板式換熱器通常由許多相互接觸的波形和凹凸形金屬板組成，由于在換熱過程中流體無旁路，能充分參與換熱，板片波紋可使流體在較小流速下產(chǎn)生湍流，所以換熱系數(shù)比較高，再加上其緊湊的結構，能夠一機多用，因此廣泛應用于許多領域。

    板式換熱器模具是生產(chǎn)板片的重要工藝裝備，是一種精度要求很高的模具，其質(zhì)量取決于模芯的加工精度。模芯材料一般是42CrMo鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織主要為回火索氏體。硬度為HBS220～260，抗拉強度σ_b≥1.08GPa，屈服強度σ_s≥0.93GPa，伸長率δ_s≥12%，沖擊韌度α_K≥0.78MJ/m²，收縮率ψ≥45%。因此模芯的加工不同于普通零件的加工，其具有模具加工的特殊性。下面簡要說明基于CAD/CAM技術的板式換熱器凸模加工的一般過程。

1 二維CAD零件圖樣轉換

    由于廠家提供的是CAD格式文件，因此要先將其轉換到三維軟件里構建三維模型。在SolidWorks 2010版里選擇“打開文件”，將打開對話框里的類型選擇為“.Dwg”格式，然后參照圖1，完成二維零件圖的轉換。具體過程如圖1所示。

    圖1 二維CAD零件圖樣轉換

2 實體數(shù)據(jù)轉換

    在SolidWorks軟件里應用“拉伸”、“放樣”等指令完成三維建模，并將完成的造型文件另存成“*.step”格式文件，然后在MasterCAM里將打開類型選為“STEP”文件，確定后完成實體數(shù)據(jù)轉換，如圖2所示。

    圖2 實體數(shù)據(jù)轉換

3 確定CAM加工工藝

    根據(jù)板片頭部和中部波形的不同特點，以及目前國內(nèi)鍛造工藝的現(xiàn)狀，將板片頭部和中部成形模芯分別裝夾加工，針對各部分不同的波形特點分為不同的加工區(qū)域，設計不同的加工工藝，如圖3、4所示。

    圖3 板片頭部波型圖

    圖4 板片中部波型圖

    將板片頭部模芯分為密封槽，密封槽外波形區(qū)，角孔內(nèi)、角孔側波形區(qū)，導流區(qū)，排氣槽和掛墊槽7個部分，掛墊槽和鑲塊槽位于密封槽外波形區(qū)內(nèi)。

    板片中部模芯分為密封槽、密封槽外波形區(qū)、人字形波紋槽和掛墊槽4個部分。

    模芯成形部分深度在3～7mm之間，模芯外形尺寸在（200～550）mm×（400～1100）mm之間，宜用立式加工中心進行加工。模芯材料42CrMo由于韌性大，斷屑較困難，高溫時強度高，切削時刀具易磨損，因此在銑削時選擇復合TiAlN或AlTiN涂層刀具，加上新型抗塑變的基體，可顯著改善刀具的耐磨性和高溫性能。在冷卻方面，選用壓縮空氣冷卻和切削液冷卻；TiCN涂層需選擇合適的切削參數(shù)；TiAlN和AlTiN涂層不太適合用切削液冷卻，應選用油霧冷卻。銑削加工的模坯除上下大平面平面度和模坯厚度滿足精加工要求外，其長寬尺寸和垂直度都存在較大誤差，因此將對刀點和程序零點選在模坯中心點，最后銑削加工外形輪廓。

    板片頭部和中部模芯的銑削分為粗加工、半精加工和精加工。粗加工采用立銑刀加工時深度預留0.1～0.2mm，側面預留0.1～0.2mm，對于模具型腔的中深度平面，粗加工時深度加工到位，而側面保留余量。粗加工時應盡量保持均勻的切削量，在腔內(nèi)有材料處進刀時應采用斜坡、圓弧和螺旋進刀方式。半精加工使粗加工的余量均勻化。利用殘量識別存儲外形功能和仿真功能識別刀軌間殘余加工量并加以去除。用大直徑銑刀加工凹角后會留有很大余量，在粗加工后需換小刀進行清根處理。

    精加工應達到板片成型的精度和表面質(zhì)量要求，故銑削刀軌應流暢、平穩(wěn)、無劇烈方向突變。精加工針對模具的小型腔表面和凸凹拐角及倒圓進行的，采用環(huán)繞等距銑削，根據(jù)陡峭度采用不同的層深步距實現(xiàn)高精度表面。

    具體加工工序參見表1凸模模芯頭部數(shù)控加工工序。

    表1 凸模模芯頭部數(shù)控加工工序卡

4 銑削路徑的優(yōu)化處理

    銑削模芯時，由于主軸轉速和進給速度都很高，所以一定要避免刀具的突然停止和在拐角處突然轉向，刀具啟動前的加速和刀具停止前的減速都是至關重要的。在對多個波形進行加工時，不同區(qū)域間的刀軌應遵循最短距離原則，尤其是手動選擇不同區(qū)域時應盡可能減少空行程時間。

    優(yōu)化銑削路徑，在刀具軌跡的所有拐角處加上圓角，保證刀具軌跡的光順。在加工波紋凹槽和凸條外形時，在拐角處加圓角，如圖5所示。

    圖5 銑削路徑的優(yōu)化

    在相鄰兩行切削刀路間附加圓滑轉接，在相鄰兩層切削刀路間附加圓滑轉接，既可有效滿足刀路平滑的要求，又符合采用螺旋下刀方式以減小切削阻力的要求。附加的圓弧使銑刀沿著切線方向切入、切出工件，可起到均衡切削負荷的作用。

5 加工驗證

    (1)仿真。應用MasterCAM軟件生成加工程序，最終生成的刀具路徑如圖6；再應用“刀具路徑/操作管理”選項中的“實體切削驗證”完成對所生成刀具路徑的驗證，如圖7。

    圖6 刀具路徑列表

    圖7 仿真驗證

    (2)加工。將生成的程序傳送至機床，完成對模具的加工，加工過程如圖8所示。

    圖8 機床切削驗證中

    (3)裝配。將加工完成的模芯頭、尾兩部分和中間部分安裝在模架上，完成模具裝配，結果如圖9所示。

    圖9 模具裝配

6 結束語

    CAD/CAM技術憑借其無可比擬的高生產(chǎn)效率、高加工精度、表面質(zhì)量以及低成本，成為先進制造技術的一項全新的共性基礎技術，是產(chǎn)品設計、加工技術的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。作者根據(jù)板式換熱器模具的特點，從模芯建模、銑削入手，從工藝方案擬定和銑削路徑優(yōu)化等方面對板式換熱器模具加工進行闡述，通過實例加工驗證了該方法的可行性，對推進CAD/CAM技術在工業(yè)企業(yè)的深入應用具有重要意義。