定位系統+芯軸+快換拉釘”夾持方案
零件在機床外通過液壓芯軸鎖緊后，利用零點快換方式安裝于4軸加工中心的工作臺上，而后只需將角向限位安裝到位，即可開始加工產品的正面輪廓。一面加工完成后，再通過簡單的4軸正、負向旋轉90°，實現兩側耳片輪廓的切削加工。
產品反面特征的加工則更為便捷，也是此新方案的一大亮點。根據零件的結構特征，在液壓芯軸的的正反兩側均制作了快換接口，當正面輪廓加工完成后，只需將芯軸調換180°，即可立即對工件反面進行夾持加工，這樣創新性的設計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。當外輪廓與正反面特征均加工完成后，將夾具側置安裝在4軸加工中心的法蘭上，通過4軸的旋轉，可最后完成產品兩側耳片上斜孔的加工。
在產品換型的裝夾中，對于不同齒頂圓直徑的零件也無需再更換整個夾具主體，只需在一套夾具基礎底座上增加零點快換系統和可移動定位銷，同時通過更換芯軸和芯軸的變徑套以及端面定位裝置，調整定位銷位置或更換不同規格定位銷即可實現不同零件的快速更換與夾緊。
柔性、復用的模塊化工裝帶來極致高效
通過模塊化零點快換裝夾方案，工件在加工中人工裝夾的操作時間從原來的5分鐘縮短至1分鐘，在產品換型時的裝夾中，由于無需更換夾具底座并重新找正，裝夾效率顯著提高，時間從60分鐘大幅縮短至10分鐘。
圖5時間對比表
同時，基于零點定位系統和液壓芯軸的配合，不同零件的換型裝夾操作可在機床外進行。在實際生產過程中，可實現一套在機內加工，一套在機外裝夾工件，如發現工件需要返工時，也可以將芯軸和工件二次裝入機床，直接加工。無需停機等待的優勢更進一步提升了機床利用率、提高了加工效率。另外，用一套夾具覆蓋43種同類型產品，替換原有的28套夾具的強大通用性，大大減少了夾具庫存，降低了成本投入，也為日后批量生產奠定了基礎。
圖6優化后產品換型的流程
圖7批生產加工流程
與傳統依賴人工手動裝夾、找正相比，液壓芯軸的定位精度小于0.003mm、零點定位系統的重復精度在0.002mm以內，雙重精度的保障使得產品在實現快速換型的同時，工件的良率以及穩定性、經濟性都得到了大幅提升。