高壓共軌噴油系統零部件制造過程清潔度控制方法綜述

馬 丹，殷彬棟，胡守琦，曹 艷，楊瓊瑤

（山西柴油機工業有限責任公司，山西大同 037036）

0 引言

高壓共軌燃油噴射系統是實現瞬態響應燃油供給，燃油充分燃燒做功的先進供油功能部件。與傳統機械式供油系統相比，噴油器燃油噴射壓力可達到180 MPa 以上，在精密電磁閥控制下，噴油器針閥偶件開啟關閉時間≤0.2 ms。由于燃油系統工作壓力大幅度提高，其核心運動件幾何精度和形狀尺寸要求更為嚴格，尤其是燃油噴射微孔、偶件耦合間隙等關鍵尺寸達到精密級指標要求，系統的清潔度成了制約共軌系統零部件工作參數一致性和穩定性的突出問題。近年來高壓燃油噴射系統常見機械故障統計顯示,噴油器偶件卡滯/卡死、高壓密封泄漏等故障中，約有近80%的故障模式與系統清潔度有關，由顆粒物污染造成的噴油器故障占售后成本的65%以上。為此，高壓共軌系統零部件制造過程中嚴格控制零部件制造工藝，有效去除機械加工過程中形成的尖角、毛刺、微觀劃痕及污染物，控制零部件清潔度，是共軌系統零部件制造中十分重要的環節。

1 高壓共軌噴油系統清潔度要求及測定方法

中華人民共和國機械行業標準JB/T 7661—2004《柴油機油泵油嘴產品清潔度限值及測定方法》規定：清潔度是表示產品內腔的清潔程度，以所含雜質重量表示。標準中以每臺產品所含雜質重量及所含顆粒的最大尺寸表示清潔度限值。標準規定：輸油泵清潔度限值為雜質重量27 mg，雜質顆粒度≤0.8 mm；提前器清潔度限值雜質重量35 mg，雜質顆粒度≤0.8 mm；噴油器總成用于柴油機缸徑100～150 mm 的，雜質重量高壓腔部分≤2 mg，低壓腔部分≤4 mg，雜質顆粒度≤0.6 mm。由此看來，清潔度指標控制是燃油系統制造過程控制的重要內容。

同時，根據全國燃料噴射系統標準技術委員會（SAC/TC 396）規定，對高壓共軌柴油機噴油系統清潔度測定也進行了明確要求：

（1）取樣部位：取樣部位（所有內腔）采用不解體法。

（2）過濾元件：濾膜孔徑必須要求10 μm，濾膜材料需滿足JB/T 12850 或ISO 16232 的相關規定。

（3）測試方法：將濾膜烘干稱重，其重量為G1；被測零件非檢測表面應清洗干凈；測試設備進行自清洗。將工件安裝至測試設備上，保證密封無滲漏，通入清洗液后清洗，清洗抽濾后，用鑷子將濾膜移至相應的稱量皿中，烘干稱重，起重量為G2。

（4）雜質總重量W 計算式：W=G1-G2。

（5）顆粒尺寸及分布測量：帶雜質的濾膜稱重后，利用顆粒度分析儀進行雜質顆粒分析，獲得最大顆粒以及顆粒的分布。

2 燃油噴射系統精密零件機械毛刺形成機理

機械零件加工過程中，由于各種金屬切削會在相貫或相交的表面產生不同的毛刺，按工藝類型可分為3 種：

（1）螺紋加工毛刺。以噴油器壓緊螺紋襯套在機械加工中由切削刀具和切削進給形成的加工毛刺為例（圖1），圖1a 為螺紋牙頂毛刺形貌，圖1b 為螺紋牙底毛刺形貌。通過分析，螺紋牙頂毛刺主要是由切削刃對螺紋推擠形成的擠壓毛刺，螺紋牙底毛刺是切削刃走刀形成的切削劃痕。

圖1 噴油器壓緊螺紋襯套毛刺形貌

（2）孔系加工毛刺。由于噴油器同時具有進油、回油、噴油功能，在零件中設計了多組交叉孔系，孔系相交貫通形成了機械翻邊毛刺（圖2），這種毛刺大多處于高壓油道內，是最危險的潛在故障隱患，其特點是毛刺顆粒大，呈不規則游離狀（圖3）。

圖2 相交孔系毛刺

（3）棱邊加工毛刺。零件金屬切削邊緣毛刺（圖4）和切削刀痕（圖5）毛刺通常在加工外表面形成，主要由加工工藝方向決定毛刺的大小和刀痕規律，可通過調整工藝方法和選用合理刀具滿足產品設計要求。

圖4 切削邊緣毛刺

3 燃油噴射系統精密零件毛刺去除工藝

3.1 電解去毛刺

電解去毛刺是利用電能或化學能采用陽極溶解去除毛刺的一種方法。將直流電源正極與工件連接形成陽極，將直流電源負極與毛刺去除工具連接形成陰極，兩極之間保持一定微間隙（0.3～1 mm），通過循環電解液流動實現化學反應進行腐蝕加工，使突出于工件的毛刺逐步脫落和分解，達到去除毛刺的目的。比較常用的電解液以硝酸鈉、氯酸鈉基水溶液為主。目前高壓共軌系統噴油器體、噴油泵等零件型腔毛刺去除普遍采用此法（圖6）。電解法去毛刺屬于低溫去毛刺工藝，可以有效控制零件熱應力變形和金相組織，加工后的表面粗糙度通?？梢赃_到Ra≤0.1 μm 的表面質量。加工效率極高，通常僅需要幾秒或幾十秒即可完成加工。但由于電解液具有一定的腐蝕性，零件毛刺周邊受電解腐蝕影響，會對加工表面尺寸的完整性產生一定影響，尤其是廢液排放問題仍是該工藝的主要缺點。

3.2 擠壓研磨去毛刺

擠壓研磨加工，又稱磨料流加工，屬于表面拋光加工技術的一種工藝方法，是利用攜帶粘彈性磨料基體介質（半流體研磨介質），在一定壓力作用下，通過反復摩擦表面實現毛刺的去除。由于其加工方法具有微量去除的加工效果，所以此工藝通常用于微細內孔結構、微小復雜腔道結構精整加工，尤其適用于小型孔系毛刺去除和交叉孔處圓角修形（圖7）。

圖6 型腔電解處理后形貌

由于噴油器燃油噴射孔孔徑微小，通常采用電火花工藝實現孔徑加工，Φ0.12 mm 燃油噴微孔加工后，由于電燒蝕導致孔徑不規則，且表面質量較差，利用白光干涉儀對燃油噴射微孔進行觀察可見孔內存在不規則流離毛刺（圖8）。通過采用碳化硅磨料流進行修整，有效去除高溫電蝕殘留在孔口及孔壁上的金屬氧化物，提高了燃油在噴孔內的流動性，使液體流量系數提高到0.8 以上，擠壓前后效果對比見圖9。

圖10 為噴油器針閥體導向孔在窺鏡下的多個燃油噴孔形貌，可以看出，通過擠壓研磨加工后，多個燃油噴射微孔出口處更加通暢，且出口處圓角經過整形修光后，減小了燃油流動阻尼，提高了燃油霧化效果。

圖7 噴油器體油道交叉孔系擠壓研磨表面

3.3 機械去毛刺

在燃油系統零部件制造過程中，機械去毛刺方法也較為普遍，主要是根據零部件結構定制專用設備、夾具、工具等對毛刺進行去除。該工藝更適合加工棱邊、螺紋、外形等加工位置，毛刺去除工具主要有銼刀、砂條、砂帶、鋼絲、銅絲、尼龍等。結構形式根據不同毛刺部位，有放射狀、螺旋狀、尖銳狀等。以螺紋毛刺去除為例，目前較合理的去毛刺工具為螺旋狀鋼絲刷，由于鋼絲刷具有導向性好、柔性程度高、使用壽命長、成本較低等優勢，螺紋部分通過毛刺去除，不僅可以有效去除嵌在螺紋根部的金屬顆粒物，而且可以提高表面粗糙度一個等級以上。圖11 為高壓共軌噴油器體機械去毛刺后的螺紋部分形貌。

圖8 白光干涉儀觀察燃油噴射孔形貌

圖9 燃油噴射孔擠壓研磨對比

圖10 針閥體導向孔擠壓研磨前后

圖11 機械去毛刺后的螺紋部分形貌

3.4 超聲波去毛刺

由于高壓共軌噴油器精密偶件加工質量要求極高，對清潔度控制也極其嚴格。目前針對針閥偶件加工毛刺的去除，采用超聲波工藝較為普遍，其設備構成包括超聲波發生器、能量轉換器、磨料工具等。加熱溫度控制在40～50 ℃，設定頻率為40 kHz或80 kHz，能量轉換器將超聲頻率的電振蕩轉化為機械振動，振幅控制在4 μm 左右，帶動超硬磨料對偶件進行毛刺去除，最后利用表面清洗劑進一步清潔，完成整體清潔過程。

3.5 滾磨光整去毛刺

滾磨光整加工是將工件進行裝夾，在磨料內通過機械驅動工件運動實現毛刺去除的工藝方法。滾磨光整加工可有效提高工件耐腐蝕性，抗磨性和疲勞強度，減少零件的初期磨損。圖12為滾磨光整加工前后對比。

圖12 滾磨光整加工前后

4 結束語

高壓共軌供油系統噴油器零部件制造過程清潔度控制技術，不僅對燃油系統的工作效率有較大影響，更關系到柴油機工作的可靠性。因此，致力于清潔度控制方法基礎研究，揭示和掌握機械加工毛刺去除技術機理和加工工藝對清潔度的影響規律，突破清潔度控制核心技術，解決高壓共軌系統噴油持續期長、回油量大、噴油一致性差異大等系統問題，對滿足柴油機燃油系統發展具有重大意義。