基于TRIZ的飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件加工適應(yīng)性裝夾設(shè)計(jì)

劉 適，馬 飛，褚福舜

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091）

1 飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件加工變形要因及機(jī)理

飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的毛坯材料以預(yù)拉伸板料或鍛件為主，多采用數(shù)控加工去除多余金屬材料得到最終零件。毛坯狀態(tài)不佳、零件結(jié)構(gòu)剛性差，切削力過大、切削熱及切削振動(dòng)等均容易導(dǎo)致零件變形[2]。大量研究表明，引起工件變形的原因可以分解為彈性變形、塑性變形、熱變形和殘余應(yīng)力變形[3]。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)導(dǎo)致產(chǎn)生加工變形的諸多因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其中殘余應(yīng)力的釋放與重分布對(duì)薄壁構(gòu)件的影響較大，是導(dǎo)致零件變形的主要影響因素，其機(jī)理在于零件毛坯在制造時(shí)受內(nèi)外部冷卻速度不同的影響，外層冷卻快而內(nèi)層慢，故毛坯外層表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)層為壓應(yīng)力狀態(tài)。只有拉壓應(yīng)力處于平衡狀態(tài)毛坯才能夠穩(wěn)定，故自平衡是殘余應(yīng)力的重要特性[6]，但是自平衡不代表應(yīng)力在毛坯內(nèi)部是均勻分布的。當(dāng)加工零件時(shí)，毛坯形狀發(fā)生變化，殘余應(yīng)力的自平衡被打破，為了形成新的自平衡，殘余應(yīng)力會(huì)重新分布，在宏觀上就表現(xiàn)為零件的變形。殘余應(yīng)力的重新分布變化越大，零件的變形就會(huì)越大。

在實(shí)際加工中（圖1），零件被夾具夾持固定，隨著加工中材料被逐漸去除，殘余應(yīng)力失衡，并呈現(xiàn)逐步釋放的趨勢(shì)。而由于零件受到夾緊力的限制，應(yīng)力釋放受到約束，故此時(shí)零件的變形表現(xiàn)得并不明顯。一旦加工完后將夾具拆除，零件不再受到夾緊力的外力約束時(shí)，應(yīng)力將完全釋放，零件就會(huì)產(chǎn)生顯著的變形。加工后的零件應(yīng)力場(chǎng)還將慢慢轉(zhuǎn)化為更低能量的分布狀態(tài)，工件形狀還將隨之變化，但是該變形遠(yuǎn)小于工裝釋放瞬間的變形。實(shí)際加工的情況也證明了毛坯件的內(nèi)應(yīng)力釋放及再平衡是導(dǎo)致航空結(jié)構(gòu)件整體變形的主要因素[7]。從上述過程也可以看出，夾緊力與加工變形有較大的相關(guān)性，因此，裝夾方式和夾具的設(shè)計(jì)對(duì)于加工變形的控制有著重要影響。

圖1 零件在夾具裝拆中的變形過程示意Fig.1 Deformation process of part’s clamping and unclamping

2 飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件加工變形控制主要方法

2.1 毛坯選擇

從毛坯產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機(jī)理上可看出，零件毛坯本身的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)零件加工變形影響較大[8]。如果毛坯應(yīng)力分布均勻，其加工變形的規(guī)律就易于掌握，通過提前測(cè)量應(yīng)力分布進(jìn)行加工前仿真、生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)控等，較容易通過工藝方案優(yōu)化等手段有效控制零件的加工變形。反之，如果毛坯的應(yīng)力分布不均，毫無規(guī)律，則使零件的變形不可控。在生產(chǎn)實(shí)踐中通過使用進(jìn)口材料和國產(chǎn)材料的對(duì)比，明顯發(fā)現(xiàn)使用殘余應(yīng)力分布較均勻的進(jìn)口材料加工的零件變形較小，而國產(chǎn)材料由于殘余應(yīng)力分布不均勻，加工出的零件的變形問題明顯比采用進(jìn)口材料加工出的零件嚴(yán)重。

近年來，由于技術(shù)封鎖等原因，用于飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件加工制造的進(jìn)口毛坯已經(jīng)難以獲取，而且即使能夠少量采購價(jià)格也極為高昂。因此，一方面為了滿足成本控制需求，另一方面也是為了積極響應(yīng)國家號(hào)召、推動(dòng)國內(nèi)毛坯廠家的發(fā)展，國產(chǎn)毛坯正在逐漸取代進(jìn)口材料，這也客觀上造成零件變形問題成為當(dāng)前航空結(jié)構(gòu)件制造的一個(gè)瓶頸。

2.2 內(nèi)應(yīng)力預(yù)釋放

內(nèi)應(yīng)力預(yù)釋放主要是指通過時(shí)效處理和加工出應(yīng)力釋放槽或缺口，使零件在精加工前的應(yīng)力盡可能釋放，變形充分，精加工前再通過重新調(diào)整基準(zhǔn)，保證精加工的正確性[9]。

針對(duì)典型的雙面大型結(jié)構(gòu)件，實(shí)際加工采用的工藝方案為：粗加工A面→自然時(shí)效→粗加工B面→自然時(shí)效→專用夾具壓緊精加工A面→松開夾具自然時(shí)效→無應(yīng)力狀態(tài)重新修正基準(zhǔn)面→專用夾具壓緊精加工B面。

上述工藝方案其實(shí)就是在整個(gè)零件加工過程中通過自然時(shí)效多次釋放應(yīng)力來逐步消除變形的影響。該方案的問題是加工周期長，人工操作多。加工過程中需要松開夾具，在無應(yīng)力狀態(tài)下人工加墊調(diào)平，重修基準(zhǔn)，這個(gè)過程視零件的變形情況甚至有可能需要反復(fù)多次。其典型過程如圖2所示。

圖2 拆裝夾具及調(diào)平修基準(zhǔn)典型過程Fig.2 Typical process of setting fixture and adjust datum

對(duì)于不同種零件其變形情況及變形量均不相同，而即使批產(chǎn)的同一種零件，每一件的變形量等具體情況都可能有較大差異，給人工調(diào)整操作帶來了巨大困難，造成生產(chǎn)質(zhì)量的不穩(wěn)定和生產(chǎn)效率的低下。

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對(duì)于航空大型結(jié)構(gòu)件加工變形控制而言還有很多其他方法，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，但實(shí)踐表明，在盡可能選擇優(yōu)質(zhì)毛坯的情況下，內(nèi)應(yīng)力預(yù)釋放仍是一種相對(duì)簡(jiǎn)單有效的方法[10]。對(duì)于內(nèi)應(yīng)力預(yù)釋放的方法而言，最重要的問題是零件的反復(fù)裝夾，因此，對(duì)零件的裝夾系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)是解決問題的一個(gè)主要方向。為了提高改進(jìn)和創(chuàng)新的效率，選擇TRIZ 這個(gè)工具作進(jìn)一步的分析。

3 基于TRIZ 理論的問題分析

TRIZ 是俄文“發(fā)明問題解決理論”對(duì)應(yīng)的拉丁字母縮寫，是一種基于知識(shí)的、面向人的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法學(xué)。TRIZ 理論作為解決工程實(shí)際問題行之有效的工具之一，已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)等多個(gè)方面[11]。TRIZ 理論提出了多種分析方法和工具，其中對(duì)問題的分析是解決問題的重要階段，包括系統(tǒng)組件模型建立、資源分析、功能分析等，再利用技術(shù)或物理沖突等工具尋求創(chuàng)新原理，找到解決問題的捷徑，從而推動(dòng)產(chǎn)品的改善和創(chuàng)新。

如圖3所示，重點(diǎn)對(duì)數(shù)控加工裝夾系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)組件模型。系統(tǒng)的作用對(duì)象為零件，組件為刀具、夾具，超系統(tǒng)組件為裝夾人員和機(jī)床工作臺(tái)或通用平臺(tái)。通用平臺(tái)上一般均布孔系或T 型槽，是為了增強(qiáng)機(jī)床裝夾靈活性而在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常使用的工具?？梢娏慵c刀具、夾具之間存在著有害和不足的作用，這是改進(jìn)問題的重點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)組件模型Fig.3 Component model of system

圖4所示為刀具對(duì)零件進(jìn)行切削擠壓，在零件薄壁無支撐的情況下，很可能會(huì)造成零件較大的局部變形，同時(shí)也有發(fā)生顫振的可能，因此，此時(shí)刀具對(duì)零件是有害作用。為了減輕這種影響，通常在夾具上設(shè)置支撐，增強(qiáng)加工剛性，但這就增加了夾具的復(fù)雜性，如圖5所示。

圖4 無支撐腹板受刀具作用發(fā)生變形Fig.4 Deformation of unsupported web by effect of cutting tool

圖5 夾具上防止零件變形的支撐Fig.5 Support on fixture to prevent deformation of part

加工時(shí)夾具固定在機(jī)床工作臺(tái)或者通用平臺(tái)上，夾具對(duì)零件起到支撐和夾緊作用。正常情況下，夾具對(duì)零件施加的支撐與夾緊作用是有用功能，但是加工中出現(xiàn)變形問題卻正是因?yàn)檫@兩個(gè)因素的影響。首先由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件多是薄壁零件，零件結(jié)構(gòu)剛性差，夾具對(duì)零件的支撐不足，就會(huì)出現(xiàn)如圖4 中類似的情況，需要采取如圖5 類似的加強(qiáng)支撐。而夾具的有害作用則表現(xiàn)為夾緊力對(duì)零件應(yīng)力釋放的阻礙，即夾緊力對(duì)加工有利，對(duì)變形有害。

4 基于TRIZ 理論的解決方案概念設(shè)計(jì)

TRIZ 理論解決問題主要是要研究系統(tǒng)中的矛盾或沖突，提出了技術(shù)矛盾和物理矛盾兩種，矛盾是通過TRIZ 理論確定的39 個(gè)工程參數(shù)來描述的[12]。從對(duì)問題的分析中可以發(fā)現(xiàn)加工中既需要夾緊力壓緊零件，但又不需要夾緊力阻礙應(yīng)力釋放，因此系統(tǒng)的物理矛盾是“力”。而另一對(duì)是技術(shù)矛盾，即兩個(gè)參數(shù)的影響，優(yōu)化一個(gè)參數(shù)但另一個(gè)參數(shù)惡化。為了增強(qiáng)零件的加工剛性（即強(qiáng)度），導(dǎo)致夾具上要增加支撐，使夾緊結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因此，技術(shù)矛盾是“強(qiáng)度”和“系統(tǒng)的復(fù)雜性”。

針對(duì)物理矛盾，采用條件分離的原理可以解決，即切削零件時(shí)用夾具壓緊，切削完成后松開夾具，這也是前文提到目前采用的方法，但缺點(diǎn)就是人工操作復(fù)雜，耗時(shí)長。因此，重點(diǎn)應(yīng)想辦法如何快速的使夾具在夾緊與松開的狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。

針對(duì)“強(qiáng)度”和“系統(tǒng)的復(fù)雜性”這對(duì)技術(shù)矛盾，通過阿奇舒勒矛盾矩陣來尋找創(chuàng)新原理，如表1 中序號(hào)14所示。其中創(chuàng)新原理25 為“自服務(wù)原理”，創(chuàng)新原理28 為“機(jī)械系統(tǒng)替代”原理，如果夾具能夠從一個(gè)剛性體借助一定機(jī)械系統(tǒng)變?yōu)槿嵝匝b置，自動(dòng)適應(yīng)零件的變形，既保證壓緊，又保證應(yīng)力釋放，則可以解決上述的矛盾[13]。

5 基于TRIZ 理論的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)概念設(shè)計(jì)的思路，要想使夾具成為一個(gè)具有自服務(wù)功能的能夠自動(dòng)適應(yīng)零件變形的物體，則在切削完成后夾具的形狀要發(fā)生變化，這必然需要引入相應(yīng)裝置或設(shè)施，也即增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，由此可以得到一對(duì)技術(shù)矛盾：改善“形狀”與惡化“系統(tǒng)的復(fù)雜性”。如表1 中序號(hào)12所示從矛盾矩陣表中得到創(chuàng)新原理16，29，1，28。其中創(chuàng)新原理29 為“氣壓和液壓結(jié)構(gòu)”原理，創(chuàng)新原理1 為“分割”原理。

表1 矛盾矩陣表Table 1 Contradiction matrix

運(yùn)用“分割原理”，考慮將整體夾具模塊化，用不同的模塊來支撐零件不同的部位，這就為夾具從剛性體變?yōu)槿嵝泽w創(chuàng)造了條件，如圖6所示。

圖6 模塊化夾具Fig.6 Modular fixture

夾具模塊化后出現(xiàn)了新的問題：即模塊化的夾具的安裝定位難度較大，平臺(tái)與夾具模塊之間的作用不充分，一是不易定位，二是容易出現(xiàn)局部松動(dòng)的問題。通過物場(chǎng)分析建立物場(chǎng)模型，如圖7所示，這是一個(gè)典型的難以控制的物場(chǎng)模型。利用標(biāo)準(zhǔn)解，引入一個(gè)易控場(chǎng)來建立一個(gè)并聯(lián)式復(fù)合物場(chǎng)模型，通過比較最終選擇磁場(chǎng)。如圖8所示，通過磁力連接來保證裝夾的穩(wěn)定性，將各夾具模塊通磁形成磁力模塊，將通用平臺(tái)更換為鐵磁性平臺(tái)，這樣各模塊就能夠吸附在平臺(tái)上，如圖9所示。

圖7 難以控制的基本物場(chǎng)Fig.7 Uncontrollable basic object filed

圖8 并聯(lián)式復(fù)合物場(chǎng)Fig.8 Parallel complex object filed

圖9 最終方案使用磁力模塊配合鐵磁性平臺(tái)Fig.9 Final scheme using magnetic module with ferro magnetic platform

最后，為了解決自適應(yīng)的問題，運(yùn)用“氣壓和液壓結(jié)構(gòu)”原理，在每個(gè)磁力模塊上設(shè)置氣壓或液壓裝置，使零件變形時(shí)夾具隨之浮動(dòng)，從而與零件的變形相適應(yīng)[14]。最終的方案選用了可靠性較高的液壓方式。系統(tǒng)的工作原理如圖10 和11所示。注意圖中的浮動(dòng)塊是一個(gè)通過液壓控制的可以上下運(yùn)動(dòng)的滑塊，浮動(dòng)塊有螺紋，可以與穿過零件的螺釘連接。當(dāng)零件處于加工狀態(tài)，浮動(dòng)塊與磁力座之間通過側(cè)面銷釘限位，使浮動(dòng)塊無法運(yùn)動(dòng)，保證了加工的穩(wěn)定，如圖10（a）所示。當(dāng)加工完成需要釋放應(yīng)力時(shí)，將銷釘松開，浮動(dòng)塊則可以隨零件的變形上下運(yùn)動(dòng)，既不需要人工松螺釘，又保證了夾具和零件的變形相適應(yīng)。

圖10 裝夾系統(tǒng)工作原理圖Fig.10 Working principle of clamping system

為了更方便實(shí)際使用，實(shí)現(xiàn)前述的條件分離原理，浮動(dòng)塊銷釘?shù)乃删o使用氣壓控制的方式，通過增加一個(gè)空壓機(jī)由人工控制，如圖11所示。

圖11 裝夾系統(tǒng)詳圖Fig.11 Details of clamping system

基于上述設(shè)計(jì)，進(jìn)行了夾具的實(shí)物制造并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選擇一項(xiàng)長度約2m 的具有各種典型結(jié)構(gòu)特征的鋁合金長梁類航空結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工。毛坯完成定位孔、壓緊孔制孔工作后置于夾具上進(jìn)行第一面粗精加工。在加工中零件逐漸發(fā)生變形，第一面加工完后，夾具隨零件的變形浮動(dòng)，此時(shí)不需要松開螺釘即可對(duì)零件基準(zhǔn)進(jìn)行修整，大大簡(jiǎn)化了反復(fù)拆裝加墊修基準(zhǔn)的繁瑣過程。圖12 為該裝夾系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的情況，試驗(yàn)證明該夾具的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際的加工要求，能夠很好地適應(yīng)零件的變形，起到了很好的控制加工變形的效果。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況Fig.12 Field application

6 結(jié)論

本研究夾具的設(shè)計(jì)充分利用了TRIZ 理論，通過建立組件模型，找到技術(shù)矛盾，運(yùn)用阿奇舒勒矛盾矩陣找到創(chuàng)新原理，結(jié)合物場(chǎng)分析，得到最優(yōu)解，是應(yīng)用TRIZ理論的一個(gè)典型案例。

該裝夾系統(tǒng)較好地解決了飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件加工變形問題，提高了零件的加工效率及質(zhì)量，推動(dòng)了國產(chǎn)鋁合金毛坯材料在飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用，減少了生產(chǎn)的制約因素。同時(shí)，系統(tǒng)也提高了夾具的通用化程度，減少了專用夾具的數(shù)量，降低了夾具成本。