氮化硅陶瓷柱塞套油孔的超聲振動加工

郭 昉，張保國，田欣利，王健全，李富強，毛亞濤

（裝甲兵工程學院 再制造技術重點實驗室，北京100072）

噴油泵柱塞偶件是柴油機的三副精密偶件之一，由于它是在高速、高壓和非常溫的環境下工作，所以其質量的好壞將直接影響柴油機的經濟性、動力性和可靠性?？梢哉f，柱塞偶件的質量決定了油泵油嘴的質量，它的工藝水平和制造能力是衡量油泵油嘴工業水平的一個重要標志，也是制約油泵油嘴工業發展的關鍵環節[1］。實際使用情況表明，由柱塞偶件的磨損和柱塞咬死所引起的柱塞失效要占總失效柱塞數的30%，而偶件喪失工作能力的主要原因是柱塞和柱塞套發生變形，柱塞偶件的徑向間隙產生變化致使柱塞咬死，并引起配合表面磨損剝蝕[2］。

為改善發動機柱塞偶件的性能，具有抗腐蝕、耐磨損、密度小等優異性能的工程陶瓷柱塞偶件受到諸多發動機設計人員的青睞[3－5］。本工作以柴油機噴油泵出油閥雙螺旋槽柱塞偶件為研究對象，通過有限元分析對比了金屬和陶瓷柱塞偶件工作時應力和變形分布規律，得出陶瓷柱塞偶件性能遠遠優于金屬柱塞偶件后，設計了陶瓷柱塞套的加工工藝規程，并著重研究了氮化硅陶瓷柱塞套表面油孔（進出油孔和潤滑油孔）的精密加工技術。

1 有限元分析

柴油機噴油泵的出油閥柱塞偶件為精密偶件，加工精度非常高。通常柱塞和柱塞套經過精加工后，成對選配并進行研磨而成，不同偶件的柱塞套或柱塞不能互換使用。配研后柱塞偶件間要保持一定的配合間隙，一般其徑向配合間隙僅為1.5～2.5μm[6］，以方便潤滑和防止擦傷或咬死。在發動機運轉過程中柱塞向上移動時，從快要關閉套筒上的進油孔開始，供油壓力便迅速上升，在非常高的供油壓力下，套筒微微擴張，而柱塞稍有收縮，致使柱塞和套筒間的間隙微微加大，所產生的附加間隙極易引起柱塞偶件運轉不平穩。因此，在加工陶瓷柱塞偶件前有必要對其在噴油泵壓力作用下的應力、位移變化規律進行有限元分析，為氮化硅陶瓷柱塞偶件的配研提供理論依據[7，8］。

通過有限元軟件對比分析了相同載荷下軸承鋼柱塞偶件和熱壓氮化硅陶瓷柱塞偶件的位移變化規律。從柱塞套的位移分布情況得知，軸承鋼柱塞套和熱壓氮化硅陶瓷柱塞套的位移均以徑向位移為主，軸向位移較小。受力情況相同時軸承鋼柱塞套的最大徑向位移為0.689μm，而氮化硅柱塞套的最大徑向位移為0.451μm，比軸承鋼柱塞套的最大位移降低了35%。從兩種不同材料的柱塞位移分布情況得知，相同載荷下軸承鋼柱塞和熱壓氮化硅陶瓷柱塞的位移變化均以軸向位移為主，徑向位移較小。受力情況相同時，軸承鋼柱塞的最大徑向位移為－0.0132μm，而氮化硅柱塞的最大徑向位移為－0.0095μm，較軸承鋼柱塞降低了28%。

偶件磨損是由于直徑超過或接近偶件配合間隙的雜質顆粒混入并隨著柴油在偶件中高速流動時，其銳利的棱角刮削偶件的配合面造成的。從上述分析得知，受力相同的情況下，熱壓氮化硅柱塞偶件配合間隙的增大程度比軸承鋼柱塞偶件配合間隙的增大程度小34%，這明顯減小了進入配合間隙的雜質顆粒的數量和尺寸，從而減小了偶件的磨損，延長了使用壽命。

圖1為陶瓷柱塞套在30MPa的徑向載荷下的應力分布圖。從圖1中可以看出，柱塞套的應力集中主要發生在柱塞套與柱塞頭部的配合端，即柱塞套直徑最大端，由于此處直徑較大，應力集中對柱塞套的影響不大。

2 氮化硅陶瓷柱塞套的加工工藝規程設計

陶瓷材料的熱壓燒結是在加溫燒結的同時進行加壓，燒結得到的陶瓷材料晶粒微小，致密化程度高，力學性能優異，因而選用熱壓燒結氮化硅陶瓷作為制造柱塞偶件的材料。

對比柱塞套的毛坯和成品結構示意圖，制定了柱塞套加工工序：毛坯燒結→粗、半精磨內孔→磨大小端面→加工潤滑油槽→加工進回油孔→加工潤滑油孔→精磨內孔→粗、半精磨外圓→加工錐面及倒角→精磨外圓→與柱塞配對研磨，詳細的工序內容為：

圖1 柱塞套的應力分布圖Fig.1 Plunger sleeve stress

（1）工序1：陶瓷柱塞套毛坯制備。該工序通過熱壓燒結工藝制備氮化硅陶瓷柱塞套毛坯。

（2）工序2：擴孔。該工序利用軸向大切深緩進給磨削加工方法加工陶瓷柱塞套內孔，將柱塞套內孔擴至φ13.65mm。

（3）工序3：磨柱塞套大端面；工序4：磨柱塞套小端面。完成工序3和工序4后，應保證柱塞套總長度符合公差要求，且直徑最大部分長度滿足27.3＋0.1。

（4）工序5：加工潤滑油槽（兩個）。該工序選用與油槽寬度尺寸相同厚度的片狀砂輪，一次加工成型。完成一個潤滑油槽加工后，調整工具與工件相對位置至正確方位后，選擇同樣的方法加工另外一個潤滑油槽。

（5）工序6：加工進回油孔。該工序利用專用夾具，通過超聲振動加工來實現。

（6）工序7：加工潤滑油孔（3個）。加工方法同工序6。

（7）工序8：精磨內孔。該工序完成柱塞套內孔的精磨加工，內孔尺寸至φ13.85＋0.02。

（8）工序9：磨外圓。該工序用芯軸定位，選用薄盤狀樹脂結合劑金剛石砂輪，一次裝夾利用軸向大切深緩進給磨削的方法加工三個外圓面，保證各部分的長度尺寸要求。

（9）工序10：加工15°外錐面；加工7°內錐面；倒角。這三個工序均使用薄盤狀樹脂結合劑金剛石砂輪，利用軸向大切深緩進給磨削加工錐面的方式進行加工。

（10）工序11：精磨外圓。該工序完成柱塞套外圓的精磨加工，各部分尺寸至設計要求。

（11）工序12：研磨內孔。該工序選擇合適的柱塞套與柱塞配對研磨，至精度要求。

由于柱塞套毛坯的孔徑僅為13mm，用普通的內圓磨削加工非常困難，而且效率低下，采用軸向大切深緩進給磨削加工技術以軸向進給的方式加工內孔，有效地解決了這一難題，并且提高了加工效率。同樣，選用一種盤狀金剛石砂輪以軸向大切深緩進給磨削的方式進行加工，柱塞套外表面的臺階柱面、錐面和倒角的加工很容易實現。關于進出油孔和潤滑油孔的加工，對金屬而言很容易加工，然而，在陶瓷材料上加工孔十分困難，尤其是直徑僅為φ1.5mm的小潤滑油孔，加工起來異常困難。針對這一難題，本工作提出了解決方法，并且取得了很好的效果。

3 氮化硅陶瓷柱塞套的孔加工

陶瓷材料表面的孔加工，尤其是小孔加工非常困難，常采用的方法有激光加工、超聲振動加工以及其他一些特種加工方法，激光加工小孔時，加工出的孔常常會帶有錐度，而且加工質量也不高。為避免錐度出現，保證加工質量，選擇超聲振動加工方法加工進回油孔和潤滑油孔。

超聲振動加工被認為是僅次于磨削加工的最常用的陶瓷加工方法[9］，它是靠磨料瞬時撞擊工件來去除材料，加工精度和表面質量都比較高，并且表面損傷和殘余應力都較小。一般超聲振動加工的加工原理如圖2所示，工具以很大的加速度撞擊進入工具端面與工件之間的磨削液，將加速度傳遞給磨削液中的磨粒，磨粒由此產生動能高速撞擊工件，使工件表面產生微裂紋，進而形成碎屑去除。

3.1 超聲設備與加工工具的選擇

利用圖2所示的超聲振動加工方法能夠實現對陶瓷孔的加工，但磨料進入工作間隙或從工作間隙中排出都相對比較難，加工效率比較低。為此，選用一種帶有真空裝置的超聲設備來替換圖2中的普通超聲設備，在工具中心加工出一個小孔，如圖3所示，小孔使超聲設備的真空腔與工具和工件之間的工作腔貫通，磨料在磨料液壓力的作用下進入工作腔參與振動磨削后，在真空腔的低壓力作用下，順著工具中心的小孔進入真空腔，然后又回流至磨料液收集箱，由此形成磨料液的流通回路。磨料液從工作腔經由工具中心小孔進入真空腔的同時，也將加工過程產生的磨屑排出，磨料更新的同時也排出了磨屑，有利于加工效率的提高。加工尺寸比較小的孔時，無法在工具中間加工出磨料排出孔，可以關閉設備的真空系統，運用普通超聲振動加工小孔即可。

加工時選用的超聲設備功率為100W，振動頻率為19.2kHz；加工工具的形狀可根據待加工型腔的形狀來選擇，材料可選擇一些廢舊的鋼件或鑄鐵件，確定好工具形狀后用電火花線切割機加工出相應的工具。柱塞套油孔加工所需要的工具如圖4所示，工具1和2為加工鍵槽孔的加工工具，首先用工具1通過專用夾具上的導向孔加工出鍵槽孔，然后將輔助工具4放入鍵槽孔中，使用工具2穿過工具4中的導向孔加工出進出油孔；工具3為潤滑油孔的加工工具。

圖4 柱塞套油孔加工工具Fig.4 Machining tools of holes in sleeve

3.2 專用夾具的設計

熱壓燒結氮化硅陶瓷材料硬度很高，切入十分困難，為提高加工精度和加工效率，需要附加一個導向裝置來引導超聲工具的進給運動，而待加工孔之間有形位公差的要求，一次裝夾又很難實現對所有孔的加工。因此，如何保證進回油孔和潤滑油孔的形位公差和加工精度是柱塞套加工的難點之一。為此，設計了如圖5所示帶有導向孔的專用夾具和三角塊，夾具上導向孔作為超聲加工時超聲頭的導向，三角塊用來改變工件或夾具的方向；加工專用夾具時，通過柱塞套表面油孔的位置和柱塞套的壁厚，計算出夾具表面油孔的對應位置。

圖5 專用夾具和導向塊 （a）帶有導向孔的專用夾具；（b）導向塊Fig.5 The special jig and leading block（a）special jig with leading holes；（b）leading block

3.3 進回油孔的加工

加工選用的設備為臥式超聲加工機床，其主軸處于水平位置，方向不能改變。進回油孔的軸線與工件表面垂直，因而裝夾時不用三角塊改變方向，直接將工件放入專用夾具，然后固定在工作臺上，保證待加工孔軸線與超聲機床主軸平行即可，工件軸向固定通過夾具內的臺階實現，周向固定通過柱塞套最細端與夾具孔之間的空隙填充來實現，加工方式如圖6所示。加工鍵槽孔時，以專用夾具表面上的鍵槽孔作為導向孔，選用圖4中工具1作為加工工具；鍵槽孔加工至規定尺寸后，將圖4中輔助工具4放入已加工的鍵槽孔中，以輔助工具4中的孔作為導向孔來加工圓形油孔；加工完成后，將專用夾具翻轉180°，即可加工另外一側的油孔。

3.4 潤滑油孔的加工

由于柱塞套表面三個潤滑油孔均為斜孔，其中兩個油孔相對柱塞套軸線對稱，并與其成60°夾角，另一個油孔與兩個對稱油孔在圓周方向成90°夾角，與柱塞套軸線成45°夾角。由于三個潤滑油孔相對柱塞軸線均為斜孔，而超聲加工機床的主軸處于水平位置，且不能旋轉角度，為方便加工，通過帶有一定角度的三角塊來改變專用夾具的放置方向，即改變潤滑油孔的軸線方向，進而對潤滑油孔進行加工，其加工示意圖如圖7所示。通過專用夾具和三角塊的相互配合，可以成功加工出符合精度要求的斜孔。

圖6 進回油孔超聲加工示意圖Fig.6 The ultrasonic vibration processing of inlet and outlet oil holes

圖7 潤滑油孔超聲加工示意圖Fig.7 The ultrasonic vibration processing of lubrication oil holes

完成柱塞套加工之后，選擇合適的柱塞與柱塞套進行精密配對研磨后，即柱塞偶件的精密加工。圖8是加工出的陶瓷柱塞套以及油孔的局部放大圖，從圖中可以看出，加工出的油孔質量非常好。將油孔處局部放大并與金屬柱塞套表面的油孔比較，如圖9所示，可以看出，超聲振動加工出的氮化硅陶瓷柱塞套表面的油孔表面質量非常好，陶瓷加工中常出現的崩邊現象幾乎不存在，與金屬柱塞套表面油孔相比，兩者表面和入口邊角相差不大。

圖8 氮化硅陶瓷柱塞套與局部放大圖（a）陶瓷柱塞套；（b）潤滑油孔；（c）鍵槽孔Fig.8 Silicon nitride ceramic plunger sleeve and enlarged map（a）ceramics sleeve；（b）lubricating hole；（c）keyway hole

圖9 金屬和陶瓷柱塞套件表面孔質量比較（a）金屬柱塞套；（b）陶瓷柱塞套Fig.9 Holes quality comparison of metal and ceramic plunger sleeve （a）metal sleeve；（b）ceramics sleeve

4 結論

（1）選用超聲振動加工方法對氮化硅陶瓷柱塞套表面的進回油孔和潤滑油孔進行加工，取得了很好的效果。

（2）設計了專用夾具和輔助用三角塊，在氮化硅陶瓷柱塞套表面成功加工出直孔和斜孔。

（3）與金屬柱塞套表面的油孔相比，加工出的油孔表面質量非常好，而且陶瓷材料加工常出現的崩邊現象幾乎也不存在。

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