噴油嘴噴孔加工工藝及應(yīng)用設(shè)備探討

1、噴油嘴噴孔加工工藝及應(yīng)用設(shè)備探討作者：機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院 任振擋來源：AI汽車制造業(yè)本文介紹并分析了噴油嘴噴孔各種加工工藝的特點(diǎn)，并對不同加工工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、特點(diǎn)及加工精度進(jìn)行了敘述。 隨著國家排放要求的提高，高壓共軌技術(shù)的應(yīng)用，噴油嘴也向多孔數(shù)、小孔徑方向發(fā)展。其加工質(zhì)量直接影響噴油嘴的霧化特性、油線貫穿度及流量系數(shù)，最終影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放指標(biāo)。 目前，國內(nèi)用于噴油嘴噴孔的主要加工方法有四種：在變頻或風(fēng)動(dòng)高速臺鉆上采用手工鉆削；采用數(shù)控三軸鉆床鉆噴孔；采用電火花噴孔機(jī)床加工噴孔；采用激光打孔機(jī)加工噴孔。另外，用于噴孔后續(xù)加工的還有噴孔擠壓研磨工藝和電解去壓力室噴孔毛刺工

2、藝。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，在變頻或風(fēng)動(dòng)高速臺鉆上采用手工鉆削的工藝已經(jīng)逐步淘汰；激光打孔機(jī)加工噴孔技術(shù)目前尚在試驗(yàn)階段，還沒有應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中；電解去壓力室噴孔毛刺工藝，只是對噴孔毛刺有一定的去除作用，不能改變噴孔的直徑和粗糙度。在此，本文只介紹其他的加工方法。 數(shù)控三軸鉆加工噴孔工藝 目前，國內(nèi)生產(chǎn)噴油嘴偶件的大部分制造廠家加工噴油孔的主要設(shè)備都是數(shù)控三軸鉆，常見的設(shè)備型號有瑞士POSALUX公司的PNC-數(shù)控三軸鉆和國內(nèi)魯南機(jī)床廠的ZK9303型數(shù)控三軸鉆。以上兩種型號的機(jī)床加工原理基本相同：通過3個(gè)高精度的變頻調(diào)速電主軸，進(jìn)行打中心孔、鉆孔和擴(kuò)孔；電主軸的換位和進(jìn)給均為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工件分度

3、為二維精度分度的定位機(jī)構(gòu)，采用了傳動(dòng)誤差小、空回小、傳動(dòng)效率高的諧波傳動(dòng)減速器及伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)；主軸換位及進(jìn)給和水平分度軸的軸向移動(dòng)均采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副等精密傳動(dòng)部件。 通過現(xiàn)場生產(chǎn)的加工零件來看，該種設(shè)備加工后噴孔內(nèi)毛刺較大，反應(yīng)出來的噴孔流量散差較大，手工不易清理噴孔內(nèi)的毛刺，對噴油器總成的性能具有一定的影響。最主要的是，使用該種設(shè)備加工直徑小于0.20mm以下的噴孔時(shí)，因鉆頭的剛性差，造成斷鉆頭現(xiàn)象嚴(yán)重，且生產(chǎn)效率很低，嚴(yán)重制約著企業(yè)的發(fā)展。為此，生產(chǎn)企業(yè)已逐漸引進(jìn)電火花加工設(shè)備。 電火花加工噴孔工藝 隨著柴油機(jī)排放要求的提高，噴油嘴噴孔向小孔徑、多孔數(shù)發(fā)展，鉆削加工噴孔的工藝

4、將很難適應(yīng)噴孔直徑越來越小的要求。而電火花加工噴孔則具有可加工直徑小、精度高和壓力室無毛刺的特點(diǎn)，并可放在熱處理后加工。 1.加工原理 電火花加工的原理是基于電極和工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電時(shí)的電蝕現(xiàn)象，電蝕多余的金屬，達(dá)到加工孔的目的。加工噴孔的電極是利用300mm長的桿狀金屬絲（經(jīng)常使用的有黃銅電絲、碳化鎢電絲、紫銅電絲和銀電絲，但根據(jù)其加工質(zhì)量和效率以及成本, 多數(shù)情況下選用碳化鎢電絲與銀電絲）。此電極絲是通過無心磨床加工，電極絲的圓度保證在3m以下，直線度保證在3m以下。 目前的電火花加工方式主要有兩種：一種是加工噴孔時(shí)電解絲做軸向進(jìn)給，另一種是加工噴孔時(shí)電極絲做軸向進(jìn)給和旋

5、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在加工過程中，總是根據(jù)加工零件的不同（材料、孔徑和孔深等）來確定放電參數(shù)（脈沖頻率、脈沖寬度和放電間隙等）。 2.加工設(shè)備及工藝參數(shù) 行業(yè)中使用較多的是瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型數(shù)控電火花加工噴孔機(jī)床（圖1）。該機(jī)床有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和3位移軸，是六軸自動(dòng)控制機(jī)床；具有單夾緊系統(tǒng)和雙夾緊系統(tǒng)兩種加工方法。加工時(shí)，以噴油嘴的中孔和座面定位、兩個(gè)銷孔定圓周方向，并通過爪形機(jī)構(gòu)夾緊（圖2），裝卸十分方便。 圖1 瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型數(shù)控電火花加工噴孔機(jī)床 圖2 HP4-EDM型數(shù)控電火花加工噴孔機(jī)床的爪形機(jī)構(gòu)夾緊電極絲的軸向進(jìn)給分三步進(jìn)行：電極絲的修整電極絲加工（

6、電蝕）工件對整個(gè)噴孔的修整（去除倒錐）。每一分步的進(jìn)給量都要根據(jù)加工孔的孔深來確定，電極絲可自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)補(bǔ)償。經(jīng)過批量加工試驗(yàn)，該機(jī)床加工噴孔的精度為素線平行度6m，直徑公差為6m，粗糙度為Ra0.8；孔口能觀察到圓角，并可加工直徑為0.1mm1mm的噴孔。噴孔各項(xiàng)精度都優(yōu)于鉆削的加工精度，以加工5孔0.27mm的P系列油嘴為例，具體數(shù)據(jù)見表1和表2。 近年來，瑞士AGIE公司生產(chǎn)的AGIE 4HP電火花設(shè)備在國內(nèi)的應(yīng)用數(shù)量呈上升趨勢。其加工原理是靠電解絲的軸向進(jìn)給（X、Y、Z和W）與旋轉(zhuǎn)定位軸（A、C）共同配合加工工件的，加工精度與瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型電火花機(jī)床加工精度

7、不分上下。 通過現(xiàn)場加工調(diào)試我們發(fā)現(xiàn)，AGIE 4HP電火花設(shè)備具有如下特點(diǎn)： （1）加工時(shí)的空載電壓高低：噴孔的直徑和流量隨電壓的增加而增大，但增量不大； （2）電極絲三步進(jìn)給量的大?。哼M(jìn)給量的大小影響噴孔的錐度和和壓力室圓角的大小，應(yīng)根據(jù)不同的零件來通過試驗(yàn)確定合理的每步進(jìn)給量； （3）電極絲頭部徑向偏移量：加大偏移量會使噴孔直徑增加，但可以縮短加工時(shí)間； 正常情況下，每根電極絲可加工0.27mm深度1mm的孔1100左右，每個(gè)孔的加工時(shí)間約40s左右。 此外，常用的設(shè)備還有國內(nèi)山東魯南機(jī)床公司生產(chǎn)的ZK9306EDM2數(shù)控電火花噴孔加工機(jī)床。 擠壓研磨加工工藝 在噴油嘴的加工中，國內(nèi)的大

8、部分生產(chǎn)廠還都在使用鉆孔工藝加工噴孔。這種工藝加工的噴孔，粗糙度差，在壓力室中有翻邊毛刺，噴油嘴流量系數(shù)只有0.50.6。為了滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，柴油機(jī)要求噴油嘴流量系數(shù)在0.8以上，需要進(jìn)一步提高其流量系數(shù)。目前，國際上普遍采用液體擠壓研磨的工藝，例如德國BOSCH、日本電裝公司等。 1.加工原理 磨粒流擠壓研磨工藝是在具有一定粘彈性的高分子材料中摻入硬質(zhì)顆粒形成半流體狀的研磨介質(zhì)：在機(jī)床的壓力作用下，研磨介質(zhì)從工件的被加工表面流過，從而產(chǎn)生微量切削（圖3）。由于噴油嘴中孔直徑D與噴孔直徑d的比值D/d較大（約20），其截面面積之比是D/d的平方（約400），因此磨料在噴油嘴中孔和

9、噴孔中的流速相差約100倍。而磨料的切削作用只有在一定速度下才能起到作用，即磨料在高壓的作用下，由夾具壓頭進(jìn)入噴油嘴中孔，經(jīng)過噴油嘴壓力室，高速通過噴孔；在壓力室噴孔產(chǎn)生切削磨粒流，對壓力室噴孔邊角毛刺和噴孔進(jìn)行微量磨削；在噴孔入口處研磨出圓角并使孔壁粗糙度提高，而不會破壞精加工后噴油嘴中孔、座面的的精度。 圖3 擠壓研磨加工原理2.加工設(shè)備及工藝參數(shù) 無錫油泵油嘴研究所生產(chǎn)的KYM型擠壓研磨設(shè)備（圖4）。該設(shè)備是針對噴油嘴噴孔的擠壓研磨設(shè)備，不能自動(dòng)控制流量，加工過程應(yīng)利用流量檢測設(shè)備，按研磨檢測研磨檢測這種逐步逼近法進(jìn)行加工，直至達(dá)到工藝要求。 圖4 無錫油泵油嘴研究所生產(chǎn)的KYM型擠壓研

10、磨設(shè)備在加工過程中，影響噴油嘴噴孔擠壓研磨效果的主要因素有：研磨料的工作壓力P；加工時(shí)間S；研磨料的切削性能；噴孔的成形工藝。由此可見，根據(jù)鉆孔時(shí)鉆頭的公差及鉆通時(shí)的毛刺，鉆頭的鋒利與否都影響噴孔的孔徑大小和毛刺的大小。為達(dá)到最終相同的噴孔流量，在使用相同研磨料的情況下，就需要調(diào)整研磨料的工作壓力P或加工的時(shí)間S。所以，對不同批次加工的噴油嘴首先應(yīng)在流量試驗(yàn)臺上檢測流量，進(jìn)行分組；根據(jù)不同的流量值來確定研磨料的工作壓力P或加工的時(shí)間S。 試驗(yàn)證明，經(jīng)過擠壓研磨后，可以消除壓力室與噴孔處的毛刺，擴(kuò)大其相貫線處的圓角，減少高壓油的壓力損失；降低噴孔表面的粗糙度，增加油的流速，獲得良好的霧化效果；可

11、提高噴油嘴的流量系數(shù)，使動(dòng)態(tài)噴霧角度和流量趨于一至（表3），降低了柴油機(jī)的油耗和排放指標(biāo)（表4） 此外，在流量擠壓與檢測應(yīng)用方面，國際上比較先進(jìn)的設(shè)備是美國擠壓研磨公司的microFLOW 微孔磨粒流機(jī)床（圖5）。該機(jī)床為加工小孔設(shè)備，尤其適合柴油機(jī)噴油嘴的流量調(diào)整。用該設(shè)備加工時(shí)同時(shí)檢測噴孔流量，根據(jù)檢測結(jié)果，來自動(dòng)確定各加工參數(shù)（加工壓力和加工時(shí)間），可自動(dòng)控制流量，并將流量散差控制在1%內(nèi)，使用方便、快捷。 圖5 美國擠壓研磨公司的microFLOW 微孔磨粒流機(jī)床總結(jié) 目前，國內(nèi)各油嘴生產(chǎn)廠家執(zhí)行的工藝主要有兩種：數(shù)控三軸鉆鉆噴孔熱處理電解壓力室噴孔毛刺擠壓研磨噴孔（部分企業(yè)還未實(shí)施）

12、；熱處理精加工中孔座面電火花打噴孔擠壓研磨噴孔。 未來，隨著歐、歐排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，以及高壓共軌系統(tǒng)的要求，第二種工藝將成為噴孔的主流加工工藝。微孔加工的在線監(jiān)控作者：晁剛 譯來源：工具展望內(nèi)燃機(jī)燃油噴嘴所承受的壓力高達(dá)2000bar，因此對其加工精度提出了極高要求，其中包括機(jī)床的制造精度以及對刀具在加工中的狀態(tài)進(jìn)行有效而可靠的監(jiān)控。 位于德國Bamberg的羅伯特博世公司（Robert Bosch）在20世紀(jì)發(fā)明了燃油噴射泵，無論采用何種增壓系統(tǒng)（如泵/噴油嘴或柴油機(jī)進(jìn)氣噴油系統(tǒng)），燃油都必須經(jīng)壓縮后進(jìn)入噴管體。噴管體內(nèi)有一微孔，當(dāng)各汽缸的工作狀態(tài)處于壓縮行程時(shí)，這些微孔將通過噴嘴針閥被開啟或

13、關(guān)閉，噴嘴針閥與噴管體之間的間隙公差僅為幾個(gè)微米。 工件經(jīng)過鉆削加工后還需要進(jìn)行磨削，為了避免磨削細(xì)長工件時(shí)產(chǎn)生彈性彎曲變形，磨削加工過程不宜過長，這就要求工件在初加工后，公差就基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后只需進(jìn)行磨光處理。 博世公司在加工噴管體時(shí)，工件在磨削加工之前就在MiKron圓盤式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床上用鉆頭和鉸刀對孔進(jìn)行了初加工。MiKron機(jī)床（尤其是瑞士式加工機(jī)床）為眾多精密機(jī)床制造商和用戶所熟知。在精密制造行業(yè)中，除了加工機(jī)床的精度極高以外，所使用的刀具同樣具有制造精度高且?guī)缀纬叽鐦O小的特點(diǎn)。 多年來，MiKron機(jī)床一直采用由Hrth公司提供的Nordman刀具監(jiān)控器。該設(shè)備是迄今為止人們

14、找到的一種可對難以檢測部位實(shí)施監(jiān)控（如對直徑小于0.1mm微小孔加工過程的監(jiān)控）的有效工具。這里，為了實(shí)現(xiàn)對工件和刀具在加工過程中所產(chǎn)生聲波的測量，是將冷卻潤滑介質(zhì)的射流束作為聲波的傳導(dǎo)體，由液體傳聲檢波器予以接收。而在測量有功功率時(shí)，則可根據(jù)主軸的驅(qū)動(dòng)情況，通過信號總線進(jìn)行數(shù)字測量，或在刀具監(jiān)控器上進(jìn)行三相模擬測量。 博世公司主要通過測量加工機(jī)床的有功功率來對其進(jìn)行監(jiān)控，其原因是，在靠近加工刀具的位置排列安裝了冷卻潤滑介質(zhì)噴嘴，在狹小的空間內(nèi)難以再安裝用于刀具監(jiān)控的其它機(jī)械探頭。 測得的機(jī)床刀具軸的有功功率曲線通常由線性的上極限和下極限（即包絡(luò)曲線）的形式給出。下極限一般總是位于鋒利刀具測量

15、曲線的下方，而上極限始終在不鋒利刀具測量曲線的上方。在博世公司，人們希望測量曲線始終處于一個(gè)較窄的、均勻的區(qū)間內(nèi)。然而，這并不僅僅取決于刀具是否鋒利，在切削加工過程中，刀具出現(xiàn)一些極微小的破損，或其他一些突變因素，都會引起測量曲線發(fā)生變化。由于包絡(luò)曲線的上、下極限之間有一定的寬度要求，這就需要對測量曲線中因刀具磨損而發(fā)生變化的部分予以補(bǔ)償。這種補(bǔ)償值是通過對8個(gè)以上工件進(jìn)行加工時(shí)獲得的測量曲線取平均值計(jì)算得出。此后，工件的測量曲線將用補(bǔ)償后的包絡(luò)曲線加以評判。在切削過程中，刀具會不斷磨損，因此需要隨時(shí)對包絡(luò)曲線進(jìn)行補(bǔ)償，以與刀具的磨損相適應(yīng)，故通常將這種曲線稱為“滑移曲線”。 MiKron圓盤

16、式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床的操作工Otto Halama這樣描述噴管體的制造過程：通常，除監(jiān)控鉆頭破損外，我們還可以通過Nordman系統(tǒng)將預(yù)加工量控制在0.02mm以內(nèi)，同時(shí)還能檢測出鉆頭的磨損是否均勻。當(dāng)測量剛開始時(shí)，如測量值的分布明顯呈分散狀態(tài)，則意味著鉆頭磨損加大，機(jī)床刀具軸的軸承存在缺陷。如測量曲線數(shù)值的分散度過大，也會導(dǎo)致包絡(luò)曲線上、下極限值發(fā)生波動(dòng)。 在MiKron的Dico-18型機(jī)床的加工過程中，當(dāng)更換了新刀具后，刀具監(jiān)控器的測量曲線會忽左忽右地?cái)[動(dòng)，此外，用鋒利的新刀具加工時(shí)測出的曲線值一般偏低。因此，每當(dāng)?shù)毒吣p進(jìn)行更換后，滑移包絡(luò)曲線都需要通過重新自學(xué)習(xí)而設(shè)定新的閾值，并隨時(shí)將采集

17、到的加工測量數(shù)據(jù)與通過自學(xué)習(xí)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，這里，一般會將未更換鋒利刀具以前測得的包絡(luò)曲線向下調(diào)整。對于某個(gè)單一的加工工位而言，這種“自適應(yīng)學(xué)習(xí)”過程可通過“菜單”來設(shè)定，但為了方便起見，在刀具監(jiān)控器的右側(cè)還設(shè)置了帶工位數(shù)的操作鍵。當(dāng)處于某一加工工位時(shí)，可在對已加工孔的測量曲線進(jìn)行求平均值處理的基礎(chǔ)上，一邊觀測，一邊操作對應(yīng)工位的按鍵，即可對包絡(luò)曲線進(jìn)行調(diào)整和設(shè)定，隨后再重新啟動(dòng)加工過程。 在MiKron的Dico-18型機(jī)床上，通過測量曲線的分散值，也可以觀測出加工刀具的磨損狀況。應(yīng)將有功功率測量曲線的分散值控制在一定范圍內(nèi)，該范圍是通過對一定量的工件測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出的，并可在刀具

18、監(jiān)控器上繪制出趨勢圖。 盡管有功功率測量曲線所設(shè)定的包絡(luò)曲線范圍很窄，但偶爾也可能出現(xiàn)這種情況，即當(dāng)鉆頭直徑很小時(shí)（如小于1mm），雖然鉆頭發(fā)生了微小破損，但通過有功功率測量卻無法識別。此時(shí)，就需要采用聲發(fā)射液體傳聲檢波器，其工作原理為：當(dāng)在工件或刀具的金屬固體材料上出現(xiàn)微小破損時(shí)，會發(fā)出一種特殊的、類似喀吱聲的噪音，從而在金屬固體材料內(nèi)部形成可傳播的聲波，再通過加工中使用的冷卻潤滑介質(zhì)作為聲波導(dǎo)體進(jìn)行傳播，最終被聲發(fā)射液體傳聲檢測器所接收。流體傳遞聲波具有傳播頻率范圍大、干涉損失小、信號失真小等特點(diǎn)。在MiKron圓盤式節(jié)拍自動(dòng)機(jī)床上，通過有功功率的測量，可對所有的工位進(jìn)行監(jiān)控，包括對直徑從0.8mm縮小為0.4mm的錐形氣門座這種精密工件的加工過程進(jìn)行監(jiān)控。但是，只有采用在機(jī)床上附加安裝的聲發(fā)射液體傳聲檢波