無回油大長徑比針閥偶件微間隙精密適配加工工藝設(shè)計

陳建軍

摘要：針閥偶件燃油密封面、軸孔微間隙耦合等關(guān)鍵尺寸加工質(zhì)量，直接關(guān)系到高壓共軌噴油器工作穩(wěn)定性和一致性。由于針閥偶件尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、配副間隙技術(shù)要求極高，傳統(tǒng)加工及檢測方法不同程度存在一定的技術(shù)與能力不足的問題，本文以大流量高壓共軌噴油器用無回油大長徑比針閥偶件適配加工為應用對象，主要介紹了針閥多級耦合軸頸精密磨削、針閥密封錐面加工、針閥體中孔座面加工、軸/孔同位檢測與動態(tài)誤差補償加工等工藝方法，實現(xiàn)針閥偶件微間隙耦合精密加工，研究表明，通過工藝創(chuàng)新與試驗驗證，無回油大長徑比針閥耦合導向軸頸、無回油三棱導向軸頸、針閥密封錐面等綜合加工精度得到顯著提升，有效滿足了高壓共軌噴油器噴油偶件耦合運動副的高頻高速使用要求。

關(guān)鍵詞：共軌噴油器;大長徑比針閥偶件;適配加工

0 ?引言

新一代高壓共軌供油系統(tǒng)較傳統(tǒng)機械式燃油噴射系統(tǒng)燃油噴射壓力得到顯著提升，從100MPa提高到180MPa以上，且要求循環(huán)供油量220mm3、噴油持續(xù)期≤1.25ms。針閥偶件作為共軌噴油器中最為核心的精密零件，對加工精度、耐磨性及表面完整性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的加工工藝以及控制策略，僅依靠操作者經(jīng)驗技能和機床功能進行保證，極易造成零件尺寸超差和異常磨損，影響整機使用可靠性。本文針對高壓共軌噴油器無回油大長徑比針閥偶件微間隙耦合間隙開展適配加工技術(shù)研究，開發(fā)了適配于專用機床所用的工藝裝置，實現(xiàn)無回油針閥偶件精密加工，通過反復多輪次試驗驗證，實現(xiàn)了針閥偶件高頻高速運動穩(wěn)定性較大改善。

1 ?無回油大長徑比針閥偶件技術(shù)特點

高壓共軌供油系統(tǒng)噴油器采用電子控制，噴油器結(jié)構(gòu)相比機械直列泵噴油器結(jié)構(gòu)更為復雜，高壓共軌系統(tǒng)噴油器不但在結(jié)構(gòu)上、材料選用上不同于傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)，制造精度更是直接跨越近2個精度等級要求，噴油器針閥偶件采用軸端/尾端雙耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計，由針閥、針閥體、針閥套、針閥彈簧座等組成，對于微米級加工精度，加工過程每轉(zhuǎn)換一次工件，設(shè)備及夾具的調(diào)整時間往往比工件本身的加工時間還要長。首先要更換合適的砂輪，編寫程序，根據(jù)偶件樣式和材料選擇合適的加工參數(shù)，有時需要更換主動頭架的卡盤夾具，卡盤跳動要調(diào)整到1μm以內(nèi)，更換合適的尾架頂尖，調(diào)節(jié)尾架錐度，使偶件加工后圓度、圓柱度及粗糙度能優(yōu)于工藝要求。為此，針閥偶件加工主要是通過轉(zhuǎn)換對應的工裝夾具和加工參數(shù)用于精度保證，頻繁的調(diào)整對設(shè)備本身的精度會帶來一定的影響，并且每次調(diào)整的機床狀態(tài)也不盡相同，從而影響工件的加工質(zhì)量。高壓共軌噴油器針閥偶件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

針閥采用多級耦合結(jié)構(gòu)，長度達到88mm，尾端耦合軸頸Φ2.8mm，中頸Φ4.5mm，長徑比分別為31/19.5倍，軸頸圓度要求0.001mm，表面粗糙度Ra0.1μm;針閥體引導孔徑公差0.002mm～0.006mm，圓柱度0.0015，表面粗糙度Ra0.2μm。

針閥偶件加工過程由于加工精度要求極高，為保證加工精度的穩(wěn)定性，加工采用非連續(xù)性制造模式，對于高精度的機械加工來說，最大的問題是周圍環(huán)境溫度、濕度等的不穩(wěn)定因素，以及加工設(shè)備本身沒有得到足夠的熱機時間，從而導致在實際加工過程中加工尺寸等參數(shù)不穩(wěn)定，造成尺寸離散現(xiàn)象。這就要在實際加工對個加工工序進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整下一個工序的補償參數(shù)。表1是傳統(tǒng)加工磨床對同一個噴油器體磨削加工時在不同溫度下所得到的尺寸檢測，隨著溫度的變化，控制的尺寸在趨于離散，當溫度穩(wěn)定下來后，磨削尺寸相對穩(wěn)定了，這說明環(huán)境溫度對針閥偶件加工精度影響很大。

以上特點導致了針閥體導向孔加工質(zhì)量控制成為技術(shù)難點，反復檢測進行質(zhì)量控制，消耗了大量制造資源。近年來，針對大流量共軌噴油器針閥偶件加工傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)始終難以突破，針閥偶件精密尺寸精度難以達到設(shè)計要求、偶件應力應變導致精度穩(wěn)定性差、運動副表面性能指標整體偏低等突出工藝缺陷，導致了偶件實物在試驗驗證過程中多次出現(xiàn)了噴油器針閥偶件異常磨損、卡滯、滲漏和使用壽命短等諸多問題（針閥偶件故障多發(fā)部位見圖2）。

2 ?無回油大長徑比針閥偶件適配加工系統(tǒng)

無回油大長徑比針閥偶件適配加工系統(tǒng)根據(jù)針閥偶件制造要求，分別從針閥耦合軸頸加工、針閥密封錐面加工、針閥體中孔座面加工等進行綜合控制，最后采用軸/孔同位檢測與動態(tài)誤差補償加工方法，形成針閥偶件適配加工系統(tǒng)，用于實現(xiàn)針閥偶件軸孔微間隙精密磨配。

2.1 針閥耦合軸頸精密磨削加工

針閥多軸頸加工重點針對？準2.8、？準4.5、？準5.5等三級軸頸進行分步加工，實現(xiàn)多軸頸一次裝夾加工完成，保證針閥同軸度？準0.001mm、跳動<0.03mm的高精度要求。加工采用設(shè)備及技術(shù)實現(xiàn)方法見圖3。

2.2 針閥密封錐面加工

利用針閥角度磨床對針閥密封錐面進行精密磨削加工，磨削后的精度：95°和60°錐面的圓度0.0005mm，角度散差+/-8′，對大小外圓的跳動度0.001mm，粗糙度Ra0.1μm，95°和60°錐面量規(guī)處的尺寸散差+/-0.01mm，詳見圖4。

2.3 針閥體中孔座面加工

針閥體中孔座面采用多工位加工策略，實現(xiàn)針閥體中孔精密磨削，在加工主軸賦予高頻振動，實現(xiàn)材料低應力去除，可實現(xiàn)中孔圓度0.0005mm，圓柱度0.001mm，粗糙度Ra0.1μm，孔徑散差0.005mm;座面圓度0.0008mm，粗糙度Ra0.12，角度散差+/-8′，對中孔的跳動度0.004mm的精密技術(shù)指標。中孔座面加工流程如圖5所示。

2.4 無回油大長徑比針閥偶件適配加工

針閥軸頸相對于針閥體內(nèi)孔加工技術(shù)實現(xiàn)相對簡單，所以針閥偶件加工采用基孔制進行工藝實現(xiàn)，即先加工針閥體內(nèi)孔至尺寸，再根據(jù)內(nèi)孔尺寸配磨針閥軸頸外圓尺寸。圖6是實現(xiàn)針閥偶件自動配磨加工示意圖及實物，其系統(tǒng)構(gòu)成主要由數(shù)控加工機床、工件、回轉(zhuǎn)交換工作裝置和刀具等組成。

2.5 軸/孔同位檢測與動態(tài)誤差補償加工

利用在線精度檢測系統(tǒng)，將針閥加工精度尺寸導入系統(tǒng)，在進行針閥體精加工時，通過數(shù)據(jù)信息傳輸對加工工藝參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化和程序修正，實時進行針閥偶件加工精度監(jiān)控，實現(xiàn)針閥體中孔精密磨削配副質(zhì)量精確控制，保證針閥偶件軸/孔微間隙精密配合，見圖7。

3 ?無回油大長徑比針閥偶件微間隙精密適配加工試驗

無回油大長徑比針閥偶件微間隙耦合適配加工主要是對軸孔耦合微間隙進行精確控制，其技術(shù)是基于傳統(tǒng)中孔座面磨削、針閥精密成形磨削和針閥密封錐面精密磨削加工原理，利用軸/孔同位檢測與動態(tài)補償加工策略實現(xiàn)耦合微間隙精確控制。在中孔座面磨削機床主軸附加以超聲振動，使主軸與工件內(nèi)孔加工運動和超聲高頻振動共同作用下，實現(xiàn)微量磨削加工表面，實現(xiàn)低應力磨削加工，獲得光滑表面和精密內(nèi)孔精度;針閥軸頸利用無心精密磨床加工策略實現(xiàn)變徑軸頸精密加工;針閥密封錐面利用多角度磨床加工策略實現(xiàn)精密加工;通過將三種加工機床功能和實時在線檢測進行集成形成針閥偶件配磨系統(tǒng)。本技術(shù)突破了微細弱剛度異形針閥磨削極限，加工長徑比達到31倍，加工直徑覆蓋？準2.8～？準5.5范圍實現(xiàn)一次加工。具有高精度復合磨削、微間隙自適應修正、刀具位置微量補償?shù)忍攸c?？紫导庸ぞ瓤蛇_到IT2級，表面完整性得到了極大的提高，加工精度優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)要求，有效滿足了高壓共軌噴油器噴油偶件耦合運動副的高頻高速使用要求。形成的針閥偶件實物見圖8。

圖9是利用微間隙精密適配加工的針閥偶件形成的高壓共軌噴油器進行的功能試驗，通過試驗與拆檢驗證，噴油器工作狀態(tài)平穩(wěn)，燃油壓力平穩(wěn)保持在175MPa～180 MPa之間，循環(huán)供油量達到220mm3～240mm3、噴油持續(xù)期介于1ms～1.25ms之間。完全滿足產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)要求。

4 ?結(jié)論

本文無回油大長徑比針閥偶件微間隙精密適配加工質(zhì)量對系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性以及使用壽命有很大影響。目前，精密閥套類偶件主要釆用研磨、珩磨以及金剛石鉸削三種加工工藝，難以達到不同應用領(lǐng)域?qū)?nèi)孔精度和質(zhì)量的要求。針對上述這些問題，本文提出釆用微間隙精密適配加工技術(shù)對針閥偶件軸孔耦合結(jié)構(gòu)進行加工，開發(fā)了軸/孔同位磨削檢測與動態(tài)誤差補償系統(tǒng)，并搭建針閥偶件精密磨配加工平臺，主要得到以下結(jié)論：

①與傳統(tǒng)研磨加工相比，針閥偶件微間隙精密適配加工可以有效提高內(nèi)孔表面質(zhì)量和材料去除率，與傳統(tǒng)加工相比，加工表面質(zhì)量提高30%左右，加工效率可提高70%～80%。②通過完整的磨前、在線及磨后測量實現(xiàn)了100%過程及質(zhì)量控制，磨削過程實現(xiàn)了在線實時控制，確保了針閥偶件微間隙精度要求。③針閥偶件加工過程可實現(xiàn)自動分組與配對，偶件加工尺寸與公差實現(xiàn)趨勢控制，利用計算機輔助加工，初步實現(xiàn)了基于智能控制的自適應加工。

參考文獻：

[1]王浩，劉信格，倪慶濤，等.精密活門偶件副間隙及限流邊在線自動配磨技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2015（8）：100-101.

[2]張寶田，張麗敏，等.針閥偶件配磨系統(tǒng)方案[J].現(xiàn)代零部件，2013（12）：63-65.

[3]王陳向，孫麗華，馬玉平，等.超聲軸向振動鉆削機構(gòu)的設(shè)計與研究[J].制造技術(shù)與機床，2010（6）：46-49.

[4]王志剛，王學東，賴成，等.超聲波正弦振動微孔加工系統(tǒng)及孔壁特性[J].工具技術(shù)，2016（50）：58-60.

[5]謝志萍，劉國孝，劉國忠，等.超聲振動切削加工技術(shù)的研究進展[J].兵器材料科學與工程，2015（2）：133-136.