吳建華 伍文鋒 游 江 嚴(yán)麗麗

冷擠壓精加工技術(shù)在燃油噴嘴微孔加工中的應(yīng)用

吳建華 伍文鋒 游 江 嚴(yán)麗麗

（成都航利航空科技有限責(zé)任公司，成都 611936）

微孔是燃油噴嘴中控制流量的關(guān)鍵特征，孔的圓度、孔口棱邊以及孔壁的表面質(zhì)量等均對(duì)噴嘴流量性能有較大影響。針對(duì)微小節(jié)流孔加工尺寸精度低、易形成錐度、孔壁光潔度低、孔口易破損、加工效率低等加工問(wèn)題，在常規(guī)孔加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了冷擠壓加工工藝，采用了新設(shè)計(jì)的擠壓刀和夾具，可顯著提高制孔精度和質(zhì)量，并形成新的加工流線。結(jié)果表明：燃油噴嘴油柱噴射順直無(wú)飛濺，穩(wěn)定性顯著提高，流量公差明顯縮小，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

微孔；冷擠壓；燃油噴嘴

1 引言

燃燒室的燃燒性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要，而燃油噴嘴的性能參數(shù)直接影響燃燒性能，燃油流量是燃油噴嘴最重要的性能參數(shù)之一。燃油噴嘴中的限流嘴、旋流器、節(jié)流塞等零件是控制流量的關(guān)鍵部件，這些關(guān)鍵部件控制流量的特征大部分都是微孔，孔的尺寸主要分布在0.3～1.0mm之間，加工難度較大。

目前，有約50種加工方法可用于加工微孔[1]，不同的方法各具特色，適用于不同的材料、精度、光潔度以及孔尺寸。常用方法有：機(jī)械加工、電火花加工、激光加工、電子束加工和離子束加工等。此外還有超聲振動(dòng)、超聲旋轉(zhuǎn)、超聲電加工、超聲電化學(xué)、超聲激光加工等復(fù)合加工方法等[2]。雖然小孔加工技術(shù)在日新月異的科技發(fā)展中，新技術(shù)層出不窮，但在燃油噴嘴微孔加工方面依然存在不小的難度，主要是難以達(dá)到尺寸、形狀精度以及表面質(zhì)量要求，最終產(chǎn)品性能指標(biāo)不符合使用要求。

探討如何在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、高質(zhì)量和低成本加工微孔，選定某典型的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)直射式燃油噴嘴，該系列產(chǎn)品節(jié)流孔尺寸主要分布在0.5～0.8mm，孔深6～9mm，長(zhǎng)徑比約為10，孔尺寸精度為0.004mm，孔口需保持銳邊，材料為奧氏體不銹鋼，小孔需滿足流量要求，且油路軌跡在80mm內(nèi)發(fā)散錐角≯3°。

2 噴嘴孔技術(shù)要求及試驗(yàn)現(xiàn)狀

2.1 噴嘴流量試驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題

直射式燃油噴嘴的流量控制精度非常高，若不施加外力，其噴射狀態(tài)是一條油柱。如噴射的油柱狀態(tài)不穩(wěn)定，則會(huì)影響到霧化質(zhì)量，從而影響燃燒效果，嚴(yán)重的會(huì)影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[3]。常見(jiàn)不穩(wěn)定的油柱狀態(tài)主要呈發(fā)散、飛濺狀（見(jiàn)圖1）。

圖1 噴射油柱圖

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，燃油噴嘴中流量和噴霧錐角計(jì)算的基本方法是基于最大流量原理法和動(dòng)量方程法，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果的修正而得到的半經(jīng)驗(yàn)半分析方法，既主要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的歸納總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算[4]，在設(shè)計(jì)圖紙中控制影響性能指標(biāo)的特征。如流量的關(guān)鍵尺寸一般會(huì)同時(shí)標(biāo)注以最終試驗(yàn)合格為準(zhǔn)，也說(shuō)明了產(chǎn)品制造與理論設(shè)計(jì)值有差距。燃油噴嘴小孔的加工質(zhì)量和精度如達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)將不會(huì)穩(wěn)定，操作工人在做流量試驗(yàn)時(shí)，不得不頻繁使用各種方法調(diào)節(jié)流量，影響生產(chǎn)效率，且容易造成產(chǎn)品報(bào)廢。

噴嘴產(chǎn)品流量性能試驗(yàn)的合格與否由多項(xiàng)因素綜合決定，理論上如果關(guān)鍵尺寸所決定的關(guān)鍵因素保持穩(wěn)定，則最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)將會(huì)更穩(wěn)定，試驗(yàn)合格率也會(huì)大大提高。

2.2 問(wèn)題分析

影響燃油流量大小的關(guān)鍵因素有孔的尺寸、形位公差、表面質(zhì)量以及孔口質(zhì)量等，其中孔的尺寸和形位變化規(guī)律基本可通過(guò)計(jì)算分析獲得，而表面質(zhì)量和孔口質(zhì)量基本上依靠試驗(yàn)。

在制造行業(yè)中，銳邊尺寸定為最大0.05mm，根據(jù)數(shù)十萬(wàn)件產(chǎn)品的加工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在一定范圍內(nèi)，流量隨孔口倒棱尺寸的增大而增大，在0.04mm以內(nèi)，流量的變化率較大，0.04mm以上，流量的變化趨于穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2 燃油流量與棱邊尺寸變化曲線

不規(guī)則的孔口棱邊及較低表面質(zhì)量（見(jiàn)圖3、圖4）會(huì)對(duì)油液的流動(dòng)造成匯集加速、阻滯、分割等多種影響，形成多股紊流，影響射流的穩(wěn)定性。

圖3 常用加工方式加工的小孔孔口

圖4 常用加工方式加工的小孔孔壁

2.3 問(wèn)題總結(jié)

加工小孔方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，取決于孔的直徑、深度、產(chǎn)品材料和設(shè)備要求。不同的加工方法適用不同的材料、不同的精度、不同的光潔度和不同的小孔尺寸，并且都有一定的適用范圍。

鉆削加工方式不可避免在孔口形成不規(guī)則缺口，一般在高精密數(shù)控車(chē)床上加工0.3～1mm小孔時(shí)，容易出現(xiàn)鉆頭打飄、磨損較快或折斷的現(xiàn)象；研磨加工時(shí)易加工為喇叭口，無(wú)法改善射流發(fā)散的趨勢(shì)[5]，生產(chǎn)效率低、對(duì)操作技能要求高、經(jīng)濟(jì)效益不佳；電火花加工容易在孔壁上形成重熔層，表面光潔度差[6]，加工深孔則常出現(xiàn)錐孔，且加工速度慢，精度最高；激光加工孔表面光潔度差、易形成喇叭口、設(shè)備較貴；電解加工精度較低、易腐蝕機(jī)床和夾具、局限性較大；超聲波加工效率偏低、工具易磨損，精度低；電子束和離子束更適合加工0.02～0.3mm的微孔，設(shè)備較貴；其他特種加工的復(fù)合加工方式設(shè)備總體昂貴、技術(shù)尚不十分成熟、有局限性[7]。

3 解決方案

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特殊性，采用機(jī)械加工技術(shù)，如鉆削、鏜削、拉削、沖孔、磨削、鉸孔、珩磨、研磨、擠壓等工藝技術(shù)制孔時(shí)，在使用效果和應(yīng)用范圍上受到眾多限制[8]。單一的方式帶來(lái)相應(yīng)的局限性，同樣如只實(shí)施具有獨(dú)特成型原理的特種加工工藝方法，則也會(huì)表現(xiàn)出特種加工的弊端?，F(xiàn)在不同小孔加工技術(shù)的復(fù)合化成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),取長(zhǎng)補(bǔ)短[9]，將其組合起來(lái)實(shí)施加工，使用效果、加工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性會(huì)有較好的改觀。

3.1 常用孔加工與冷擠壓加工相結(jié)合

擠壓過(guò)程是一個(gè)綜合彈性變形和塑性變形的過(guò)程。在金屬受外力由彈性變形過(guò)渡到塑性變形中，金屬中受擠壓晶粒變細(xì)變長(zhǎng)，表面層形成冷硬層，強(qiáng)化了表面，增加了耐磨性和抗腐蝕性。微觀上觀測(cè)，產(chǎn)品表面形成新的加工流線，光潔度大大提高[10]。

表面冷擠壓加工的塑性變形量一般比較小，3～6mm的塑性變形量為0.02～0.05mm之間，針對(duì)0.6～1.0mm的孔，變形層厚度最大0.15mm，除了要考慮工藝裝置所允許的塑性變形量外，還必須將擠壓次數(shù)和加工余量統(tǒng)一考慮，當(dāng)塑性變形量確定后，擠壓次數(shù)的選定和加工余量的分配便是決定擠壓孔精度的關(guān)鍵，從理論上計(jì)算出最佳的參數(shù)比較困難。經(jīng)長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)驗(yàn)證后確定0.6～1.0mm的孔塑性變形量為0.005～0.015mm。

3.2 合理設(shè)計(jì)擠壓用刀具

冷擠壓刀具的工作環(huán)境較惡劣，承受軸向的高載荷及徑向擠壓力，所以刀具的設(shè)計(jì)需考慮降低擠壓載荷。

加工常使用推擠方式，通常情況下擠壓刀設(shè)計(jì)為圖5所示的前端帶導(dǎo)向錐面，工作部位是圓弧面，后端帶后導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)。但所研究的冷擠壓孔尺寸為0.6～1.0mm之間，且擠壓余量約為0.005mm，復(fù)雜的微型刀具抗拉、壓強(qiáng)度較低，且制造難度大，成本高。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，化繁為簡(jiǎn)設(shè)計(jì)如圖6所示結(jié)構(gòu)，使用效果較佳。刀具材料選用高速鋼，如W18Cr4V和W6Mo5CrV2，淬火硬度為HRC62～66。為增強(qiáng)其耐磨性，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，可做涂層，如TiN系列。

圖5 常規(guī)擠壓刀結(jié)構(gòu)

圖6 新設(shè)計(jì)擠壓刀結(jié)構(gòu)

3.3 選用優(yōu)良的潤(rùn)滑劑

冷擠壓過(guò)程中的伴隨有強(qiáng)力摩擦，且持續(xù)操作則會(huì)在加工部位聚集大量的熱量，刀具和產(chǎn)品受熱膨脹，增大了擠壓加工量，容易導(dǎo)致刀具折斷和刀具與產(chǎn)品粘連。因此，必須選用潤(rùn)滑性好、滲透性強(qiáng)的潤(rùn)滑劑。經(jīng)過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選用鈦合金切削的乳化液，混合機(jī)油和四氯化碳制成潤(rùn)滑劑。相較不使用潤(rùn)滑劑，擠壓過(guò)程中所受阻力明顯降低20%～30%，且孔壁質(zhì)量較好。

3.4 設(shè)計(jì)專用的裝夾夾具

圖7 專用裝夾夾具

在冷擠壓加工操作產(chǎn)品時(shí)，因被擠壓孔屬微孔，為防止偏側(cè)力矩折斷擠壓刀,并便于固定，則需設(shè)計(jì)新夾具（見(jiàn)圖7）。新夾具結(jié)構(gòu)主要是將安裝零件的夾具體與底座設(shè)計(jì)為使用潤(rùn)滑油分割的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，操作工人可以在2s以內(nèi)精確找正待擠壓小孔，最終實(shí)現(xiàn)更好的加工精度、更高加工效率和最低的操作難度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)提出的技術(shù)方案，從工藝路線、刀具、工裝、潤(rùn)滑劑等方面優(yōu)化調(diào)整，并經(jīng)技能培訓(xùn)。通過(guò)選用APS發(fā)動(dòng)機(jī)系列直射式工作燃油噴嘴5種節(jié)流孔，以每批次50件開(kāi)展了工藝試驗(yàn)，分別從加工質(zhì)量和流量試驗(yàn)兩個(gè)方面統(tǒng)計(jì)分析。

圖8 冷擠壓加工孔口

圖9 冷擠壓加工孔壁

加工質(zhì)量方面，冷擠壓后微孔的質(zhì)量較好，使用高精度OGP光學(xué)投影儀測(cè)量孔圓度≯0.0017mm，孔口棱邊尺寸≯0.02mm（見(jiàn)圖8），孔壁光潔度由鉆削形成的R1.6μm提升到R0.4μm，尤為重要的是形成了冷硬面，軸向加工流線清晰可見(jiàn)（見(jiàn)圖9），產(chǎn)品在工作中的耐磨性大幅提高。

圖10 噴射油柱圖

流量試驗(yàn)方面，裝配了經(jīng)冷擠壓節(jié)流孔的5項(xiàng)燃油噴嘴噴射效果良好，油柱順直無(wú)飛濺（見(jiàn)圖10）。統(tǒng)計(jì)流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)表明流量分布值均明顯縮小，平均減少39.39%，流量穩(wěn)定性大幅提高。在生產(chǎn)實(shí)踐中，為客戶穩(wěn)定提供數(shù)萬(wàn)件噴嘴產(chǎn)品，產(chǎn)品加工質(zhì)量獲得較好評(píng)價(jià)。

表1 5項(xiàng)燃油噴嘴流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

提出采用冷擠壓加工工藝，以APS發(fā)動(dòng)機(jī)系列直射式工作燃油噴嘴5種節(jié)流孔為研究對(duì)象，開(kāi)展了工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用冷擠壓精加工技術(shù)在加工0.5～0.8mm，深徑比10以內(nèi)的燃油噴嘴微孔時(shí)，具有生產(chǎn)效率高、制孔尺寸精度高、制孔孔口外觀質(zhì)量好、所需刀具和夾具簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低、操作技能易掌握等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，尤其是形成了強(qiáng)化且呈流線狀的孔壁表面，對(duì)燃油噴嘴的噴射性能有良好的提升作用，經(jīng)數(shù)萬(wàn)件產(chǎn)品的交付驗(yàn)證，無(wú)加工質(zhì)量問(wèn)題。

1 艾冬梅，賈志新. 小孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程師，2000(1)：8～10

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3 侯凌云，侯曉春，等. 噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2007

4 甘曉華. 航空燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006

5 韓永紅，王春雪. 噴油桿射流發(fā)散分析研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(6)：24～27

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7 徐慶仁. 航空制造工程手冊(cè)-機(jī)載設(shè)備精密加工[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1996

8 王世清. 深孔加工技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003

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10 楊煜. 國(guó)內(nèi)外冷擠壓技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 鍛壓機(jī)械，2001(1)：3～5

Application of Cold Extrusion Finishing Technology in Micropore Machining of Fuel Nozzle

Wu Jianhua Wu Wenfeng You Jiang Yan Lili

(Chengdu HOLY Aviation Science & Technology Co., Ltd., Chengdu 611936)

Micropore is the key feature to control the flow in the fuel nozzle. The roundness, edge and surface quality of the hole wall all have a great influence on the fuel flow of the nozzle. Aiming at the processing problems of low dimensional accuracy, taper, low hole wall finish, orifice damage and low processing efficiency of micro orifice processing, based on the conventional hole processing technology, the cold extrusion processing technology is proposed, and the newly designed extrusion knife and fixture are adopted, which can significantly improve the hole making accuracy and quality, and form a new streamline. The results show that the fuel jet is straight without splash, the stability is significantly improved, the flow tolerance is significantly reduced, and the production efficiency is also improved.

micropore；cold extrusion；fuel nozzle

TG372

A

流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（szjj2015-043）。

吳建華（1984），高級(jí)工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴制造技術(shù)。

2021-09-01