線切割以外圓定位的簡便加工方法研究

摘要：隨著現代制造技術特別是汽車制造技術的迅速發展，傳統的加工方法已經無法滿足日益增長的精度和效率需求。為了解決這一問題，首先探討了線切割及外圓定位的基本原理，解析了兩者結合在實際應用中的優勢；其次說明了冶金模具制造中線切割以外圓定位的具體加工策略，以及提高冶金模具制造加工的精度和效率。

關鍵詞：線切割；外圓定位；冶金模具；加工

中圖分類號：U466 收稿日期：2024-08-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.026

1 前言

隨著現代制造技術特別是汽車加工技術的不斷進步，冶金模具制造過程中的精度和效率要求也在不斷提高，線切割技術作為一種高精度加工方法，在模具制造中應用十分廣泛。尤其在復雜幾何形狀和高硬度材料的加工中，線切割技術展示出了其獨特的優勢，但在實際生產過程中，為了進一步提升加工精度，線切割與外圓定位技術的結合逐漸成為研究的熱點。外圓定位技術能夠有效地提高工件在加工過程中的位置精度，確保最終產品的尺寸和形狀達到預期要求。

本文重點探討線切割以外圓定位的簡便加工方法，以理論與實踐結合的方式，分析這種方法在實際應用中的優勢和方法，為冶金模具制造的生產提供參考。

2 線切割及外圓定位的基本原理

2.1 線切割的基本原理

線切割（Wire Electrical Discharge Machining，WEDM）是一種非接觸式的加工方法，利用電蝕放電原理進行精密加工。線切割的基本原理是利用一根金屬線（銅線或鉬線），在工件和電極之間產生電火花放電，從而去除材料。線切割機臺結構如圖1所示。加工過程中，金屬線和工件之間的電壓不斷變化，當電壓達到某一臨界值時，擊穿絕緣液，產生電火花，這些電火花瞬間產生的高溫使工件表面局部熔化并氣化，隨后絕緣液帶走這些熔化的材料，形成細小的加工凹坑。線切割技術可以加工硬度較高的材料（如硬質合金和淬火鋼），且加工過程無機械應力，適用于加工細小復雜的零件，但線切割的加工速度較慢，適合精細加工而不適合大規模去除材料[1]。

2.2 外圓定位的基本原理

外圓定位指在機械加工過程中，對工件外圓進行精確定位，以確保加工的準確性和一致性，外圓定位的基本原理是利用工件的外圓作為基準，利用定位裝置將工件固定在機床上，以便進行后續的加工操作。目前，外圓定位通常使用三爪卡盤、四爪卡盤、錐度夾具等高精度的夾具或治具實現，夾緊方式取決于工件的形狀、尺寸和加工要求。定位夾具則以機械方式（如螺釘、楔塊）或液壓方式（如液壓卡盤）將工件緊固在機床上，確保其在加工過程中不會移動或偏移。

外圓定位過程中，首先需對工件進行預處理，如去除毛刺、清洗表面等，以確保定位精度，再將工件安裝在定位夾具上，對齊工件和機床的基準點。外圓定位的優點在于能夠實現高精度的重復定位，適用于批量生產和高精度要求的加工場景，可大幅提高加工效率和產品質量，但對于復雜形狀工件的定位難度較大等[2]。

3 線切割與外圓定位結合的應用優勢

3.1 提高加工精度

線切割和外圓定位技術結合應用能夠確保工件在加工過程中的位置穩定和路徑準確，實現高精度加工。結合數控系統控制金屬線的運動路徑進行線切割，能夠實現微米級的精度，但線切割的這種高精度只有在工件位置穩定的情況下才能實現。而外圓定位技術可利用高精度夾具和治具，將工件固定在機床上，確保在加工過程中工件不會發生偏移或抖動（圖2）。具體應用中，工件的外圓定位可以利用三爪卡盤或四爪卡盤等夾具抓住工件的外圓，防止其在加工過程中移動，同時利用液壓夾具和錐度夾具等裝置進一步提高工件的定位精度和穩定性[3]。

3.2 提高加工效率

線切割技術本身適用于復雜形狀和精密零件的制造，其依托電極絲對工件進行逐步切割，可以獲得非常精細的切口，而外圓定位則是通過精確的定位手段確保工件在加工過程中的穩定性和一致性，從而減少誤差和次品率。在傳統的加工方法中，工件的多次調整和測量是一個耗時的過程，而線切割與外圓定位結合后，可以大幅減少這種調整和測量的次數。

外圓定位確保了工件在整個加工過程中的穩定性，從而減少了停機時間和調整時間。線切割則通過連續切割提高了加工效率，不需要頻繁更換刀具或調整位置。綜合而言，這兩種技術的結合大大縮短了加工周期，提高了生產效率[4]。所以切割與外圓定位結合的加工方法能夠顯著縮短整體加工時間。

傳統的線切割加工，需要在每個工件上分別進行多次定位和固定，通常一個工件的加工時間在2 h左右。而采用外圓定位后，可以在一次定位中完成多個工件的加工。

例如，一次定位可以同時加工10個工件，每個工件的加工時間可以縮短至1.5 h，整體時間從20 h縮短至15 h，效率提升了25%傳統方法中，人工更換和定位工件的頻率較高，平均每小時需要人工干預3次，每次干預時間約為10 min。而結合外圓定位后，自動化流水線可以連續工作2 h無需人工干預，干預頻率減少到每小時1次，每次干預時間縮短至5 min。這樣一來，每小時節省了20 min的人工時間，自動化效率提升了50%。

4 冶金模具制造中線切割以外圓定位的加工策略

4.1 高精度定位

在冶金模具制造中，高精度定位是確保產品質量和生產效率的關鍵。線切割結合外圓定位的方法在這一過程中起到了重要作用。首先，溫度變化對工件尺寸的影響是一個需要解決的重要問題。在加工過程中，工件由于切割時產生的熱量會導致溫度升高，從而引起材料的熱膨脹。為了解決這一問題，可以采用恒溫環境控制系統來維持加工環境的溫度穩定，在加工車間安裝恒溫控制設備，將環境溫度控制在±1 ℃以內，從而減少由于溫度變化引起的工件尺寸誤差。

同時，傳統的定位方法由于人為因素和機械誤差的存在，往往難以達到高精度的要求。為了解決這一問題，可以采用高精度的數控系統和精密的測量裝置。在加工前，使用激光干涉儀或三坐標測量機對工件進行高精度的測量，確定其具體位置和尺寸。

然后，將這些數據輸入到數控系統中，利用自動化的定位程序，精確地調整工件的位置，確保其在加工過程中的定位精度。同時使用三爪卡盤或四爪卡盤固定工件，確保夾持力均勻分布，以防止工件變形。對于液壓夾具，可利用液壓系統精確控制夾持力，將夾持力控制在10～20 MPa范圍內。對于錐度夾具，則需調整錐度配合角度和夾持力，確保工件緊密配合且不滑動（圖3）。

在實際應用中，控制措施可以進行量化。例如，考慮熱膨脹引起的尺寸變化，可使用公式：

[ΔL=αLΔT] （1）

式中，ΔL為長度變化；α為材料的線膨脹系數；L為原始長度；ΔT為溫度變化。

比如，某鋼材的線膨脹系數α=12×10?6/℃，工件原始長度L=100 mm，溫度變化ΔT=10 ℃，則長度變化ΔL=12×10?6×100 mm×10=0.012 mm。通過恒溫控制ΔT，來在調整長度變化，這便可顯著提高加工精度。加工過程中，可結合現代化技術，使用激光對刀儀和在線測量系統實時檢測工件的實際位置與預設位置的偏差，結合具體參數調整機床參數，確保加工精度。加工完成后，依托高精度測量儀器復檢，確保其尺寸和位置精度符合設計要求。

4.2 線切割編程與外圓定位結合優化

冶金模具制造過程中，線切割與外圓定位的結合應用旨在最大限度地提高加工精度和效率。考慮到目前模具加工已經實現信息化，數控機床應用較為廣泛，所以兩者在結合中可使用CAD/CAM軟件進行線切割路徑規劃和仿真。具體而言，可以在軟件中創建工件的三維模型，模擬切割過程中的熱輸入和機械載荷，利用有限元分析（某模具機械載荷分析如圖4所示），可以觀察到工件在不同切割路徑下的應力集中和熱分布情況，再調整切割路徑和切割參數，如切割速度、切割深度和冷卻液流量，直到應力集中和熱變形減少到可接受的范圍。

在定位方面，可在軟件中建立定位裝置和工件的三維模型，以仿真模擬工件在不同定位狀態下的誤差分布。使用高精度測量設備獲取實際工件的尺寸數據，將其導入仿真模型進行對比驗證。反復調整定位裝置的設計和參數，直至仿真結果顯示工件定位誤差控制在0.001 mm以內，最后將整體進行反復仿真，以確保線切割路徑與外圓定位的一致性和最優化。

仿真過程中可只針對工件形變、定位誤差、加工路徑、溫度控制等關鍵問題進行嚴格監控，控制標準如表1所示。

表1 控制標準

[問題 措施 效果及標準 工件形變 采用三維建模軟件進行應力和熱分布仿真 最大應力不超過材料屈服強度的50%，溫度升高控制范圍內 定位誤差 通過三維建模軟件仿真定位裝置 定位誤差控制在0.01 mm以內 加工路徑不優化 使用CAM功能優化切割路徑 表面粗糙度Ra值不超過0.8 μm，加工時間合理 溫度控制 進行熱分析仿真，調整冷卻系統和參數 溫度變化控制在±1 ℃以內 ]

實際加工過程中，將工件固定在工作臺中，使用數控系統對工作臺進行精確的旋轉和定位，確保工件的外圓定位與軟件中的設定完全一致。此步驟中，需使用高精度測量儀器（如激光干涉儀或三坐標測量機）對定位精度進行反復校準和確認，確保誤差控制在0.002 mm以內。定位完成后，啟動線切割機床。此時，機床根據預先設定的程序路徑進行切割。為進一步確保精度，可以在切割過程中實時監控線切割位置和外圓定位的狀態。切割過程中，相關人員需實時監控數據，結合加工數據，在數控系統中實時調整參數，確保切割路徑與定位狀態一致。

為防止切割過程中產生的熱量和應力影響工件的定位精度，需使用高壓噴射系統在切割區域均勻噴灑冷卻液，以快速帶走切割產生的熱量，保持工件的穩定溫度。同時，在切割完成后，結合實際進行回火或退火，釋放工件內部的殘余應力，確保工件尺寸的穩定性和精度。

4.3 模塊化加工與外圓定位技術結合

模塊化加工需將復雜的模具工件分解成多個模塊，根據功能和結構特性對每個模塊進行獨立加工，并將模塊的尺寸公差控制在±0.005 mm以內，確保裝配后的整體精度。模塊設計完成后，使用CAD/CAM軟件生成每個模塊的加工路徑和程序。外圓定位技術在模塊化加工中需在每個模塊在加工前，采用液壓或電動驅動系統定位，并配備位置傳感器實時監測夾具狀態。定位夾具的定位精度需達到0.001 mm，確保每次裝夾的一致性。模塊在裝夾前，利用外圓表面進行初步對中，再使用夾具的微調機構實現最終定位，保證每個模塊的外圓基準一致。

實際加工過程中，首先利用傳送帶或機械手臂自動裝夾至外圓定位夾具上。夾具的定位過程通過數控系統控制，實現精確對中和夾緊。夾緊力的大小需結合力傳感器的數據實時監測和調整，可控制在5～10 kN范圍內，確保夾持穩定而不損傷工件。外圓定位后，線切割機床可根據預設的加工程序路徑進行精密切割。切割過程中，相關人員可利用光柵尺或電感傳感器實時監控切割精度，確保切割路徑與設計一致。切割速度可控制在30～60 mm/min范圍內，進給率控制在0.02～0.05 mm/s范圍內，以保證加工表面質量和精度。模塊加工完成后，利用自動化傳送系統將已加工模塊傳送至檢測位置。使用三坐標測量機對每個模塊進行精密檢測，測量其外圓定位基準和各關鍵尺寸，實現全面自動化檢測。

4.4 自動化裝夾與加工流程優化

為進一步提高模具制造效率，提高自動化程度，可在加工過程中利用六軸工業機器人自動裝夾工件。以編程的形式控制機器人的運動路徑和位置，確保每次裝夾的工件位置一致。機器人則利用視覺識別系統（如CCD相機）識別工件的位置和姿態，進行抓取和放置。抓取后，機器人將工件放置在配備有液壓或電動驅動系統的高精度定位夾具中，以編程的形式控制夾具的張開和閉合，實現工件的自動夾緊。工件夾緊后，利用自動導軌或機械手臂將夾具傳送至線切割機床的加工位置，保證工件在傳送過程中不發生位置偏移。

工件到達加工位置后，進入自動化加工流程。首先，線切割機床的數控系統根據預先設定的程序路徑開始切割。切割過程中，自動化系統實時監控切割進程，依托反饋系統（如光柵尺或電感傳感器）確保切割位置的準確性。為進一步提高加工精度，在條件允許的情況下，可以在切割過程中加入實時視覺檢測系統，利用高分辨率攝像頭監控切割區域，結合數控系統進行調整。加工完成后，利用自動化系統將工件從熱處理設備傳送至檢測位置，使用三坐標測量機進行尺寸和形狀的精確測量。

三坐標測量機利用編程控制其探針的移動路徑和測量點，實現自動化檢測，并將檢測數據實時傳輸至中央控制系統，由相關人員比對設計圖紙確認加工精度。為進一步優化加工流程，相關人員可利用自動化系統記錄每個加工步驟的參數和測量數據，明確加工過程中的誤差來源，再根據具體數據情況調整加工參數或設備配置進行優化。例如，分析切割速度、進給率和冷卻液流量之間的關系，合理調整加工參數以提高加工效率和精度。

5 結語

本文系統性研究了線切割以外圓定位的簡便加工方法，從冶金模具制造的角度提出了對應的應用策略。實際應用中，需結合高精度定位工裝的使用，確保工件在加工過程中的穩定性和精度，并將線切割編程與外圓定位相結合，提升加工路徑的準確性和一致性。最后采用自動化裝夾優化加工流程，提高了生產效率和加工質量。未來，隨著智能制造技術的發展，將有更多先進的自動化與數字化工具應用到線切割以外圓定位的加工過程中，相關人員應積極跟進技術進步，提升自身技能與知識儲備，進一步提高冶金模具制造的精確性和效率。

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作者簡介：

蔡胡磊，男，1985年生，機械工程師，研究方向為粉末冶金模具和產品的設計研發及制成。