李衛(wèi)華

（深圳技師學(xué)院中德智造學(xué)院，廣東深圳 518116）

1 引言

世界技能大賽由世界技能組織舉辦，被譽(yù)為“技能屆的奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺(tái),代表當(dāng)今世界技能界的最高水平。

目前，世界技能大賽比賽項(xiàng)目共分為結(jié)構(gòu)與建筑技術(shù)、創(chuàng)意藝術(shù)和時(shí)尚、信息與通信技術(shù)、制造與工程技術(shù)、社會(huì)與個(gè)人服務(wù)和運(yùn)輸與物流6個(gè)大類，共計(jì)46個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目。

其中，數(shù)控銑項(xiàng)目屬于世界技能大賽制造與工程技術(shù)這一大類。數(shù)控銑即數(shù)控銑削技術(shù)（CNC-MILLING），它主要是指根據(jù)圖紙要求、采用CAD/CAM軟件生成數(shù)控加工程序，并傳輸?shù)綌?shù)控銑床（或加工中心），數(shù)控銑床（或加工中心）采用去除金屬材料的方式對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，制造出精密零件。

數(shù)控銑技術(shù)人員需要完成的操作有：

（1）解讀圖紙，制定加工工藝。

（2）利用CAD/CAM軟件，生成數(shù)控加工程序。

（3）在數(shù)控銑床（或加工中心）上完成刀具、夾具及工件裝夾和對(duì)刀。

（4）按照金屬性能選擇適合的加工工藝參數(shù)完成工件加工。

（5）加工尺寸精度要求：±0.01～±0.02mm，形位精度要求0.015～0.025mm。

2 2015年43屆世界技能大賽數(shù)控銑項(xiàng)目介紹

2015年43屆世界技能大賽數(shù)控銑項(xiàng)目分為3個(gè)模塊，模塊一要求加工一件鋁件，模塊二和模塊三共要求各加工一件鋼件，比賽時(shí)間為期3天共計(jì)17.5h。本文以模塊三為研究對(duì)象，在深入細(xì)致研究圖紙信息的基礎(chǔ)上，對(duì)零件加工難點(diǎn)進(jìn)行深入剖析。

模塊三零件實(shí)物圖片如圖1所示，零件特征多樣，圖案豐富，其中“2015”圖案突出了43屆世界技能大賽在2015年舉辦這個(gè)主題。

模塊三要求選手7h內(nèi)分3個(gè)階段完成單個(gè)鋼件編程與加工：①第一階段2.5h完成CAD/CAM建模及編程；②第二階段0.5h完成刀具量具準(zhǔn)備；③最后階段4h完成零件加工。

各個(gè)階段獨(dú)立完成各自任務(wù)，不得越界。模塊三零件圖紙如圖2所示。

圖1 模塊三零件實(shí)物圖片

圖2 第43屆世賽數(shù)控銑項(xiàng)目模塊三圖紙

3 模塊三圖紙解讀及加工難點(diǎn)剖析

（1）難點(diǎn)一，零件毛坯材料硬，可切削性能差、加工難度大。

由模塊三圖紙可知，毛坯材料為1.1191，經(jīng)查手冊(cè)確定該材料牌號(hào)為C45E，為德國(guó)牌號(hào)的特種鋼，該材料化學(xué)組成為：碳C：0.42～0.5，硅Si：≤0.4，錳Mn：0.5～0.8，鎳 Ni：≤0.4，磷 P：≤0.03，硫 S：≤0.035，鉻Cr：≤0.4，鉬Mo：≤0.1，從材料組成可以看出該材料為合金鋼；德國(guó)C45E鋼類似于我國(guó)45鋼，兩者主要機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 德國(guó)C45E牌號(hào)鋼與中國(guó)45號(hào)鋼對(duì)比

由表1可知德國(guó)C45E鋼各項(xiàng)機(jī)械性能均高于我國(guó)45鋼，尤其是影響加工的兩項(xiàng)重要物理參數(shù)：屈服強(qiáng)度和表面硬度，C45E鋼都高于45鋼；從鋼的機(jī)械加工性能角度對(duì)比C45E鋼、45鋼兩種鋼，C45E鋼自身加工難度更大，對(duì)刀具自身材料和加工過程冷卻散熱條件要求更高。

（2）難點(diǎn)二：加工量大，加工時(shí)間長(zhǎng)。

一方面，圖紙給出的毛坯尺寸（150×100×50mm）比較大，加工需去除的材料非常大，經(jīng)UG8.5軟件對(duì)該圖紙進(jìn)行實(shí)體建模測(cè)算，有將近1/3的零件體積需要去除；另一方面，工件需3個(gè)面加工，工件裝夾次數(shù)多，所用刀具種類多、換刀頻繁，從而增加了對(duì)刀次數(shù)和對(duì)刀時(shí)間，加上中途停機(jī)檢測(cè)，導(dǎo)致整個(gè)工件加工耗時(shí)比較長(zhǎng)。而該競(jìng)賽模塊要求選手必須在4h內(nèi)完成工件加工這個(gè)單項(xiàng)，對(duì)選手技能水平要求非常高。

（3）難點(diǎn)三：零件尺寸精度及位置精度要求高。

（4）難點(diǎn)四：加工尺寸多，對(duì)選手機(jī)械識(shí)圖及CAD/CAM能力要求比較高。

該零件尺寸將近100個(gè)，第一眼看這圖紙，尺寸是密密麻麻，所以對(duì)選手的看圖能力也是一個(gè)考驗(yàn)，圖上有尺寸公差要求且需加工保證的尺寸多達(dá)53個(gè)，如等，如此多的加工尺寸，尤其是這么多正公差、負(fù)公差尺寸，要求選手掌握建模前對(duì)這些特殊尺寸進(jìn)行計(jì)算調(diào)整的技巧，方便后面加工保證精度，而競(jìng)賽要求2.5h內(nèi)完成模塊三CAD/CAM，對(duì)選手機(jī)械識(shí)圖能力及CAD/CAM能力也是一個(gè)重要考驗(yàn)。

（5）難點(diǎn)五：表面粗糙度要求高。

圖2中φ10H7mm、φ27H7mm這些光孔的表面粗糙度值要求達(dá)到Ra0.8μm，一些特征的表面粗糙度值要求為Ra1.0μm，除此外，其它區(qū)域要求表面粗糙度值均要達(dá)到Ra1.6μm，零件整體表面粗糙度要求非常高，這對(duì)加工提出了更高要求，一定程度上增加了加工難度。

（6）難點(diǎn)六：加工方式涉及比較廣。

加工該零件幾乎涵蓋了在數(shù)控銑床（加工中心）上所能完成的所有加工方式，包括銑、鉆（點(diǎn)鉆、鉆孔）、擴(kuò)、攻絲、螺紋銑削、鉸孔、鏜孔等多種加工方式；在4h熟練運(yùn)用如此多的加工方式完成工件加工，這就要求競(jìng)賽選手基本功要扎實(shí)，訓(xùn)練要有素，綜合能力要強(qiáng)。

（7）難點(diǎn)七：加工的特征比較多、圖案比較豐富。

該零件的3D效果圖如圖3所示。從圖3可知該零件需要正面、反面、頂面3面裝夾加工，加工特征既有規(guī)則的方、圓、圓環(huán)、也有不規(guī)則的開口槽、半圓槽、還有斜面、倒角、內(nèi)外螺紋等。具體來(lái)說，零件正面由封閉環(huán)形槽、開口U型槽、10×M6mm內(nèi)螺紋、M42×1.5mm外螺紋、φ10H7mm、φ27H7mm高精度光孔、及斜面組成的“2015”圖案；零件反面由方形凸臺(tái)、方形槽、封閉U型槽、高精度光孔開口圓臺(tái)、6×φ5mm盲孔等形狀組成，零件頂面則由棘形凸臺(tái)、對(duì)稱斜面及單個(gè)φ5mm盲孔組成。零件特征比較多，圖案比較豐富，建模和編程難度比較大。

（8）難點(diǎn)八：加工所用刀具材料要求高且刀具規(guī)格種類數(shù)量繁多。

圖3 模塊三零件UG8.5三維模型

工欲善其事，必先利其器。加工該工件既要保證加工精度又要提高加工效率，只有兩者兼得方能在競(jìng)賽中取勝。因此對(duì)于刀具選用則提出更高要求，該工件所用刀具均選擇優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金刀具或特制刀具，并要求這些刀具能耐磨耐高溫，具有良好的切削性能，使用壽命要長(zhǎng)，這是其一；其二，粗加工、半精加工及精加工刀具都要分開，這樣加工精度才更有保證。另外，加工該工件用到的刀具門類齊全，數(shù)量繁多，包括：飛刀、中心鉆、球刀、不同規(guī)格的立銑刀、不同規(guī)格的鉆頭、不同規(guī)格的鉸刀、鏜刀，倒角刀、機(jī)用絲錐和外螺紋銑刀等等，刀具數(shù)量多達(dá)30把。因此對(duì)選手駕馭這批刀具提出更高要求，在保證安全的前提下，要熟練操作不出錯(cuò)，做到少失誤，不失誤。

（9）難點(diǎn)九：對(duì)檢測(cè)手段及量具精度要求高。

精密量具是加工精度和質(zhì)量的重要保障之一。該零件加工尺寸精度誤差要求：（±0.01～±0.02mm），形位精度要求0.015～0.025mm，為如此高的精度保駕護(hù)航，則需配備一套完整的高性能、高精密、易操作的量具，品牌推薦國(guó)際知名廠家如三豐等，沒有好的量具，精度無(wú)從談起。該零件所用的量具包括：高精度數(shù)顯卡尺（精度0.001mm）、高精度數(shù)顯深度尺（精度0.001mm）、高精度內(nèi)外徑千分尺、高精度粗糙度測(cè)量?jī)x，高精度圓柱塞規(guī)、外螺紋環(huán)規(guī)、內(nèi)螺紋塞規(guī)、萬(wàn)能角度尺、標(biāo)準(zhǔn)量塊、高精度杠桿表及百分表等。

4 結(jié)論

從43屆世賽數(shù)控銑項(xiàng)目模塊三圖紙入手，深入解讀圖紙信息，對(duì)影響該零件加工的毛坯材料、尺寸精度和位置精度、表面粗糙度、刀具要求、加工方式和檢測(cè)手段共九個(gè)難點(diǎn)方面進(jìn)行剖析，其意義主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：首先為后續(xù)工藝規(guī)劃、加工方案設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，其次對(duì)后續(xù)CAD建模和CAM編程加工奠定了基礎(chǔ)，最后也為研究世賽數(shù)控銑項(xiàng)目的讀者提供了借鑒和參考。限于篇幅的原因，加工工藝和編程加工等內(nèi)容沒有涉及，后續(xù)將進(jìn)行研究探討。