基于飛秒激光的噴油嘴噴孔加工技術(shù)研究

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(jī)動車排放法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，我國已經(jīng)向全世界承諾到2030年碳排放達(dá)峰值，其中發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?qū)⒃?025年達(dá)到碳排放峰值。對發(fā)動機(jī)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，孔徑縮小（部分噴孔直徑甚至接近0.1 mm）、孔數(shù)增多是噴孔未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

目前滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的油嘴噴孔基本技術(shù)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(nèi)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(yīng)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(guān)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(jìn)給，形狀最終復(fù)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(jié)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(shù)，特別是微小空間的激光對壁保護(hù)技術(shù)攻關(guān)，以拓展激光加工的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域范圍。

2 飛秒激光技術(shù)

飛秒（10-15秒，fs）激光技術(shù)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(nèi)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(dǎo)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(zhuǎn)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(lǐng)域已成為研究熱點，并且逐步形成了商業(yè)應(yīng)用[2]。飛秒激光進(jìn)行微小孔加工時，由于在加工方向一定范圍內(nèi)仍有足夠的激光能量可造成材料去除，因此，對腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行微孔加工時，會發(fā)生激光加工表層材料后繼續(xù)進(jìn)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(hù)是噴油嘴噴孔加工技術(shù)的核心，也是影響噴油嘴噴孔加工質(zhì)量的關(guān)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(hù)技術(shù)研究非常關(guān)鍵，這將影響后續(xù)飛秒激光是否能夠經(jīng)濟(jì)批量在噴油嘴噴孔制造中應(yīng)用。

3 飛秒激光噴油嘴噴孔加工

噴油器噴油嘴結(jié)構(gòu)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(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室。這里定義噴孔內(nèi)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(jī)燃燒性能開發(fā)的要求確定，根據(jù)發(fā)動機(jī)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(shè)備

激光加工系統(tǒng)由激光器、機(jī)械工作臺系統(tǒng)、光學(xué)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(jìn)行優(yōu)化才能達(dá)到理想的噴孔加工質(zhì)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(jìn)給量、孔徑角、光束偏移量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)試，圖4給出在平板上進(jìn)行100個微孔加工的直徑測量結(jié)果，激光參數(shù)設(shè)置如表1。從測量結(jié)果可見，實際微孔加工直徑的離散度在5 μm范圍內(nèi)，通過激光加工工藝參數(shù)的調(diào)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(jī)性能匹配的要求。

圖4 平板飛秒激光小孔加工結(jié)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(jìn)行超聲波清洗，去除零件表面及內(nèi)部的雜質(zhì)。

通過調(diào)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(diào)整好的加工位置如圖5所示。

圖5 加工前位置示意

通過調(diào)整，選用了優(yōu)化的激光參數(shù)。在5個針閥體上進(jìn)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(jié)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(nèi)外孔徑采用Mycrona復(fù)合式三坐標(biāo)測量機(jī)，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(jié)果如圖9所示。其中，油嘴的流量系數(shù)定義如下。

圖7 Mycrona復(fù)合式三坐標(biāo)測量機(jī)

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(jī)性能開發(fā)的要求。

圖9 噴油嘴流量測量結(jié)果

從實際測量結(jié)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(jié)構(gòu)、孔徑、孔型的異型微孔。

4 噴油嘴噴孔對壁保護(hù)工藝

飛秒加工當(dāng)噴孔打穿后，由于其在加工方向一定范圍內(nèi)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(dǎo)致零部件質(zhì)量受損，嚴(yán)重時會導(dǎo)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(shù)在該場景下應(yīng)用推廣最主要的攻關(guān)技術(shù)之一。

飛秒激光對壁保護(hù)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(dǎo)率低、受熱不易分解等特點。理論上通過軟件對激光能量進(jìn)行控制成本最低、效果最好，但該技術(shù)需要對噴孔深度進(jìn)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(shù)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(hù)加工工藝方法。

圖10給出了未進(jìn)行對壁保護(hù)的噴孔加工結(jié)果，從圖可見當(dāng)噴孔打穿后，飛秒激光的能量對壁面造成了嚴(yán)重?fù)p傷。

圖10 未對壁保護(hù)飛秒激光噴孔加工

為進(jìn)行工件的對壁保護(hù)，選擇的保護(hù)材料應(yīng)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(jié)果，從圖可見，石英砂填充后，表面質(zhì)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(yán)重?fù)p傷。

圖11 石英砂填充噴孔加工

為進(jìn)一步探究對壁保護(hù)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(jié)果，從圖可見，石英砂和CBN混合填充后對壁保護(hù)未徹底解決，而且內(nèi)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(hù)后的加工圖，圖14為剖切后的剖面圖，從實際加工結(jié)果可見，采用氧化鋯陶瓷棒填充的噴孔加工質(zhì)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(guān)工藝試驗研究結(jié)果可見，采用特定材料填充可改善噴孔的對壁保護(hù)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(shù)上取得了成功，但從加工工藝性和成本方面還需要進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)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(jìn)行了研究，特別是飛秒激光對壁保護(hù)工藝技術(shù)的研究，研究結(jié)果從性能上可滿足噴油嘴工程應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)一步對該工藝加工的噴油嘴進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能和可靠性驗證，并對加工的效率提升進(jìn)行研究，以滿足批量生產(chǎn)性價比競爭力的要求。