李明輝 蔡紅霞 劉麗蘭 劉林生 俞 濤

（①上海大學機自學院，上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072；②中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116）

磨料漿體流針閥體研磨技術研究

李明輝①蔡紅霞①劉麗蘭①劉林生②俞 濤①

（①上海大學機自學院，上海市機械自動化及機器人重點實驗室，上海 200072；②中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116）

提出了一種基于磨料漿體射流技術的針閥體噴孔研磨技術。該技術利用針閥體噴孔的節(jié)流作用使射流發(fā)生，靠漿料的研磨作用來去除針閥體內(nèi)流道毛刺，對噴孔孔口進行倒角，以提高其流量系數(shù)。加工時，通過流量控制系統(tǒng)實時監(jiān)測、控制針閥體的實時流量與終止流量，來控制其流量離散度。實際加工實驗表明，該技術可以提高針閥體流量系數(shù)到0.85左右，同批針閥體流量離散度控制在±1%以下，達到國外同類技術的先進水平。

磨料漿體射流 針閥體 流量系數(shù) 離散度

針閥體偶件（包括針閥和針閥體）是噴射系統(tǒng)中最關鍵的部件之一，擔負著燃油系統(tǒng)最終的動作——噴油。針閥體偶件的質(zhì)量與性能直接影響整個噴射系統(tǒng)的性能，尤其是針閥體的噴孔孔徑和噴孔流量直接影響燃油的霧化效果和燃燒率，直接影響著柴油機的經(jīng)濟性、動力性、啟動性和排放性能。

隨著柴油機向高效率、低能耗、低排放趨勢的發(fā)展，對針閥體的性能要求也日益提高，對針閥體的噴射性能有了更高的要求。在柴油機的實際使用與國內(nèi)外的眾多研究[1]表明，減小噴孔孔徑，提高噴射壓力可以降低噴射油滴直徑，進而可以改善霧化效果、提高燃油燃燒率、降低排放量[2]，但是噴孔直徑的減小會使柴油機供油不足影響其動力性能。所以理想的針閥體應該是小孔徑大流量的，既能保證柴油機動力性能需要，又能滿足小孔徑的需求，即要求噴孔具有較高的流量系數(shù)。另一方面，高檔柴油機正向多缸數(shù)、小缸徑方向發(fā)展，國外高檔柴油機的缸數(shù)已經(jīng)達到12個之多。隨著柴油機缸數(shù)的增加，由于各缸所用針閥體噴孔流量的不同引起的缸間差異現(xiàn)象越來越明顯。為了減小缸間差異對整機性能的影響，還要求針閥體流量具有一定的離散度。

目前國內(nèi)針閥體的加工方法及其流量系數(shù)與離散度值[1，3]如表1所示。但根據(jù)我國機械行業(yè)柴油機噴油嘴偶件技術條件標準[4]的要求，針閥體流量離散度應不大于±3%，否則需要進行流量分組。同一組中針閥體流量離散度應不大于±2%。目前高水平發(fā)動機要求針閥體流量系數(shù)達到0.8或更高，對流量離散度的要求在±1%左右，目前的加工方法都難以滿足要求。

表1

為了滿足國家標準和廠家要求，現(xiàn)實生產(chǎn)中，廠家普遍采用腐蝕法、電解法、超聲波電解法和液體擠壓研磨法等工藝手段來去除針閥體壓力室內(nèi)噴孔毛刺，擴大噴孔入口處圓角來提高針閥體噴孔流量系數(shù)以滿足小噴孔大流量的需求[5，6]。但是對于針閥體流量離散度的控制，還采用先加工再在油泵試驗臺上測定各個針閥體噴孔流量，然后依據(jù)流量值對其進行分組篩選的方法。流量大于要求的產(chǎn)品只能廢棄，流量小于要求的產(chǎn)品，對其進行去除毛刺等方法來增加其流量然后再分組進行篩選。目前國內(nèi)針閥體生產(chǎn)中所用的電解和液體擠壓研磨技術都是通過計時的方法來控制其加工程度[6]，對加工過程中針閥體流量的實際增加值難以控制，對其流量離散度更難以控制。生產(chǎn)一批合格的產(chǎn)品，往往需要生產(chǎn)比訂單量大得多的產(chǎn)品來保證其合格品的數(shù)量，這極大地增加了針閥體產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低了加工效率。所以現(xiàn)實生產(chǎn)中，對既可以對針閥體噴孔進行研磨加工，同時又可以監(jiān)控其實時流量的工藝和設備的需求非常的迫切。

美國易趨宏公司（Extrude Hone）和德國Sonplas公司生產(chǎn)的微孔磨粒流機床，采用流量和壓力控制方法，可加工出流量系數(shù)達到0.8，流量離散度為±1%的單個和成套針閥體，但是價格昂貴，并且對前期加工工藝要求高，國內(nèi)廠家難以承受。目前國內(nèi)還沒有廠家可以生產(chǎn)同類型產(chǎn)品。為此本文提出了一種新的針閥體研磨加工技術，該技術以磨料漿體射流技術為基礎，采用特殊的機械工藝和新的測量方法，很好地解決了目前磨料流加工中的高壓動密封問題和流量測量問題，為針閥體的研磨加工和流量離散度控制提供了一種新的思路。

1 磨料漿體射流針閥體研磨的實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)原理

磨料漿體射流技術是在混合磨料水射流技術的基礎上發(fā)展起來的一種新的射流技術，其原理如圖1所示。其主要特點為：射流介質(zhì)為由粘度較大的漿料和磨料混合而成的漿體。與傳統(tǒng)的磨料水射流相比，漿料的粘度大，磨料目數(shù)高，加工表面質(zhì)量高，磨料與漿料混合充分，磨粒懸浮在漿料中，久置不易沉降，加工時不易發(fā)生堵塞。射流發(fā)生時磨粒在流場中加速快，加速效果明顯，同等壓力下，磨粒獲得的動能大，射流加工的能力與水射流比有很大提高。目前該技術主要應用在材料切割領域[9]。

磨料漿體射流的形成主要是靠射流用噴嘴的節(jié)流作用。在流量不變的條件下，噴嘴的孔徑越小，可獲得的射流壓力越高，射流速度越大。但是隨著射流速度的提高，磨粒對噴嘴的磨損也越明顯。實際應用中即使是用硬質(zhì)合金、金剛石等高硬度材料做成的噴嘴也常常因磨粒的磨損而損壞。受此啟發(fā)，如果把磨料漿體射流中的噴嘴換為針閥體，由于針閥體噴孔的節(jié)流作用，磨料漿體射流可以發(fā)生。磨料漿體在流經(jīng)針閥體內(nèi)流道時，會隨著針閥體內(nèi)流道的形狀而自由取向。由于磨料流在小孔內(nèi)流道內(nèi)處于紊流狀態(tài)，在毛刺和噴孔孔口尖角處的阻力損失較大，磨粒的磨削作用明顯[10]。合理選擇射流壓力和磨粒目數(shù)就可以實現(xiàn)去除毛刺、擴大孔口圓角、增大流量系數(shù)的目的。

國外磨料漿體射流的高壓發(fā)生裝置都采用液壓缸，其活塞與液壓缸缸壁間的動密封問題是其關鍵技術。由于磨料具有較強的磨削作用，加工過程中極易進入活塞與缸壁的間隙中進而破壞系統(tǒng)密封性，使得射流不能發(fā)生。而常用針閥體噴孔孔徑一般都在0.2 mm左右，研磨加工所用的磨料粒徑更小，系統(tǒng)密封性要求很高，國內(nèi)的密封技術難以解決，這也是限制該技術應用于針閥體噴孔研磨的重要原因。本系統(tǒng)采用一種囊式結構的高壓料罐作為射流發(fā)生裝置，使得漿料和液壓油之間實現(xiàn)完全隔離，成功解決了高壓動密封問題，為該技術在針閥體研磨中的應用提供了堅實的保證。

1.2 漿料的配制

漿料是影響針閥體噴孔研磨加工的重要因素，其性能直接決定了研磨質(zhì)量的好壞與噴孔流量系數(shù)的增加量。目前國外針閥體噴孔液體擠壓研磨用的研磨劑是用一種低粘度的環(huán)烷質(zhì)礦物油輔以各種不同性能的添加劑和磨料組成[3]。這種方法配置的漿料不但價格昂貴，而且由于化學添加劑性能不穩(wěn)定，磨料粒子在漿料中分散不均勻，易發(fā)生沉降，重復使用易堵塞噴孔，加工后清洗困難，使用成本高。

在本實驗室磨料漿體射流切割技術用漿料的基礎上，本文采用我國資源豐富，價格便宜的鈉基膨潤土作添加劑，以人造棕剛玉為磨料，加水按一定工藝混合的方法來配制漿料。目前該工藝方法已獲得國家發(fā)明專利授權。實驗證明該方法配制的漿料不但具有很好的流動性，而且物理化學性能穩(wěn)定，磨料粒子在漿體中處于懸浮狀態(tài)，分散性好，多次重復使用不沉降，清洗容易，價格低廉，可以很好地滿足針閥體研磨的需求。

2 研磨性能試驗

2.1 實驗系統(tǒng)的組成

該實驗系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、高壓料罐、流量監(jiān)測系統(tǒng)、針閥體夾具、漿料回收系統(tǒng)和控制中心5個主要部分組成，其總體布置如圖2所示。

液壓系統(tǒng)為系統(tǒng)提供動力源并保證加工過程中系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定；高壓料罐把液壓油跟漿料隔離開來，并且把液壓油的壓力能轉化為漿料的動能；流量檢測系統(tǒng)采用新的流量檢測方法，實時檢測通過針閥體噴孔的漿料流量并把流量信號反饋給控制系統(tǒng)；通過漿料回收系統(tǒng)，研磨加工過的漿料可以循環(huán)重復使用。

2.2 流量離散度的控制

針閥體流量離散度是指一批噴嘴中最大和最小流量值相對于目標標定值的偏差率[4]。針閥體流量離散度的大小對多缸柴油機的缸間差異現(xiàn)象有直接影響，影響著柴油機的動力性能和排放性能。一批針閥體在滿足流量要求的情況下，其流量離散度越小質(zhì)量越好。為了控制針閥體的流量離散度，本系統(tǒng)采用實時檢測研磨加工時通過針閥體噴孔的漿料的流量來控制加工的起止。由于本文所用漿料物理化學性能穩(wěn)定，磨料在漿體中分布均勻，漿料的粘度和密度不隨流動狀態(tài)的改變而改變，所以漿料通過針閥體的實時流量可以準確地反映針閥體噴孔的實際流量。加工前先設定好目標流量值，加工過程中，控制系統(tǒng)接收流量檢測系統(tǒng)反饋的針閥體噴孔流量的實時測量信號并做相關運算與判斷，如果流量大于目標值時系統(tǒng)報錯，流量小于目標值時繼續(xù)加工，當達到設定值時停止加工。其控制流程如圖3所示（Q標為目標流量，Q實為實時流量）。

表2 ZCK155S528針閥體加工

表3 ZCK154S425針閥體加工

2.3 實際加工試驗

為了檢驗本技術的實際加工效果，現(xiàn)選取了國內(nèi)某油泵油嘴廠所生產(chǎn)的型號為ZCK155S528和ZCK154S425的針閥體初加工樣本各五件進行加工試驗。加工壓力為4 MPa，漿料密度為1.333 kg/m3。標定壓力為8 MPa，介質(zhì)為柴油。加工初值和終止值為加工時測得的針閥體實時流量值。

型號為ZCK155S528的針閥體加工目標流量為0.95 L/min，型號為ZCK154S425的針閥體加工目標流量為0.79 L/min。雖然由于測量誤差和系統(tǒng)誤差的存在，加工終止流量不能精確地等于目標流量，但是由表2和表3可以看出用該加工方法加工的針閥體流量系數(shù)可以提高到0.85以上，流量離散度可以控制在±1%以下。

3 結語

由上可知，把磨料漿體射流技術應用到針閥體噴孔的研磨加工中具有很高的可行性與實用性。用膨潤土、水和人造棕剛玉配置的漿料作研磨劑，比用礦物油與化學添加劑配置的研磨劑，懸浮能力更好，穩(wěn)定性、均勻性更高，價格更加低廉。研磨加工中，通過流量檢測系統(tǒng)實時地監(jiān)測針閥體的實時流量，并控制其加工終止流量的方法可以很好地控制針閥體的流量離散度。實際加工試驗表明，用該技術加工的針閥體，流量系數(shù)可以提高到0.85左右，同批針閥體流量離散度可以控制在±1%以下，達到國外同類產(chǎn)品先進技術水平，而且價格低廉、使用方便，具有很高的使用價值和市場潛力。

[1]俞建達，繆雪龍.噴油嘴流量系數(shù)影響因素及其噴射特性研究[J].現(xiàn)代車用動力，2007（8）.

[2]張惠明，趙奎翰，魏建勤.噴孔直徑對直噴式柴油機碳粒生成過程的影響[J].燃燒科學與技術，1999（5）.

[3]黃光明，章成軍.液體擠壓研磨技術在噴油嘴噴孔加工中的應用[J].現(xiàn)代車用動力，2003（1）.

[4]JB/T 7296-1994，柴油機噴油嘴偶件技術條件[S].

[5]李勁松，韓恒信.提高噴油嘴流量系數(shù)的探討[J].柴油機設計與制造，2003（3）.

[6]唐維平，宋偉，喻鳴顯.噴油嘴噴孔液體擠壓研磨工藝研究[J].現(xiàn)代車用動力，2003（5）.

[7]謝祖林.針閥體噴孔去毛刺方法對噴孔流量的影響[J].現(xiàn)代車用動力，2003（11）.

[8]Winfeild B.perry，lexington，mass Abrasive liquid slurry for polishing and radiusing a microhole[P].US.6132482.2000，10.

[9]劉小健.磨料漿體射流技術及其機理研究[D].上海：上海大學，2006（6）.

[10]譚雪松，鐘廷志.磨料水射流多細孔加工液壓系統(tǒng)的參數(shù)計算及實現(xiàn)[J].機床與液壓，2008（12）.

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Research on Grinding Technology of lnjector Valve Based on Abrasive Suspension Flow

LI Minghui①，CAI Hongxia①，LIU Lilan①，LIU Linsheng②，YU Tao①
（①School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai Key Laboratory of Mechanical Automation and Robotics，Shanghai 200072，CHN；②China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，CHN）

The grinding technology of injector valve based on abrasive suspension jet is presented.The jet nozzle is replaced by the injector valve for the grinding process.By deburring and radiusing the intersecting passage of the injector valve with the abrasive suspension results in a high flow coefficient.During the grinding process，the actual through flow rate is compared to a predetermined reference through flow rate.When the two coincide，the process is brought to an end in order to calibrate the flow tolerance of the injector nozzle.The experiments prove that the flow coefficient could be improved to approximate 0.85 and the flow tolerance could be reduced to±1%，reaching the advanced level of similar products abroad.

Abrasive Suspension Flow；Injector Valve；Flow Coefficient；Flow Tolerance

TH16

A

李明輝，男，1983年生，碩士生，主要研究方向：水射流技術，機電控制技術等。

（編輯 余 捷） （

2009-09-23）

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