李衛(wèi)華
(深圳技師學(xué)院中德智造學(xué)院,廣東深圳 518116)
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,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目共分為結(jié)構(gòu)與建筑技術(shù)、創(chuàng)意藝術(shù)和時尚、信息與通信技術(shù)、制造與工程技術(shù)、社會與個人服務(wù)和運輸與物流6個大類,共計46個競賽項目。
其中,數(shù)控銑項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。
2015年43屆世界技能大賽數(shù)控銑項目分為3個模塊,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,比賽時間為期3天共計17.5h。本文以模塊三為研究對象,在深入細(xì)致研究圖紙信息的基礎(chǔ)上,對零件加工難點進(jìn)行深入剖析。
模塊三零件實物圖片如圖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年舉辦這個主題。
模塊三要求選手7h內(nèi)分3個階段完成單個鋼件編程與加工: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。
各個階段獨立完成各自任務(wù),不得越界。模塊三零件圖紙如圖2所示。
圖1 模塊三零件實物圖片
圖2 第43屆世賽數(shù)控銑項目模塊三圖紙
(1)難點一,零件毛坯材料硬,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)查手冊確定該材料牌號為C45E,為德國牌號的特種鋼,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C45E鋼類似于我國45鋼,兩者主要機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。
表1 德國C45E牌號鋼與中國45號鋼對比
由表1可知德國C45E鋼各項機(jī)械性能均高于我國45鋼,尤其是影響加工的兩項重要物理參數(shù):屈服強(qiáng)度和表面硬度,C45E鋼都高于45鋼;從鋼的機(jī)械加工性能角度對比C45E鋼、45鋼兩種鋼,C45E鋼自身加工難度更大,對刀具自身材料和加工過程冷卻散熱條件要求更高。
(2)難點二:加工量大,加工時間長。
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軟件對該圖紙進(jìn)行實體建模測算,有將近1/3的零件體積需要去除;另一方面,工件需3個面加工,工件裝夾次數(shù)多,所用刀具種類多、換刀頻繁,從而增加了對刀次數(shù)和對刀時間,加上中途停機(jī)檢測,導(dǎo)致整個工件加工耗時比較長。而該競賽模塊要求選手必須在4h內(nèi)完成工件加工這個單項,對選手技能水平要求非常高。
(3)難點三:零件尺寸精度及位置精度要求高。
(4)難點四:加工尺寸多,對選手機(jī)械識圖及CAD/CAM能力要求比較高。
該零件尺寸將近100個,第一眼看這圖紙,尺寸是密密麻麻,所以對選手的看圖能力也是一個考驗,圖上有尺寸公差要求且需加工保證的尺寸多達(dá)53個,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這些特殊尺寸進(jìn)行計算調(diào)整的技巧,方便后面加工保證精度,而競賽要求2.5h內(nèi)完成模塊三CAD/CAM,對選手機(jī)械識圖能力及CAD/CAM能力也是一個重要考驗。
(5)難點五: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,這對加工提出了更高要求,一定程度上增加了加工難度。
(6)難點六: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熟練運用如此多的加工方式完成工件加工,這就要求競賽選手基本功要扎實,訓(xùn)練要有素,綜合能力要強(qiáng)。
(7)難點七: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、方形槽、封閉U型槽、高精度光孔開口圓臺、6×φ5mm盲孔等形狀組成,零件頂面則由棘形凸臺、對稱斜面及單個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賽中取勝。因此對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,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,做到少失誤,不失誤。
(9)難點九:對檢測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,品牌推薦國際知名廠家如三豐等,沒有好的量具,精度無從談起。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、高精度粗糙度測量儀,高精度圓柱塞規(guī)、外螺紋環(huán)規(guī)、內(nèi)螺紋塞規(guī)、萬能角度尺、標(biāo)準(zhǔn)量塊、高精度杠桿表及百分表等。
從43屆世賽數(shù)控銑項目模塊三圖紙入手,深入解讀圖紙信息,對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、加工方式和檢測手段共九個難點方面進(jìn)行剖析,其意義主要體現(xiàn)在3個方面:首先為后續(xù)工藝規(guī)劃、加工方案設(shè)計提供了指導(dǎo),其次對后續(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。