航空制造业一直在面对产品质量、交货期、生产管理等严苛挑战，“十四五”发展规划中，航空工业还作出了打造“数智航空”新业态的战略部署。必须由传统加工向自动化、数字化加工转型。从顶层设计到具体工艺，极其注重整体生产工艺优化的可持续性，技术团队突破以数控机床投资优化为主导的传统理念，进一步在提升机床利用率、自动上下料等方面动脑筋，以小博大。
南京航空航天大学机电学院李亮教授曾指出：“随着智能制造理念的实践深入，曾一度被忽视的工装夹具，在工艺流程中的重要性突显，以‘小工装’撬动整个产线自动化升级的应用更是屡见不鲜。柔性、精密、标准、智能是现代工装夹具的发展方向，模块化工装应用代表了发展所趋，有利于企业加速进行深度数字化、智能化生产。”
如图1所示，该款壳体零件有着镂空的圆柱体形状，以及左右两侧对称且带有圆孔的耳片结构。在原有的工艺方案中，此零件的定位基准使用的是零件内孔齿顶圆及定位工艺孔。
装夹时，选用传统“一面两销”的装夹方式，当一次装夹后，加工零件的上表面内腔及外轮廓；加工完成后，人工换装以加工下表面内腔；而后再拆装两次，完成左、右耳片轮廓及孔的加工。至整个零件加工完成，需要两套夹具主体（如图2），以及4次人工装夹操作。
图1壳体机构复杂图2夹具主体
“传统装夹的最大问题就是产品装夹与产品换型的效率低下。以此零件为例，加工中人工装夹的时间大概在5分钟，4次装夹就是20分钟。另外，在加工完成后需要更换另一型号零件时，由于现有夹具的齿顶圆定位芯轴与夹具本体为固定装配，不能用于其他直径的零件，因此需要进行包括拆卸清理、更换夹具、装夹找正等长达11道工序的重新装夹操作，所需时间更是超过60分钟。
图3传统装夹方式下产品换型流程图
过度依赖人工装夹，所带来的另一大问题就是加工精度的不稳定。由于操作人员技能水平的差异，在产品换型装夹、找正夹具精度上会产生偏差，造成定位基准不一致，由此而带来的加工质量不稳定的情况时常出现。除此之外，还有传统夹具通用性差所引起的夹具库存大、成本浪费，以及可插拔定位销易对夹具本体和销子造成磨损，降低夹具定位精度等多种问题困扰。
全新方案设计：零点快换系统+芯轴+快换拉钉
零点快换系统是当前工装夹具标准化趋势下的一项创新技术，是机床工作台与工件（或夹具）的一个标准接口，在数秒内，即可通过一个或多个定位销将工件、夹持装置、托盘与机床端的夹持系统快速紧固连接，精确地夹紧在设备中，从而提升不同工艺的转化和设备连接的通用性，将整个制造资源的匹配最大化。
这一夹持方案（如图4），在不改变原有工艺方案及定位基准的情况下，通过由基础底座、零点定位器、液压芯轴、零点快换拉钉和变径套组成的工装系统，实现一次装夹加工3个表面，再通过零点快换的方式，快速切换到工件反面与侧面的加工工位，大大简化了原有的装夹流程，提升了装夹效率与精度。
图4“零点定位系统+芯轴+快换拉钉”夹持方案
零件在机床外通过液压芯轴锁紧后，利用零点快换方式安装于4轴加工中心的工作台上，而后只需将角向限位安装到位，即可开始加工产品的正面轮廓。一面加工完成后，再通过简单的4轴正、负向旋转90°，实现两侧耳片轮廓的切削加工。
产品反面特征的加工则更为便捷，也是此新方案的一大亮点。根据零件的结构特征，在液压芯轴的的正反两侧均制作了快换接口，当正面轮廓加工完成后，只需将芯轴调换180°，即可立即对工件反面进行夹持加工，这样创新性的设计思路不仅最大程度提升了装夹效率，也将夹具的柔性无限拓展。当外轮廓与正反面特征均加工完成后，将夹具侧置安装在4轴加工中心的法兰上，通过4轴的旋转，可最后完成产品两侧耳片上斜孔的加工。
在产品换型的装夹中，对于不同齿顶圆直径的零件也无需再更换整个夹具主体，只需在一套夹具基础底座上增加零点快换系统和可移动定位销，同时通过更换芯轴和芯轴的变径套以及端面定位装置，调整定位销位置或更换不同规格定位销即可实现不同零件的快速更换与夹紧。
柔性、复用的模块化工装带来极致高效
通过模块化零点快换装夹方案，工件在加工中人工装夹的操作时间从原来的5分钟缩短至1分钟，在产品换型时的装夹中，由于无需更换夹具底座并重新找正，装夹效率显著提高，时间从60分钟大幅缩短至10分钟。
图5时间对比表
同时，基于零点定位系统和液压芯轴的配合，不同零件的换型装夹操作可在机床外进行。在实际生产过程中，可实现一套在机内加工，一套在机外装夹工件，如发现工件需要返工时，也可以将芯轴和工件二次装入机床，直接加工。无需停机等待的优势更进一步提升了机床利用率、提高了加工效率。另外，用一套夹具覆盖43种同类型产品，替换原有的28套夹具的强大通用性，大大减少了夹具库存，降低了成本投入，也为日后批量生产奠定了基础。
图6优化后产品换型的流程
图7批生产加工流程
与传统依赖人工手动装夹、找正相比，液压芯轴的定位精度小于0.003mm、零点定位系统的重复精度在0.002mm以内，双重精度的保障使得产品在实现快速换型的同时，工件的良率以及稳定性、经济性都得到了大幅提升。