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(jié)構(gòu)，能夠一機(jī)多用，因此廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)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(qiáng)度σ_b≥1.08GPa，屈服強(qiáng)度σ_s≥0.93GPa，伸長(zhǎng)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(jiǎn)要說明基于CAD/CAM技術(shù)的板式換熱器凸模加工的一般過程。

1 二維CAD零件圖樣轉(zhuǎn)換

    由于廠家提供的是CAD格式文件，因此要先將其轉(zhuǎn)換到三維軟件里構(gòu)建三維模型。在SolidWorks 2010版里選擇“打開文件”，將打開對(duì)話框里的類型選擇為“.Dwg”格式，然后參照?qǐng)D1，完成二維零件圖的轉(zhuǎn)換。具體過程如圖1所示。

    圖1 二維CAD零件圖樣轉(zhuǎn)換

2 實(shí)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

    在SolidWorks軟件里應(yīng)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(shí)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

    圖2 實(shí)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(diǎn)，以及目前國(guó)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(duì)各部分不同的波形特點(diǎn)分為不同的加工區(qū)域，設(shè)計(jì)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(cè)波形區(qū)，導(dǎo)流區(qū)，排氣槽和掛墊槽7個(gè)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(gè)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(jìn)行加工。模芯材料42CrMo由于韌性大，斷屑較困難，高溫時(shí)強(qiáng)度高，切削時(shí)刀具易磨損，因此在銑削時(shí)選擇復(fù)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(yīng)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(zhǎng)寬尺寸和垂直度都存在較大誤差，因此將對(duì)刀點(diǎn)和程序零點(diǎn)選在模坯中心點(diǎn)，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(shí)深度預(yù)留0.1～0.2mm，側(cè)面預(yù)留0.1～0.2mm，對(duì)于模具型腔的中深度平面，粗加工時(shí)深度加工到位，而側(cè)面保留余量。粗加工時(shí)應(yīng)盡量保持均勻的切削量，在腔內(nèi)有材料處進(jìn)刀時(shí)應(yīng)采用斜坡、圓弧和螺旋進(jìn)刀方式。半精加工使粗加工的余量均勻化。利用殘量識(shí)別存儲(chǔ)外形功能和仿真功能識(shí)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(huì)留有很大余量，在粗加工后需換小刀進(jìn)行清根處理。

    精加工應(yīng)達(dá)到板片成型的精度和表面質(zhì)量要求，故銑削刀軌應(yīng)流暢、平穩(wěn)、無劇烈方向突變。精加工針對(duì)模具的小型腔表面和凸凹拐角及倒圓進(jìn)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(shí)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(shí)，由于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)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(zhuǎn)向，刀具啟動(dòng)前的加速和刀具停止前的減速都是至關(guān)重要的。在對(duì)多個(gè)波形進(jìn)行加工時(shí)，不同區(qū)域間的刀軌應(yīng)遵循最短距離原則，尤其是手動(dòng)選擇不同區(qū)域時(shí)應(yīng)盡可能減少空行程時(shí)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(shí)，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(zhuǎn)接，在相鄰兩層切削刀路間附加圓滑轉(zhuǎn)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(fù)荷的作用。

5 加工驗(yàn)證

    (1)仿真。應(yīng)用MasterCAM軟件生成加工程序，最終生成的刀具路徑如圖6；再應(yīng)用“刀具路徑/操作管理”選項(xiàng)中的“實(shí)體切削驗(yàn)證”完成對(duì)所生成刀具路徑的驗(yàn)證，如圖7。

    圖6 刀具路徑列表

    圖7 仿真驗(yàn)證

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

    圖8 機(jī)床切削驗(yàn)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(jié)果如圖9所示。

    圖9 模具裝配

6 結(jié)束語

    CAD/CAM技術(shù)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(jìn)制造技術(shù)的一項(xiàng)全新的共性基礎(chǔ)技術(shù)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。作者根據(jù)板式換熱器模具的特點(diǎn)，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(duì)板式換熱器模具加工進(jìn)行闡述，通過實(shí)例加工驗(yàn)證了該方法的可行性，對(duì)推進(jìn)CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)企業(yè)的深入應(yīng)用具有重要意義。