细长轴零件加工变形抑制工艺参数优化与实证研究

一、设计模型形状结构、加工技术关键分析

1.1 零件形状结构分析

该零件材料为 06Cr18Ni9 不锈钢金属圆棒，零件具体结构和部分尺寸参考图如图1：

1.2 零件加工难点及关键技术分析

该零件为典型长轴类零件，该零件具有以下三个特点。

第一，长径比大。零件总长 585，而最小孔径仅为 Φ 8，长径比达到了73.125，一般的数车难以胜任加工。

第二，变形问题突出。该零件原材料为 06Cr18Ni9，不锈钢在加工时加工应力较大；且该零件是一个比较扁平的结构，材料去除率达到 85% 左右，加工余量大。这些特性决定了零件加工过程中较易变形。

第三，零件中的斜孔需要保证较高的角度要求。对于该零件，因为易变形的原因，不能采用车铣复合、五轴加工中心等设备一次加工完成的方式来保证所有的角向关系。

综上，此类结构零件的加工过程中加工方式的选择、工步顺序的先后安排、装夹方式的确定、防止零件因残余应力变形等都是此项零件加工的主要技术关键所在。

二、零件加工方法及工艺路线制定

2.1 零件加工方法的选择和加工流程安排

零件 Φ8 深孔的加工。该孔细长，如果选用普通车床进行加工，会有两个影响加工的因素：a）刀具悬伸过长，存在尾部甩动；b）使用的刀具为螺旋式的排屑槽，冷却液无法进入加工部位，会导致烧结、粘刀，甚至断刀；因此，在 Φ8 深孔加工时选用数控深孔钻床作为加工设备。

零件异型部分的加工。如采用三轴加工中心进行加工，沿轴线方向加工的最大深度达到了 500mm ，无法加工；沿圆柱轴线方向水平装夹，零件则只能采用仿形方式进行加工，但零件该部位与圆柱相交处为直角，无过渡圆弧，无法完全加工。因此采用四轴加工中心来作为异形部位的精加工设备。另，考虑零件余量较大，因此在精加工之前应选用三轴加工中心进行零件余量的去除。

零件斜孔的加工。斜孔的加工首选五轴加工中心进行，对加工流程进行分析：如斜孔在去除大余量前进行，后续去除余量时会产生形变而导致精度不复存在；如斜孔在异形面加工后进行，因零件长径比大、刚性差，不利于保证零件的角向。基于以上两点，将零件斜孔的安排在三轴加工中心去余量之后，四轴加工中心精加工之前。

综上所述，加工方法包括：数控深孔钻床加工深长孔；四轴加工中心加工异形部分；五轴加工中心加工斜孔。工艺路线如下：

2.2 零件加工过程的优化

在上一节中，已经根据零件形状结构特点和加工难点分析，结合既定加工方法，确定了零件的加工流程。

初步分析各工序的加工内容和加工特点，其中工序 10、工序 20、工序 40、工序 50、工序 70、工序 90、工序 100、工序 110 不涉及优化内容，不需要特别调整。接下来对零件加工流程进行具体分析。

工序 30，车外形。此工序主要是车光毛坯表面，并为后工序深孔加工车出夹持基准，后者为主要加工内容。因此，需要根据深孔加工的夹持要求，在两端面车出 60^∘ 的锥形结构用以夹持。

工序 60，铣外形。分析此工序，其目的在于去除大的余量并为后续加工提供基准。基准设置的原则应当是简单易测量，而且由于此工序为中间工序，不涉及任何一个最终零件尺寸，所以加工内容也应当遵从简单、经济的原则，因此将此工充加工内容设计为铣四方，并保证四个面之间的位置度。

工序 80，铣外形。此工序主要的加工内容是铣异形部位，为最终的精加工工序，分析此工序：如果直接采用一夹一顶的方式进行，因为零件过长、中间悬空部分很大，所以刚性较差，在加工时会产生较大的挠度而导致变形，造成零件加工不合格。

在一夹一顶的装夹方式下，零件受的切削力可简化为一个点的集中受力，见图2。在中间位置会产生最大的形变，也就是最大的挠度，根据跨中一个集中载荷下的最大挠度计算公式：

Y max=8pl3 /384EI以及切削应力的计算公式：

F=C pa0.86 pf 0.72 xd -0.86 B zK

设定最大刀具为 ϕ10 的硬质合金立铣刀，查表并代入相应的数值，要保证 Ymax⩽0.05 ，则跨间长度 1⩽129mm ，也就是说零件500mm 的长度上至少应设置 3 个均分的点来作支撑才能保证形变量在 0.05mm 以内。因此，此工序加工方式采用一夹一顶，中间辅以三个均分排布的支撑块的方式来进行加工。

三、总结

通过本次对现有生产条件情况下的试验加工，保障了该零件的设计图样要求，并且对此类典型长轴零件在加工方法上积累了一定的经验，对加工中各工步的安排、前后余量的协调控制等，都作了大量充分的准备，使加工的风险降到最底，成功率大大提高。

参考文献

[1] 《机械加工工艺设计实用手册》主编：张耀宸 航空工业出版社

[2] 《机械制造工艺学》主编：陈明 机械工业出版社

[3] 《机械原理第七版》主编：孙恒 高等教育出版社

[4] 《材料力学》主编：范存新 重庆大学出版社

作者简介：安俊峰 (1990 年 ~ 至今 )，性别 : 男，民族 : 汉，籍贯（具体到省、市）: 四川乐山，职务/ 职称: 工程师，学历 : 本科，单位:，研究方向: 机械加工。