43届世赛数控铣项目模块三加工难点剖析＊

李卫华

（深圳技师学院中德智造学院，广东深圳 518116）

1 引言

世界技能大赛由世界技能组织举办，被誉为“技能届的奥林匹克”，是世界技能组织成员展示和交流职业技能的重要平台,代表当今世界技能界的最高水平。

目前，世界技能大赛比赛项目共分为结构与建筑技术、创意艺术和时尚、信息与通信技术、制造与工程技术、社会与个人服务和运输与物流6个大类，共计46个竞赛项目。

其中，数控铣项目属于世界技能大赛制造与工程技术这一大类。数控铣即数控铣削技术（CNC-MILLING），它主要是指根据图纸要求、采用CAD/CAM软件生成数控加工程序，并传输到数控铣床（或加工中心），数控铣床（或加工中心）采用去除金属材料的方式对工件进行铣削加工，制造出精密零件。

数控铣技术人员需要完成的操作有：

（1）解读图纸，制定加工工艺。

（2）利用CAD/CAM软件，生成数控加工程序。

（3）在数控铣床（或加工中心）上完成刀具、夹具及工件装夹和对刀。

（4）按照金属性能选择适合的加工工艺参数完成工件加工。

（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届世界技能大赛数控铣项目介绍

2015年43届世界技能大赛数控铣项目分为3个模块，模块一要求加工一件铝件，模块二和模块三共要求各加工一件钢件，比赛时间为期3天共计17.5h。本文以模块三为研究对象，在深入细致研究图纸信息的基础上，对零件加工难点进行深入剖析。

模块三零件实物图片如图1所示，零件特征多样，图案丰富，其中“2015”图案突出了43届世界技能大赛在2015年举办这个主题。

模块三要求选手7h内分3个阶段完成单个钢件编程与加工：①第一阶段2.5h完成CAD/CAM建模及编程；②第二阶段0.5h完成刀具量具准备；③最后阶段4h完成零件加工。

各个阶段独立完成各自任务，不得越界。模块三零件图纸如图2所示。

图1 模块三零件实物图片

图2 第43届世赛数控铣项目模块三图纸

3 模块三图纸解读及加工难点剖析

（1）难点一，零件毛坯材料硬，可切削性能差、加工难度大。

由模块三图纸可知，毛坯材料为1.1191，经查手册确定该材料牌号为C45E，为德国牌号的特种钢，该材料化学组成为：碳C：0.42～0.5，硅Si：≤0.4，锰Mn：0.5～0.8，镍 Ni：≤0.4，磷 P：≤0.03，硫 S：≤0.035，铬Cr：≤0.4，钼Mo：≤0.1，从材料组成可以看出该材料为合金钢；德国C45E钢类似于我国45钢，两者主要机械性能参数如表1所示。

表1 德国C45E牌号钢与中国45号钢对比

由表1可知德国C45E钢各项机械性能均高于我国45钢，尤其是影响加工的两项重要物理参数：屈服强度和表面硬度，C45E钢都高于45钢；从钢的机械加工性能角度对比C45E钢、45钢两种钢，C45E钢自身加工难度更大，对刀具自身材料和加工过程冷却散热条件要求更高。

（2）难点二：加工量大，加工时间长。

一方面，图纸给出的毛坯尺寸（150×100×50mm）比较大，加工需去除的材料非常大，经UG8.5软件对该图纸进行实体建模测算，有将近1/3的零件体积需要去除；另一方面，工件需3个面加工，工件装夹次数多，所用刀具种类多、换刀频繁，从而增加了对刀次数和对刀时间，加上中途停机检测，导致整个工件加工耗时比较长。而该竞赛模块要求选手必须在4h内完成工件加工这个单项，对选手技能水平要求非常高。

（3）难点三：零件尺寸精度及位置精度要求高。

（4）难点四：加工尺寸多，对选手机械识图及CAD/CAM能力要求比较高。

该零件尺寸将近100个，第一眼看这图纸，尺寸是密密麻麻，所以对选手的看图能力也是一个考验，图上有尺寸公差要求且需加工保证的尺寸多达53个，如等，如此多的加工尺寸，尤其是这么多正公差、负公差尺寸，要求选手掌握建模前对这些特殊尺寸进行计算调整的技巧，方便后面加工保证精度，而竞赛要求2.5h内完成模块三CAD/CAM，对选手机械识图能力及CAD/CAM能力也是一个重要考验。

（5）难点五：表面粗糙度要求高。

图2中φ10H7mm、φ27H7mm这些光孔的表面粗糙度值要求达到Ra0.8μm，一些特征的表面粗糙度值要求为Ra1.0μm，除此外，其它区域要求表面粗糙度值均要达到Ra1.6μm，零件整体表面粗糙度要求非常高，这对加工提出了更高要求，一定程度上增加了加工难度。

（6）难点六：加工方式涉及比较广。

加工该零件几乎涵盖了在数控铣床（加工中心）上所能完成的所有加工方式，包括铣、钻（点钻、钻孔）、扩、攻丝、螺纹铣削、铰孔、镗孔等多种加工方式；在4h熟练运用如此多的加工方式完成工件加工，这就要求竞赛选手基本功要扎实，训练要有素，综合能力要强。

（7）难点七：加工的特征比较多、图案比较丰富。

该零件的3D效果图如图3所示。从图3可知该零件需要正面、反面、顶面3面装夹加工，加工特征既有规则的方、圆、圆环、也有不规则的开口槽、半圆槽、还有斜面、倒角、内外螺纹等。具体来说，零件正面由封闭环形槽、开口U型槽、10×M6mm内螺纹、M42×1.5mm外螺纹、φ10H7mm、φ27H7mm高精度光孔、及斜面组成的“2015”图案；零件反面由方形凸台、方形槽、封闭U型槽、高精度光孔开口圆台、6×φ5mm盲孔等形状组成，零件顶面则由棘形凸台、对称斜面及单个φ5mm盲孔组成。零件特征比较多，图案比较丰富，建模和编程难度比较大。

（8）难点八：加工所用刀具材料要求高且刀具规格种类数量繁多。

图3 模块三零件UG8.5三维模型

工欲善其事，必先利其器。加工该工件既要保证加工精度又要提高加工效率，只有两者兼得方能在竞赛中取胜。因此对于刀具选用则提出更高要求，该工件所用刀具均选择优质硬质合金刀具或特制刀具，并要求这些刀具能耐磨耐高温，具有良好的切削性能，使用寿命要长，这是其一；其二，粗加工、半精加工及精加工刀具都要分开，这样加工精度才更有保证。另外，加工该工件用到的刀具门类齐全，数量繁多，包括：飞刀、中心钻、球刀、不同规格的立铣刀、不同规格的钻头、不同规格的铰刀、镗刀，倒角刀、机用丝锥和外螺纹铣刀等等，刀具数量多达30把。因此对选手驾驭这批刀具提出更高要求，在保证安全的前提下，要熟练操作不出错，做到少失误，不失误。

（9）难点九：对检测手段及量具精度要求高。

精密量具是加工精度和质量的重要保障之一。该零件加工尺寸精度误差要求：（±0.01～±0.02mm），形位精度要求0.015～0.025mm，为如此高的精度保驾护航，则需配备一套完整的高性能、高精密、易操作的量具，品牌推荐国际知名厂家如三丰等，没有好的量具，精度无从谈起。该零件所用的量具包括：高精度数显卡尺（精度0.001mm）、高精度数显深度尺（精度0.001mm）、高精度内外径千分尺、高精度粗糙度测量仪，高精度圆柱塞规、外螺纹环规、内螺纹塞规、万能角度尺、标准量块、高精度杠杆表及百分表等。

4 结论

从43届世赛数控铣项目模块三图纸入手，深入解读图纸信息，对影响该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、加工方式和检测手段共九个难点方面进行剖析，其意义主要体现在3个方面：首先为后续工艺规划、加工方案设计提供了指导，其次对后续CAD建模和CAM编程加工奠定了基础，最后也为研究世赛数控铣项目的读者提供了借鉴和参考。限于篇幅的原因，加工工艺和编程加工等内容没有涉及，后续将进行研究探讨。