宋國民 周峰 吳欲龍 張麗敏

（中國一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫214063）

1 前言

隨著機動車排放法規(guī)的進一步加嚴，我國已經(jīng)向全世界承諾到2030年碳排放達峰值，其中發(fā)動機領域將在2025年達到碳排放峰值。對發(fā)動機燃油系統(tǒng)而言，噴射壓力和制造精度要求也將越來越高，其中噴油嘴的制造是核心和難點，孔徑縮?。ú糠謬娍字睆缴踔两咏?.1 mm）、孔數(shù)增多是噴孔未來的技術發(fā)展趨勢。

目前滿足國六排放標準的油嘴噴孔基本技術要求如下。

a.噴油孔直徑的尺寸精度為±0.002 mm。

b.K系數(shù)±0.5 μm，（K是以微米單位時噴孔入口直徑與出口直徑差值的十分之一）。

其中噴孔制造的幾何精度包括位置度、圓度、孔壁表面粗糙度等，同時噴孔相貫圓角要求也會越來越高，如針閥體球頭半徑在不超過1.0 mm的空間內要求表面粗超度Ra1.6 μm，帶倒錐系數(shù)K的噴孔越來越廣泛應用[1]。

燃油噴射系統(tǒng)為提升性能，噴孔需有較高的流量系數(shù)，同時排放一致性對噴油嘴制造過程能力提出了更高要求。噴油嘴在成型、熱處理、精加工后噴油嘴針閥體加工噴孔，并通過液體擠壓研磨制成成品，其中針閥體噴孔是噴油嘴偶件制造的核心工序，直接關系到噴油嘴偶件性能好壞。目前就加工方法而言，常規(guī)微小噴孔采用電火花，即在被加工件和電極之間施加脈沖電壓形成放電通道，放電區(qū)域瞬時的高溫將材料熔化、燒蝕、蒸發(fā)，并持續(xù)循環(huán)，期間電極不斷進給，形狀最終復制在被加工件上，形成所需要的加工表面，這也是目前油泵油嘴行業(yè)普遍使用的加工方法。結合國家科技支撐計劃項目，探索飛秒激光加工噴油嘴噴孔的工藝技術，特別是微小空間的激光對壁保護技術攻關，以拓展激光加工的工業(yè)應用領域范圍。

2 飛秒激光技術

飛秒（10-15秒，fs）激光技術是通過對材料作用而產(chǎn)生瞬時熱量，材料表面吸收熱量并向內部快速傳遞，由于極短脈沖時間和超高峰值功率能實現(xiàn)材料相對意義的“冷加工”，而材料不產(chǎn)生燒蝕，有熱影響區(qū)域小、精度高的特點，再配合合理的加工工藝，理論上可實現(xiàn)高溫合金材料的無熱影響區(qū)、無重鑄層、無微裂紋等精密加工，飛秒激光加工工藝原理如圖1所示[2-3]。

圖1 激光加工系統(tǒng)原理[2-3]

電荷耦合器（Charge Coupled Device，CCD）是一種特殊的半導體器件，CCD由許多完全一樣的感光元件組成，每個感光元件為一像素，起到將光線轉換成電信號的作用，其性能直接影響激光加工性能。

由于飛秒激光對材料沒有特殊的選擇性，加工需要的脈沖能量閾值低，這決定了加工的低功耗。目前飛秒激光葉片氣膜孔加工在航空制造領域已成為研究熱點，并且逐步形成了商業(yè)應用[2]。飛秒激光進行微小孔加工時，由于在加工方向一定范圍內仍有足夠的激光能量可造成材料去除，因此，對腔體結構進行微孔加工時，會發(fā)生激光加工表層材料后繼續(xù)進行加工，從而造成對面壁材料損傷，因而，利用飛秒激光加工時對一定腔體距離下對面壁無損傷保護是噴油嘴噴孔加工技術的核心，也是影響噴油嘴噴孔加工質量的關鍵因素。本研究中的噴油嘴針閥體，由于噴油嘴偶件控制腔非常狹小，空間距離通常在毫米級別，實際激光噴孔加工的對壁保護技術研究非常關鍵，這將影響后續(xù)飛秒激光是否能夠經(jīng)濟批量在噴油嘴噴孔制造中應用。

3 飛秒激光噴油嘴噴孔加工

噴油器噴油嘴結構如圖2、圖3所示。主體有針閥體和針閥組成，其中噴油嘴頭部噴孔是最終燃油的噴射出口，燃油經(jīng)過該噴孔直接進入發(fā)動機燃燒室。這里定義噴孔內部d2為噴孔入口，外部d1為噴孔出口，噴孔直徑、噴孔數(shù)量及周向分布根據(jù)發(fā)動機燃燒性能開發(fā)的要求確定，根據(jù)發(fā)動機燃燒匹配的要求，噴孔通常加工為入口大、出口小的錐度形狀，錐度值通過系數(shù)K來定義。

圖2 噴油嘴偶件示意

圖3 噴油嘴噴孔示意

3.1 試驗設備

激光加工系統(tǒng)由激光器、機械工作臺系統(tǒng)、光學聚焦、觀察系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等五大組成部分。本試驗采用Light Conversion公司PHAROS型號激光器，最大功率20 W，波長1 030 nm，脈沖寬度300 fs。

3.2 試驗平板零件

激光飛秒加工微孔時，由于材料特性和要求各不相同，需對激光加工的工藝參數(shù)進行優(yōu)化才能達到理想的噴孔加工質量。為優(yōu)化飛秒加工的工藝參數(shù)，經(jīng)過對飛秒激光功率、單層掃描時間、單層進給量、孔徑角、光束偏移量等參數(shù)進行優(yōu)化和調試，圖4給出在平板上進行100個微孔加工的直徑測量結果，激光參數(shù)設置如表1。從測量結果可見，實際微孔加工直徑的離散度在5 μm范圍內，通過激光加工工藝參數(shù)的調整可形成出口端孔徑大于入口端的孔徑，即形成一定的錐度K系數(shù)，以滿足發(fā)動機性能匹配的要求。

圖4 平板飛秒激光小孔加工結果

表1 激光試驗參數(shù)

3.3 試驗噴油嘴噴孔加工

試驗零件為噴孔未加工的針閥體，材料為18CrNi8，所需加工的噴孔孔徑Ф0.18 mm，加工厚度0.75 mm。試驗前先對零件進行超聲波清洗，去除零件表面及內部的雜質。

通過調整平行光組、反光鏡、聚光鏡及波片來保證所加工孔的圓度及錐度，同時通過循環(huán)程序精確尋找激光的焦點位置，調整好的加工位置如圖5所示。

圖5 加工前位置示意

通過調整，選用了優(yōu)化的激光參數(shù)。在5個針閥體上進行噴孔加工，每個針閥體上加工8個噴孔，然后檢測每個噴孔的孔徑尺寸、角度偏差、流量、表面粗糙度等，加工的噴孔直徑結果如圖6所示。

圖6 噴油嘴噴孔直徑分布

3.4 噴孔加工流量檢測

噴油嘴噴孔內外孔徑采用Mycrona復合式三坐標測量機，如圖7所示。噴油嘴噴孔流量檢測采用ExtrudeTest高壓流量試驗臺，測試壓力10 MPa，無背壓，測試溫度40±2℃，如圖8所示，流量檢測結果如圖9所示。其中，油嘴的流量系數(shù)定義如下。

圖7 Mycrona復合式三坐標測量機

圖8 高壓流量試驗臺

式中，Qr為實際流量，Qt為理論流量。

理流量計算如下。

式中，d0為噴孔直徑，i為噴孔數(shù)，ΔP為試驗用固定壓力，ρ為流體密度。

從圖9可見，10只噴油嘴流量與平均值的偏差范圍滿足±3%的要求，一致性可滿足后續(xù)噴油器匹配發(fā)動機性能開發(fā)的要求。

圖9 噴油嘴流量測量結果

從實際測量結果可見，經(jīng)過優(yōu)化后的飛秒激光參數(shù)加工的噴油嘴噴孔孔徑散差與平板加工的微孔散差接近（±0.001 mm），高于電火花加工精度（±0.003 mm），同時飛秒激光單孔貫穿Φ0.18 mm、壁厚0.75 mm噴孔的時間為20 s，低于電火花30～40 s，加工效率具有一定的優(yōu)勢。同時飛秒加工無需耗材，大批量生產(chǎn)有價格優(yōu)勢的潛力；此外，飛秒激光更新工裝或鏡頭，可加工不同結構、孔徑、孔型的異型微孔。

4 噴油嘴噴孔對壁保護工藝

飛秒加工當噴孔打穿后，由于其在加工方向一定范圍內仍有足夠的激光能量，因此會造成壁面材料去除，若對面的壁面為零部件工作表面，則很容易造成損壞，從而導致零部件質量受損，嚴重時會導致整個零部件報廢，因此，微小腔體距離下的對面壁面無損傷加工是飛秒激光技術在該場景下應用推廣最主要的攻關技術之一。

飛秒激光對壁保護通常有兩種工藝方法，一種是通過軟件實現(xiàn)，即孔打穿瞬間，飛秒的能量急劇下降，從而保證對面不再被加工。另一種做法是采用填充材料，此填充材料要具有對激光發(fā)生漫射或散射，而且熔點高、熱導率低、受熱不易分解等特點。理論上通過軟件對激光能量進行控制成本最低、效果最好，但該技術需要對噴孔深度進行精確檢測，而且對系統(tǒng)的實時性要求極高，目前控制技術及策略尚不成熟，文本采用輔助料填充的方法研究微小腔體距離下的壁面保護加工工藝方法。

圖10給出了未進行對壁保護的噴孔加工結果，從圖可見當噴孔打穿后，飛秒激光的能量對壁面造成了嚴重損傷。

圖10 未對壁保護飛秒激光噴孔加工

為進行工件的對壁保護，選擇的保護材料應易于填充、排除，且不會形成大量的殘留物。圖11為采用石英砂填充后噴孔孔壁的實際測量結果，從圖可見，石英砂填充后，表面質量有所提高，加工殘留物和氣渣得到了一定程度改善，但對壁仍存在嚴重損傷。

圖11 石英砂填充噴孔加工

為進一步探究對壁保護工藝，在石英砂中增加超硬材料立方氮化硼（CBN）填充，圖12為噴孔加工的實際測量結果，從圖可見，石英砂和CBN混合填充后對壁保護未徹底解決，而且內壁殘留較多的填充物，難以清洗和去除。

圖12 石英砂和CBN混合填充噴孔加工

圖13為采用氧化鋯陶瓷棒填充對壁防護后的加工圖，圖14為剖切后的剖面圖，從實際加工結果可見，采用氧化鋯陶瓷棒填充的噴孔加工質量得到大幅度改善。

圖13 氧化鋯陶瓷棒填充噴孔加工

圖14 氧化鋯陶瓷棒填充加工剖切圖

從以上的相關工藝試驗研究結果可見，采用特定材料填充可改善噴孔的對壁保護效果，但對于填充物選擇，石英砂、CBN顆粒大小等需要大量工藝試驗研究，氧化鋯陶瓷棒加工雖然效果良好，但由于受到夾具限制，陶瓷棒在加工中仍會受到損傷，需定期更換陶瓷棒，因此，雖然從技術上取得了成功，但從加工工藝性和成本方面還需要進一步深入研究。

5 結束語

本研究對飛秒激光在噴油嘴噴孔加工中的工藝方法進行了研究，特別是飛秒激光對壁保護工藝技術的研究，研究結果從性能上可滿足噴油嘴工程應用的要求。由于飛秒激光加工屬于新型加工工藝，特別是在噴油嘴噴孔領域的應用，屬于開創(chuàng)性研究，雖然目前從性能上可滿足要求，但還要進一步對該工藝加工的噴油嘴進行發(fā)動機性能和可靠性驗證，并對加工的效率提升進行研究，以滿足批量生產(chǎn)性價比競爭力的要求。