锁键零件的高效高质加工

夏春和，赵纯颖

1. 沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110850 2. 中航沈飞民用飞机有限责任公司 辽宁沈阳 110850

1 序言

飞机机体表面安装了大量维护口盖，用于对飞机内部机载设备进行检查、维修。口盖锁是维护口盖开启、闭合的开关，其质量直接关系到维护口盖使用的便捷性和安全性。图1所示的HB2-12口盖锁是一种用于飞机频繁开启的非承力触发式口盖锁，由壳体、锁键、杠杆、压板、弹簧、轴、衬筒和衬套8部分组成。其中除锁键外的7个部件的加工方法比较成熟，质量稳定，而锁键原材料为工字型材，来料的型腔尺寸公差大，尺寸一致性差，定位装夹困难，如果依旧采用比较原始的制造方法，则产品的加工效率较低，质量不稳定。

图1 HB2-12口盖锁

2 锁键加工存在的问题

锁键零件材料为LY12-CZ铝合金型材。零件外形是带U形槽的双摇臂结构形式，左右对称。零件结构尺寸如图2所示。锁键摇臂与锁键“舌头”高度不同，采用倒角形式过渡。锁键“舌头”前端设计为弧面，方便口盖锁闭合锁紧。

图2 锁键零件结构尺寸

锁键零件原加工工艺流程：材料检验→单件下料→钳工去毛刺→钳工抛光底面→人工测量分组→铣削一侧端面（摇臂）→钳工去毛刺→铣削另一侧端面（摇臂）→铣削上平面→钳工去毛刺→铣削U形槽口→铣削前端面→钳工去毛刺→铣削缺口→铣削倒角斜面→钳工锉修R角、去毛刺→钳工钻孔、划窝→表面处理→成品检验→入库。

加工中存在的问题如下。

1）铣削锁键摇臂两侧端面前，需要先根据型腔实际尺寸人工测量分组，再计算出端面去除量，费时费力，效率低。

2）锁键摇臂两侧端面铣削工序，加工效率较低，对称度质量稍差。

3）锁键U形槽口对称度差，两侧余量不均匀，容易产生飞边残留。

4）锁键外形加工流程繁冗，加工内容简单，周转次数高，操作人员劳动强度大。

3 原因分析

1）锁键原材料XC351工字型材为热挤压成形加工，型腔宽度公差比较大，在0.20mm左右，导致锁键摇臂两侧端面的去除量不同。加工前需要根据型腔实际宽度尺寸，人工计算出去除量，再将去除量相同的分在一起。而锁键零件需求数量大，人工测量分组费时、费力，严重影响生产进度。

2）锁键摇臂宽度采用两侧端面互为定位基准的方式加工，两次装夹铣削，加工方式比较繁琐，加工效率较低。由于加工采用的定位基准与设计基准不重合，因此加工后两侧摇臂厚度尺寸一致性差，存在明显的尺寸差异，零件对称度质量稍差。

3）锁键U形槽口加工工序使用摇臂一侧端面作为定位基准，由于定位基准与设计基准不重合，因此U形槽口加工后会存在向一侧偏移的现象。而上道工序的摇臂厚度一致性不好，存在尺寸差异，U形槽口铣削后摇臂厚的一侧内壁会残留飞边。

4）锁键外形采用普通铣床加工，受设备能力、装夹定位方式限制，一次装夹仅能加工一个工步，无法实现集成加工更多内容，周转次数高；另外，由于加工内容简单，每道工序加工时间短，需要反复快速装夹，因此操作人员劳动强度增大。

4 高效高质加工措施

针对锁键零件加工中存在的效率和质量问题，从加工流程、装夹方式、加工设备及方法等几个方面采取工艺改进措施，实现高效高质加工。

4.1 简化加工流程

锁键零件原加工工艺流程繁冗，加工内容简单，加工效率较低，加工质量不稳定。针对这一问题，对工艺流程进行梳理和改进，合并相近工序，集中加工内容。将人工测量分组、铣削一侧端面（摇臂）、钳工去毛刺和铣削另一侧端面（摇臂）共4道工序合并成1道工序；将铣削上平面、铣削U形槽口、铣削前端面、铣削缺口和铣削倒角斜面共5道工序合并成1道工序。改进后的工艺流程：材料检验→单件下料→钳工去毛刺→钳工抛光底面→铣削两侧端面（摇臂）→钳工去毛刺→铣削外形及U形槽口→钳工锉修R角、去毛刺→钳工钻孔、划窝→表面处理→成品检验→入库。

4.2 优化装夹方式

锁键零件加工前人工测量分组、2道工序加工摇臂端面及多道工序加工锁键外形的根本原因，是锁键型材的型腔尺寸公差大、一致性差，不能使用同一个定位基准进行加工。为了解决这些问题，设计了一种新式专用工装——自定心铣削加工装置，采用锁键零件对称中心线作为定位基准。自定心铣削加工装置内部为螺距相同、螺旋相反的左右螺杆，可以带动卡爪、夹头同步向内、向外移动。与零件紧密贴合，即完成夹紧动作，此时零件中心线与两夹头中心线重合。由于两夹头是同步移动的，两夹头无论移动多远，其中心线位置固定不变，所以夹紧后零件中心线位置为两夹头中心线固定位置，夹紧过程即为自动找正中心的过程。铣削两侧端面（摇臂）工序时，夹头同时向外与型腔内壁紧密贴合并夹紧，工装如图3所示；铣削外形及U形槽口工序时，夹头同时向内与摇臂两侧端面紧密贴合并夹紧，工装如图4所示。由于锁键摇臂两侧端面采用自定心工装加工，因此壁厚尺寸均匀、一致性高，此时摇臂两侧端面的中心线与型腔中心线基本重合。

图3 铣削两侧端面（摇臂）工序用工装

图4 铣削外形及U形槽口工序用工装

4.3 调整加工设备及方法

锁键采用普通铣床加工，受设备能力、装夹定位方式限制，仅能逐个工步内容加工，加工效率较低，质量不稳定。随着新式装夹定位夹具、数控设备以及复杂结构刀具的广泛应用，锁键集成加工成为可能。

（1）铣削两侧端面（摇臂）工序 锁键零件摇臂宽度原采用普通立式铣床加工，对摇臂两侧端面分别进行铣削，去除余量大小需要根据型材宽度尺寸、锁键最终宽度尺寸进行计算得出，工作繁琐、效率低。工艺改进后采用自定心铣削加工装置，装置夹头与锁键型腔内壁接触，夹紧固定零件。装夹部位在锁键内部，锁键摇臂两个加工端面显露在外侧，同时加工两侧端面成为可能。为了降低劳动强度、提升加工效率，使用数控铣床替代原来的普通立式铣床来加工锁键摇臂宽度，一次装夹下使用φ10mm铣刀完成摇臂两侧端面加工。摇臂两侧端面单面去除余量不大，为0.2～0.4mm，切削力较小，自定心铣削加工装置夹紧力完全可以支持一次切削走刀加工。选用国产VMC850P数控铣床（见图5），加工参数：主轴转速4000r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量11mm，侧吃刀量0.3～0.5mm。

图5 VMC850P数控铣床

（2）铣削外形及U形槽口工序 锁键零件外形各尺寸和U形槽口尺寸使用多个设计基准，需要在普通立式铣床5次装夹加工，周转多次，费时费力。工艺改进后采用自定心铣削加工装置，装置夹头与摇臂两侧端面贴合，夹紧固定零件，可以同时加工零件外形和U形槽口。加工过程：首先使用φ10mm-R2mm铣刀加工锁键高度、总长、外形（仅倒角斜面保留0.5mm余量）及U形槽口（保留0.5mm余量），再更换R4mm内R铣刀加工锁键“舌头”前端圆弧；接着使用90°角度铣刀去除倒角斜面余量，使用φ6mm铣刀去除U形槽口余量；最后使用φ2mm铣刀对U形槽口转接部位做清根处理。由于锁键外形、U形槽口去除余量多，加工切削力较大，自定心铣削加工装置夹紧力不能支持一次切削走刀加工，因此采用多次走刀形式：锁键外形5次走刀、U形槽口3次走刀。为了不降低加工时间，选用国产S5F高速数控铣床（见图6），加工参数：数控铣床主轴转速9000r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量、侧吃刀量按需调整。

图6 S5F高速数控铣床

（3）铣刀的选用 锁键材料为LY12-CZ铝合金，是可热处理强化的中等强度的铝合金，抗拉强度约400MPa，与2024铝合金、DTD5090铝合金相近，经固溶热处理、自然时效或人工时效后，具有较高的强度[1]，主要应用于板材、棒材和型材等。该合金具有良好的塑性成形能力和机械加工性能，可以用于制造飞机结构、铆钉、载货汽车轮毂和螺旋桨元件等结构件，是目前制造行业使用较为广泛的铝合金之一。

与其他淬硬钢相比，LY12铝合金强度和硬度相对较低，塑性小，对刀具磨损小，热导率较高，切削温度较低，切削加工性较好，属于易加工材料，适于高速切削加工[2]。普通高速钢铣刀高速铣削LY12铝合金时，铣刀耐磨性稍差，批量零件加工时会影响产品加工表面质量，一般不建议使用。目前加工LY12铝合金常用硬质合金铣刀和含铝高速钢铣刀，一般选用3刃、4刃平底结构。铣刀尽可能选择较大的前角，切削锋利，可以有效避免积屑瘤产生[3]；尽量选择35°～55°的螺旋角，增大排屑槽，使切削更为顺畅；含铝高速钢铣刀尽量选用排屑槽经过精抛处理的，方便快速排屑。锁键零件外形加工或粗加工时，选择3刃有涂层的YG硬质合金立铣刀；精加工时，选择3刃无涂层的YG硬质合金立铣刀（见图7）；锁键“舌头”圆角部位加工时，选择3刃无涂层的YG硬质合金内R铣刀（见图8）；铣削倒角斜面时，选择2刃无涂层的YG硬质合金90°角度铣刀（见图9）。

图7 立铣刀

图8 内R铣刀

图9 90°角度铣刀

5 实施效果

5.1 生产效率和生产周期

加工流程经过优化改进，工序数量由原来的20道缩减为13道。铣削两侧端面（摇臂）工序（1000件）生产时间较改进前减少28.5h，效率较改进前提升58.8%；铣削外形及U形槽口工序（1000件）生产时间较改进前增加2.3h，效率较改进前降低3.7%，这是由于此道工序内容比较复杂，编程准备时间较长。但是从第2批次开始，可以直接调取程序，准备时间可以降低到2h以内，小于改进前准备时间。另外，考虑中间检验时间和工序间周转时间，铣削外形及U形槽口工序改进前后生产时间基本相同。工艺改进前后加工效果对比见表1。

表1 工艺改进前后加工效果对比

5.2 产品质量

锁键零件加工过程经过优化改进，零件对称度合格率由87%提升到100%，表面粗糙度值Ra也由6.3μm减小到3.2μm，达到精品程度。工艺改进前后产品质量对比见表2。工艺改进前后两侧端面、外形表面质量对比如图10、图11所示。

表2 工艺改进前后产品质量对比

图10 工艺改进前后两侧端面表面质量对比

图11 工艺改进前后外形表面质量对比

5.3 劳动强度

锁键零件优化流程前，每一道工序加工内容简单，基本就是一个工步，工序加工时间短暂，不到1min，加工过程基本就是反复快速装夹虎钳，操作人员劳动强度比较大。优化流程后，工序加工时间延长，操作人员可以得到短暂的休息时间，缓解疲劳；并且自定心铣削加工装置使用小规格外六角扳手锁紧，锁紧过程也比较容易，操作人员劳动强度下降明显。

6 结束语

针对锁键零件的高效高质加工进行技术研究，通过优化加工流程，调整装夹方式，从数控设备、加工方法和切削刀具等多个方面采取改进措施，取得了很好的效果，有效地解决了锁键零件加工过程中生产效率低、质量不稳定问题，缩短了锁键零件的生产周期，具有良好的经济性和实用性。

专家点评

文章针对锁键零件生产效率低、质量不稳定问题进行原因分析和技术革新，通过优化加工流程，调整装夹方式，从数控设备、加工方法和切削刀具等多个方面采取工艺改进措施，在数控铣床上应用自定心铣削加工装置和硬质合金铣刀，集中完成多道工序内容，解决了因铝合金型材尺寸一致性差而造成的加工问题，并大幅提高了生产效率和产品质量，降低了操作人员劳动强度，具有很好的可操作性和经济实用性，可在类似型材零件的批量生产中推广应用。

文章主题明确，论点突出，论证合理，在问题分析和加工措施方面阐述得比较详细，有一定的创新和见解。