■ 劉華，喬娜，鄭偉

1. 概述

在燃油噴射結(jié)構(gòu)中，油嘴的噴孔加工方法是直接影響內(nèi)燃機(jī)燃燒性能的重要因素。隨著國家排放要求的日益嚴(yán)格，未來噴孔加工的工藝要求將不斷提高并表現(xiàn)在以下幾個方面：①噴孔孔徑越來越小，逐步趨向?0.1mm及以下的小孔徑。②噴孔的幾何精度包括位置度、圓度、孔壁的表面粗糙度，孔的相貫圓角要求越來越嚴(yán)。③帶倒錐的K系數(shù)噴孔將越來越廣泛地得到應(yīng)用。因此在共軌技術(shù)方面，許多微孔加工技術(shù)也逐漸引起生產(chǎn)廠家的高度重視。

目前，國內(nèi)外用于噴油嘴噴孔加工的方法有四種：在變頻或風(fēng)動高速臺上采用手工鉆削；采用數(shù)控高速多軸鉆床鉆削；采用電火花噴孔機(jī)床加工噴孔；采用激光鉆系統(tǒng)加工噴孔。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，噴油嘴噴孔向著小孔徑、多孔數(shù)、倒錐孔形發(fā)展。鉆削加工工藝由于加工后噴孔內(nèi)毛刺較大，表面質(zhì)量不好，加工小孔徑、大深徑比孔局限性大等原因，已被逐漸淘汰；目前主流的電火花加工工藝，其加工孔徑受電極絲限制，加工倒錐形噴孔需要增加特殊機(jī)構(gòu)且具有不可避免的誤差，也將難以適應(yīng)不斷提高的噴孔要求；而激光加工因為效率高，極限孔徑小、準(zhǔn)確度高、成本低、無材料選擇性等優(yōu)點，現(xiàn)已成為微孔加工的主流技術(shù)之一。但是噴孔激光加工技術(shù)尚處于試驗階段，仍存在背壁損傷和再鑄層等問題亟需解決。

與連續(xù)或長脈沖激光加工的機(jī)制不同，飛秒激光由于其獨有的超強(qiáng)、超窄特性，可以使物質(zhì)在加工過程中不經(jīng)過熔化階段而直接蒸發(fā)，從而避免了再鑄層的產(chǎn)生。基于此特性，我們展開了飛秒激光加工噴油嘴噴孔的工藝研究，確定了一個工件靜止、激光束高速旋轉(zhuǎn)的技術(shù)方案，以環(huán)切方式加工噴油嘴噴孔，并在加工過程中輔以高壓壓縮空氣。

研究結(jié)果表明，采用飛秒激光進(jìn)行加工、優(yōu)化加工工藝、選擇合適的加工參數(shù)，并采用高精度的軟硬件工程措施進(jìn)行保證，是消除孔壁毛刺和熔渣，解決再鑄層和背壁損傷，提高噴油嘴噴孔加工質(zhì)量的根本措施。

2.飛秒激光加工噴孔試驗裝置設(shè)計

（1）主要設(shè)備及光路設(shè)計 為了實現(xiàn)飛秒激光加工噴孔，我們設(shè)計了如圖1所示的試驗裝置。該試驗裝置主要包括飛秒激光器、傳輸光路、光束掃描裝置和五軸運動平臺。

本試驗采用PHAROS 15—600—PP飛秒激光器，輸出的激光脈沖寬度為280fs，重復(fù)頻率為100k～600kHz可調(diào)。光束從飛秒激光器輸出后，通過1/4玻片將線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，再通過4倍擴(kuò)束器，經(jīng)過45°反射鏡后垂直進(jìn)入光束掃描裝置。光束掃描裝置主要由四個光楔和一個聚焦透鏡組成。通過改變角度旋轉(zhuǎn)光楔組可以改變噴孔孔徑，通過調(diào)整橫向位移光楔組可以調(diào)整噴孔的圓柱度。光束經(jīng)過四個高速同步轉(zhuǎn)動的光楔后，可以實現(xiàn)高速運動，從而提高加工效率，如圖2所示。

高速旋轉(zhuǎn)的光束通過聚焦透鏡后在試驗樣件上聚焦，進(jìn)行噴孔加工。噴油嘴固定在五軸運動平臺上，由平臺帶動進(jìn)行直線及旋轉(zhuǎn)運動。

（2）輔助工藝裝置 為了保證噴孔的加工精度和質(zhì)量，噴油嘴的安裝精度和控制精度必須首先得到保證，為此本試驗增設(shè)以下輔助工藝裝置。

首先，專用夾具：由于各噴孔非均布地落在油嘴尖端曲面上，為了保證噴孔的位置度，故采用專用定心定角向夾具。設(shè)置兩個定位來確定噴油嘴角向，以夾具中心的淬火心軸外圓面為定位止口。心軸可進(jìn)行更換，形成適用于不同型號噴油嘴的“通用”夾具，但在安裝夾具時要找正定位心軸圓周跳動在0.01mm以內(nèi)，上下跳動0.005mm以內(nèi)，如圖3所示。

定位心軸采用中空設(shè)計，用于對接工作平臺中心的冷卻氣管，保證加工時噴油嘴內(nèi)部壓力，實現(xiàn)在噴孔打通時，能夠通過高壓氣體快速帶走環(huán)切后的中間實體部分以及加工時產(chǎn)生的少量熔渣。

其次，同軸CCD模塊：基于光路的特殊性，可以在垂直光路最上端設(shè)置同軸CCD，調(diào)整垂直光束中心與CCD的十字標(biāo)中心，做到同心度0.005mm以內(nèi)。在每次加工前可以對比CCD十字標(biāo)中心與樣件實際加工位置，保證各噴孔的位置度。

最后，激光對焦模塊：為了較好地找正曲面上各噴孔的焦點，采用基恩士LK—G150A紅外移傳感器與工控機(jī)相聯(lián)，傳感器分辨精度0.005mm，可以保證避免在離焦?fàn)顟B(tài)下加工，影響孔徑尺寸及孔壁質(zhì)量。

3. 工藝試驗

（1）平板測試試驗 在正式加工樣件前，需要在同材料同厚度的平板上先進(jìn)行測試，以獲得滿足設(shè)計要求的加工參數(shù)。由于噴孔深度不大，普遍介于0.7～1.5mm，因此采用環(huán)切的掃描方式，不需要去除所有材料，切除后圓柱實體部分由高壓氣體帶走，可以提高加工效率。

圖1 飛秒激光加工裝置示意

圖2 四光楔的結(jié)構(gòu)

圖3 夾具示意圖與實物圖

環(huán)切的工藝參數(shù)主要包括單脈沖能量、光斑重疊率以及進(jìn)給速度，另外加工時吹氣的種類和氣壓也會影響加工效果。為了獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，我們設(shè)計了一組試驗。由于影響因素較多，且每個因素都有多個水平，因此，我們采用正交試驗法進(jìn)行試驗，每個因素我們都取其中五個水平，每個參數(shù)具體的水平選取如附表所示。

根據(jù)測試的孔徑尺寸、小孔圓度、圓柱度、孔壁質(zhì)量及一致性，選取最優(yōu)的加工參數(shù)，以160μm/190μm噴孔為例，保證噴孔出入口尺寸在±2μm公差以內(nèi)，圓度＞98%，系數(shù)K=3，如圖4所示。

（2）樣件優(yōu)化試驗 由于噴孔實際加工落點為曲面，且噴油嘴內(nèi)部為密封空間，在平板上測試出工藝參數(shù)后，需要在噴油嘴加工時對參數(shù)進(jìn)行再次優(yōu)化。

首先需要計算各個噴孔的空間坐標(biāo)，根據(jù)機(jī)床原點坐標(biāo)、回轉(zhuǎn)中心以及平臺高度、夾具尺寸以及樣件尺寸，計算出各噴孔的理論空間坐標(biāo)。

為了保證噴孔位置度，需采用CCD校對計算出的理論坐標(biāo)。當(dāng)噴油嘴實際中軸線與理論坐標(biāo)有偏差且偏移量＜0.025mm時，以實際中軸線位置為準(zhǔn)，調(diào)整孔位坐標(biāo)；當(dāng)偏移量＞0.025mm時，重新檢測夾具及噴油嘴的安裝精度。

為了保證噴孔尺寸精度和孔壁質(zhì)量，應(yīng)該避免在離焦?fàn)顟B(tài)下加工。試驗采用紅外自動對焦系統(tǒng)校對理論坐標(biāo)，當(dāng)理論坐標(biāo)有誤差時及時反饋和補償，控制焦點誤差在0.005mm內(nèi)。

噴孔坐標(biāo)確定后，對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化（見附表）。盡量不改變孔徑和孔形參數(shù)，僅調(diào)整功率、加工時間等參數(shù)，以保證與平板加工孔徑、圓度及圓柱度一致。

（3）工藝難點 為了縮短加工時間，通常會設(shè)定高于材料燒蝕閾值的激光功率。由于中孔頂部空間較小，在打通噴孔時，激光可以照射到內(nèi)腔背壁，會對背壁造成一定程度的燒蝕和損傷（見圖5）。因此激光加工噴油嘴噴孔中背壁保護(hù)是工藝難點之一。

為了解決這一問題，我們根據(jù)噴油嘴壓力室形狀及尺寸，填充不同數(shù)量、規(guī)格的小鋼球，同時保證夾具心軸所通的冷卻氣體壓力＞0.5MPa，這樣在首個噴孔局部打通時，樣件內(nèi)外會產(chǎn)生較大的壓差。在內(nèi)部氣壓作用下，可以將填充的小鋼球頂緊在壓力室位置，起到阻擋和吸收激光能量的作用，防止背壁損傷，如圖6所示。

圖4 在0.8mm厚的18CrNi8平板上測試結(jié)果

工藝參數(shù)優(yōu)化水平選取

該方法需要反復(fù)測試，以確定填充的小鋼球規(guī)格和數(shù)量。在一般情況下可以在加工初始階段使用大功率，在噴孔即將打穿時降低激光功率并延長時間的方法，以防止小鋼球被激光擊穿，如圖7所示。

4. 加工結(jié)果驗證和分析

目前用來測量多孔噴油嘴加工精度的手段可以分為兩類，一類是直接測量噴孔的內(nèi)部幾何參數(shù)，主要是通過這些參數(shù)來衡量各噴孔之間的加工一致性；另一類是通過測量各孔噴霧的特性參數(shù)來間接反映噴孔加工的對稱性。

（1）直接測量 本試驗采用基恩士VHX—1000電子顯微鏡，首先對噴孔出油口尺寸進(jìn)行檢測，再對噴油嘴進(jìn)行線切割，檢測噴孔內(nèi)部尺寸、孔壁粗糙度等，同時對背壁保護(hù)效果進(jìn)行檢測，如圖8所示。

圖5 背壁損傷

由于采用與平板測試一致的孔形與孔徑參數(shù)，噴孔內(nèi)部尺寸可以通過出油口尺寸測量合格來保證，所以批量加工時可以只檢測噴孔出油口尺寸，如圖9所示。

使用掃描電鏡測量孔壁粗糙度，觀察微裂紋。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，孔內(nèi)壁粗糙度Ra≤0.3mm，且無微裂紋，滿足設(shè)計要求。

（2）性能檢測 性能檢測的主要項目為高壓流量測量，試驗采用無錫油泵油嘴研究所的ZGL—1高壓流量試驗臺進(jìn)行壓力流量測試，設(shè)備精度±0.5%，按照國際要求對噴油器高壓噴射流量分別進(jìn)行10～60MPa壓力流量測試。

圖6 背壁保護(hù)

本試驗加工出的噴油嘴，其流量系數(shù)可達(dá)到0.65以上，流量散差≤±5%。為了滿足日益提高的的排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)噴油嘴流量系數(shù)要求在0.8以上，因此需要進(jìn)一步提高試驗噴油嘴的流量系數(shù)。通過液體擠壓研磨的工藝，可以在噴孔與壓力室相貫處獲得一定的圓角，既解決了激光加工中無法做到的噴孔進(jìn)油口圓角，又使噴油嘴液體流量系數(shù)得以提高，滿足流量系數(shù)≥0.8的要求。

5. 結(jié)語

超快激光加工關(guān)鍵技術(shù)，主要集中在減小傳統(tǒng)加工和長脈沖激光加工的微缺陷、冶金缺陷方面，以及滿足噴嘴要求的倒錐形噴孔。法國的雷諾公司，德國GFH公司都在嘗試用超快激光加工。國外相關(guān)設(shè)備對中國是禁運的，因此目前國內(nèi)還沒有高效的、專業(yè)用于企業(yè)生產(chǎn)性質(zhì)的超快激光微加工裝備。

圖7 背壁保護(hù)材料

圖8 噴油嘴噴孔尺寸測量結(jié)果

圖9 孔內(nèi)壁（2000×）

文章研究的超快激光設(shè)備加工方法能將噴嘴質(zhì)量達(dá)到國際同等質(zhì)量，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將為國內(nèi)燃油噴射零部件的加工帶來革命性的變革，一舉打破關(guān)鍵加工設(shè)備國外壟斷的局面，填補了國內(nèi)在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)激光微孔技術(shù)方面的空白。不僅能推動對國內(nèi)發(fā)動機(jī)研發(fā)上一個新臺階，還能促進(jìn)相關(guān)和類似的微加工領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大我國在機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域的影響。

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