喷油嘴喷孔加工工艺及应用设备探讨

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: W3 i+ e; b" y& H 本文介绍并分析了喷油嘴喷孔各种加工工艺的特点，并对不同加工工艺设备的结构原理、特点及加工精度进行了叙述。 }& A4 ~, c; i 随着国家排放要求的提高，高压共轨技术的应用，喷油嘴也向多孔数、小孔径方向发展。其加工质量直接影响喷油嘴的雾化特性、油线贯穿度及流量系数，最终影响柴油机的经济性、动力性和排放指标。 ( T) A3 D% m) H4 |, }% n9 | 目前，国内用于喷油嘴喷孔的主要加工方法有四种：在变频或风动高速台钻上采用手工钻削；采用数控三轴钻床钻喷孔；采用电火花喷孔机床加工喷孔；采用激光打孔机加工喷孔。另外，用于喷孔后续加工的还有喷孔挤压研磨工艺和电解去压力室喷孔毛刺工艺。 7 q( Z( H& B& X/ H$ ~8 W+ q; Q 随着技术的进步，在变频或风动高速台钻上采用手工钻削的工艺已经逐步淘汰；激光打孔机加工喷孔技术目前尚在试验阶段，还没有应用于实际生产中；电解去压力室喷孔毛刺工艺，只是对喷孔毛刺有一定的去除作用，不能改变喷孔的直径和粗糙度。在此，本文只介绍其他的加工方法。 ! e/ P) ~" l: V, g3 d4 ^ 数控三轴钻加工喷孔工艺 # I; N" p6 L8 g& u' z# o 目前，国内生产喷油嘴偶件的大部分制造厂家加工喷油孔的主要设备都是数控三轴钻，常见的设备型号有瑞士POSALUX公司的PNC-Ⅲ数控三轴钻和国内鲁南机床厂的ZK9303型数控三轴钻。以上两种型号的机床加工原理基本相同：通过3个高精度的变频调速电主轴，进行打中心孔、钻孔和扩孔；电主轴的换位和进给均为伺服电机驱动。工件分度为二维精度分度的定位机构，采用了传动误差小、空回小、传动效率高的谐波传动减速器及伺服驱动电机；主轴换位及进给和水平分度轴的轴向移动均采用直线滚动导轨副和滚珠丝杠副等精密传动部件。 3 g4 I$ O: o" }7 {6 Q4 D" a 通过现场生产的加工零件来看，该种设备加工后喷孔内毛刺较大，反应出来的喷孔流量散差较大，手工不易清理喷孔内的毛刺，对喷油器总成的性能具有一定的影响。最主要的是，使用该种设备加工直径小于0.20mm以下的喷孔时，因钻头的刚性差，造成断钻头现象严重，且生产效率很低，严重制约着企业的发展。为此，生产企业已逐渐引进电火花加工设备。 - A: ]( e( p( j 电火花加工喷孔工艺 . X9 o# K: V+ ]6 t+ L1 A/ A, K 随着柴油机排放要求的提高，喷油嘴喷孔向小孔径、多孔数发展，钻削加工喷孔的工艺将很难适应喷孔直径越来越小的要求。而电火花加工喷孔则具有可加工直径小、精度高和压力室无毛刺的特点，并可放在热处理后加工。 1.加工原理 电火花加工的原理是基于电极和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电蚀现象，电蚀多余的金属，达到加工孔的目的。加工喷孔的电极是利用300mm长的杆状金属丝（经常使用的有黄铜电丝、碳化钨电丝、紫铜电丝和银电丝，但根据其加工质量和效率以及成本, 多数情况下选用碳化钨电丝与银电丝）。此电极丝是通过无心磨床加工，电极丝的圆度保证在3μm以下，直线度保证在3μm以下。 8 r" @, W- P; X# b0 A' m: r5 C4 a 目前的电火花加工方式主要有两种：一种是加工喷孔时电解丝做轴向进给，另一种是加工喷孔时电极丝做轴向进给和旋转运动。在加工过程中，总是根据加工零件的不同（材料、孔径和孔深等）来确定放电参数（脉冲频率、脉冲宽度和放电间隙等）。 - {: A! S* ~" W7 T1 u 2.加工设备及工艺参数 3 J! x# O: [/ A' q: r0 M; O8 } 行业中使用较多的是瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型数控电火花加工喷孔机床（图1）。该机床有3个转动轴和3位移轴，是六轴自动控制机床；具有单夹紧系统和双夹紧系统两种加工方法。加工时，以喷油嘴的中孔和座面定位、两个销孔定圆周方向，并通过爪形机构夹紧（图2），装卸十分方便。 图1  瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型数控电火花加工喷孔机床  7 X0 n5 v: M/ e( T 7 }/ F) }# q9 K) Z: ~6 v 图2  HP4-EDM型数控电火花加工喷孔机床的爪形机构夹紧 电极丝的轴向进给分三步进行：电极丝的修整→电极丝加工（电蚀）工件→对整个喷孔的修整（去除倒锥）。每一分步的进给量都要根据加工孔的孔深来确定，电极丝可自动进给、自动补偿。经过批量加工试验，该机床加工喷孔的精度为素线平行度6μm，直径公差为6μm，粗糙度为Ra0.8；孔口能观察到圆角，并可加工直径为φ0.1mm～φ1mm的喷孔。喷孔各项精度都优于钻削的加工精度，以加工5孔φ0.27mm的P系列油嘴为例，具体数据见表1和表2。 8 g$ G) Z1 Y* C . x( I$ Y0 e* f# L7 @  近年来，瑞士AGIE公司生产的AGIE 4HP电火花设备在国内的应用数量呈上升趋势。其加工原理是靠电解丝的轴向进给（X、Y、Z和W）与旋转定位轴（A、C）共同配合加工工件的，加工精度与瑞士POSALUX公司的HP4-EDM型电火花机床加工精度不分上下。 - P) M* G, i1 \( J0 f 通过现场加工调试我们发现，AGIE 4HP电火花设备具有如下特点： （1）加工时的空载电压高低：喷孔的直径和流量随电压的增加而增大，但增量不大； & A4 o9 p h1 C i r: m9 t （2）电极丝三步进给量的大小：进给量的大小影响喷孔的锥度和和压力室圆角的大小，应根据不同的零件来通过试验确定合理的每步进给量； （3）电极丝头部径向偏移量：加大偏移量会使喷孔直径增加，但可以缩短加工时间； % R% Z* j) \2 t 正常情况下，每根电极丝可加工φ0.27mm深度1mm的孔1100左右，每个孔的加工时间约40s左右。 : Q _/ ?, u% G! D, a) b; [0 d" _$ ^! B! t 此外，常用的设备还有国内山东鲁南机床公司生产的ZK9306—EDM2数控电火花喷孔加工机床。 挤压研磨加工工艺 在喷油嘴的加工中，国内的大部分生产厂还都在使用钻孔工艺加工喷孔。这种工艺加工的喷孔，粗糙度差，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0.5～0.6。为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0.8以上，需要进一步提高其流量系数。目前，国际上普遍采用液体挤压研磨的工艺，例如德国BOSCH、日本电装公司等。 2 t- W4 h$ V, z4 M: d 1.加工原理 + Q7 D- n( M! f: L7 X1 A" F$ o _ 磨粒流挤压研磨工艺是在具有一定粘弹性的高分子材料中掺入硬质颗粒形成半流体状的研磨介质：在机床的压力作用下，研磨介质从工件的被加工表面流过，从而产生微量切削（图3）。由于喷油嘴中孔直径D与喷孔直径d的比值D/d较大（约20），其截面面积之比是D/d的平方（约400），因此磨料在喷油嘴中孔和喷孔中的流速相差约100倍。而磨料的切削作用只有在一定速度下才能起到作用，即磨料在高压的作用下，由夹具压头进入喷油嘴中孔，经过喷油嘴压力室，高速通过喷孔；在压力室喷孔产生切削磨粒流，对压力室喷孔边角毛刺和喷孔进行微量磨削；在喷孔入口处研磨出圆角并使孔壁粗糙度提高，而不会破坏精加工后喷油嘴中孔、座面的的精度。 ) r! o" d2 \2 i4 D 图3  挤压研磨加工原理 2.加工设备及工艺参数 ' C* g/ _- A' m6 b 无锡油泵油嘴研究所生产的KYM－Ⅱ型挤压研磨设备（图4）。该设备是针对喷油嘴喷孔的挤压研磨设备，不能自动控制流量，加工过程应利用流量检测设备，按研磨－检测－研磨－检测这种逐步逼近法进行加工，直至达到工艺要求。 : D. Q# e0 N; F+ c7 Q9 Q. \ 图4  无锡油泵油嘴研究所生产的KYM－Ⅱ型挤压研磨设备 在加工过程中，影响喷油嘴喷孔挤压研磨效果的主要因素有：研磨料的工作压力P；加工时间S；研磨料的切削性能；喷孔的成形工艺。由此可见，根据钻孔时钻头的公差及钻通时的毛刺，钻头的锋利与否都影响喷孔的孔径大小和毛刺的大小。为达到最终相同的喷孔流量，在使用相同研磨料的情况下，就需要调整研磨料的工作压力P或加工的时间S。所以，对不同批次加工的喷油嘴首先应在流量试验台上检测流量，进行分组；根据不同的流量值来确定研磨料的工作压力P或加工的时间S。    试验证明，经过挤压研磨后，可以消除压力室与喷孔处的毛刺，扩大其相贯线处的圆角，减少高压油的压力损失；降低喷孔表面的粗糙度，增加油的流速，获得良好的雾化效果；可提高喷油嘴的流量系数，使动态喷雾角度和流量趋于一至（表3），降低了柴油机的油耗和排放指标（表4） & B, ]+ U, N: T9 A% ~1 c 9 }3 d2 u% X* N4 G, R) Z7 K* s; J. \, x) n # ^9 X+ F& H! y% b 此外，在流量挤压与检测应用方面，国际上比较先进的设备是美国挤压研磨公司的microFLOW 微孔磨粒流机床（图5）。该机床为加工小孔设备，尤其适合柴油机喷油嘴的流量调整。用该设备加工时同时检测喷孔流量，根据检测结果，来自动确定各加工参数（加工压力和加工时间），可自动控制流量，并将流量散差控制在±1%内，使用方便、快捷。 图5  美国挤压研磨公司的microFLOW 微孔磨粒流机床 总结 目前，国内各油嘴生产厂家执行的工艺主要有两种：数控三轴钻钻喷孔—热处理—电解压力室喷孔毛刺—挤压研磨喷孔（部分企业还未实施）；热处理—精加工中孔座面—电火花打喷孔—挤压研磨喷孔。 未来，随着欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准的执行，以及高压共轨系统的要求，第二种工艺将成为喷孔的主流加工工艺。

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