43屆世賽數控銑項目模塊三加工難點剖析＊

李衛華

（深圳技師學院中德智造學院，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技能的重要平臺,代表當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構與建筑技術、創意藝術和時尚、信息與通信技術、制造與工程技術、社會與個人服務和運輸與物流6個大類，共計46個競賽項目。

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

數控銑技術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，生成數控加工程序。

（3）在數控銑床（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屆世界技能大賽數控銑項目介紹

2015年43屆世界技能大賽數控銑項目分為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，在深入細致研究圖紙信息的基礎上，對零件加工難點進行深入剖析。

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，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屆世賽數控銑項目模塊三圖紙

3 模塊三圖紙解讀及加工難點剖析

（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，兩者主要機械性能參數如表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：屈服強度和表面硬度，C45E鋼都高于45鋼；從鋼的機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UG8.5軟件對該圖紙進行實體建模測算，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，工件裝夾次數多，所用刀具種類多、換刀頻繁，從而增加了對刀次數和對刀時間，加上中途停機檢測，導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53個，如等，如此多的加工尺寸，尤其是這么多正公差、負公差尺寸，要求選手掌握建模前對這些特殊尺寸進行計算調整的技巧，方便后面加工保證精度，而競賽要求2.5h內完成模塊三CAD/CAM，對選手機械識圖能力及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，其它區域要求表面粗糙度值均要達到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、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，訓練要有素，綜合能力要強。

（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，加工特征既有規則的方、圓、圓環、也有不規則的開口槽、半圓槽、還有斜面、倒角、內外螺紋等。具體來說，零件正面由封閉環形槽、開口U型槽、10×M6mm內螺紋、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格種類數量繁多。

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質硬質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，數量繁多，包括：飛刀、中心鉆、球刀、不同規格的立銑刀、不同規格的鉆頭、不同規格的鉸刀、鏜刀，倒角刀、機用絲錐和外螺紋銑刀等等，刀具數量多達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：高精度數顯卡尺（精度0.001mm）、高精度數顯深度尺（精度0.001mm）、高精度內外徑千分尺、高精度粗糙度測量儀，高精度圓柱塞規、外螺紋環規、內螺紋塞規、萬能角度尺、標準量塊、高精度杠桿表及百分表等。

4 結論

從43屆世賽數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行剖析，其意義主要體現在3個方面：首先為后續工藝規劃、加工方案設計提供了指導，其次對后續CAD建模和CAM編程加工奠定了基礎，最后也為研究世賽數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容沒有涉及，后續將進行研究探討。