宮玉林，李 勇，孔全存 ，，劉桂禮

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；2.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

機(jī)械鉆削加工S型針閥體噴孔后，噴孔入口處會殘留毛刺[1]，這不僅會降低針閥體的流量系數(shù)，還會引起各噴孔噴霧形狀發(fā)生畸變及各油束中燃油分布不均勻，從而降低燃油的霧化質(zhì)量，影響柴油機(jī)的性能[2]。此外，噴油嘴在長期使用中，針閥體噴孔處的毛刺若脫落，會隨著燃油進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部而造成危險(xiǎn)。

目前主要采用手工或機(jī)械方式（銼刀、刮刀、油石、砂布、鋼絲刷輪、滾磨、振動、噴沙、撞擊）及非機(jī)械方式（化學(xué)、熱能、水射流、磨粒擠壓、電化學(xué)、磁力等）去除毛刺[3]。在油泵油嘴行業(yè)，主要采用機(jī)械去毛刺[4]、擠壓研磨[5]和電解去毛刺[6]等方法去除針閥體噴孔入口處的毛刺。機(jī)械去毛刺由于去毛刺球形鉆頭與壓力室不能完全貼合，去除效果不佳；擠壓研磨去毛刺采用磨料流對壓力室、噴孔毛刺和表面進(jìn)行微量磨削，去毛刺后磨粒不易清洗；電解去毛刺在去毛刺過程中工件表面無殘余應(yīng)力，不損壞工件，具有工作效率高、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]，但一般電解去毛刺的作用域不易控制，可能會影響加工后針閥體壓力室的尺寸和形狀精度。

針對S型針閥體噴孔入口處殘留毛刺的問題，本文提出了一種采用錐形電極作為工具陰極的S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺工藝，基于脈沖電解加工中金屬/溶液界面的雙電層充放電理論，對脈寬參數(shù)進(jìn)行了理論分析，并針對18CrNi8針閥體基材的電解液配方進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，提高了針閥體噴孔脈沖電解去毛刺的穩(wěn)定性、可控性及表面質(zhì)量，完全去除了針閥體噴孔入口處的毛刺。

1 S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺理論分析及方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用S型針閥體的噴孔采用鉆、擴(kuò)、鉸方式加工，材料為18CrNi8。針閥體壓力室直徑為1 mm，4個噴孔直徑為0.32 mm，壓力室壁厚為0.65 mm。經(jīng)測量，毛刺的徑向長度＜20 μm，軸向厚度在50～100 μm。針閥體壓力室結(jié)構(gòu)及毛刺形態(tài)見圖1。

圖1 針閥體壓力室結(jié)構(gòu)及毛刺形態(tài)示意圖

1.1 電解去毛刺原理及加工影響因素

電解去毛刺基于電解加工機(jī)理[8]，在一定的外加電壓下，電解池中陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，針閥體噴孔毛刺處等凸出部位電荷較集中，通過的電流密度遠(yuǎn)大于其他凹陷部位，因此毛刺被迅速溶解。

根據(jù)歐姆定律和法拉第電解定律推導(dǎo)可知，穩(wěn)態(tài)電解加工時的陽極蝕除速度為：

式中：Δ為加工間隙；η為電流效率；ω為陽極材料的體積電化學(xué)當(dāng)量；i為電流密度；k為電解液電導(dǎo)率；UR為極間歐姆壓降?？梢?，陽極的蝕除速度與加工間隙、電源電壓及電解液電導(dǎo)率有關(guān)系。

1.2 電極形狀及位置設(shè)計(jì)

加工間隙是電解去毛刺的核心要素。在以往針閥體噴孔電解去毛刺加工中，工具電極采用圓柱形電極，電極形狀與針閥體壓力室形狀不匹配，內(nèi)壁各處加工間隙不均勻，加工域難控制，易出現(xiàn)個別噴孔毛刺欠加工或壓力室過加工現(xiàn)象。傳統(tǒng)針閥體電解去毛刺流程見圖2。

圖2 傳統(tǒng)針閥體電解去毛刺流程圖

為保證壓力室各處的加工間隙趨于一致，設(shè)計(jì)并制備了端部為錐形的工具電極。該電極的錐面長度l=0.3 mm，略小于噴孔直徑以減小過加工量；外徑 D=0.6 mm，內(nèi)徑 d=0.2 mm，端部長 L=0.3 mm。 錐形電極實(shí)物見圖3。

縣人大常委會堅(jiān)持把“雙聯(lián)”工作作為提升代表工作水平的重要抓手，突出夯實(shí)基層基礎(chǔ)工作，使“雙聯(lián)”工作更接地氣更富活力。

圖3 錐形電極實(shí)物圖

此時，針閥體壓力室各處距電極約200 μm，加工定域性較強(qiáng)，可有效約束電解加工區(qū)域，提高針閥體噴孔電解去毛刺的可控性。電極位置見圖4。

圖4 電極位置示意圖

1.3 脈沖電解去毛刺中金屬/溶液界面的雙電層充放電理論分析

采用脈沖電源進(jìn)行針閥體噴孔電解去毛刺可加強(qiáng)電解液的非線性性能，并改善電場和流場，提高加工的穩(wěn)定性[9]。S型針閥體噴孔處軸向厚度較大的毛刺相對于其他毛刺距陰極較近，為了既能去除毛刺又不出現(xiàn)過加工，應(yīng)對此范圍內(nèi)的毛刺集中蝕除。根據(jù)脈沖電解加工中金屬/溶液界面的雙電層充放電理論[10,11]，電解反應(yīng)發(fā)生在金屬/溶液的“雙電層”面上，在外加電場的作用下，電解液有一定的阻抗特性，可利用等效RC電路分析兩極間加工間隙的電場特性。等效RC電路模型見圖5。

圖5 等效RC電路模型

把最大毛刺（軸向厚度100 μm）處的電解液電阻記為Rmin，最小毛刺（軸向厚度 50 μm）處的電解液電阻記為Rmax，在RC電路中，電容充、放電過程由時間常數(shù)τ決定（τ=RC）。若將Rmin和Rmax對應(yīng)的電容充、放電時間常數(shù)分別記為τmin和τmax，則為了達(dá)到加工要求，脈沖寬度Ton應(yīng)滿足τmin≤Ton≤τmax。此時，脈沖電流主要從電阻較小的加工區(qū)域流過，對該處的雙電層電容充電，過電位超過平衡點(diǎn)位后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程（即陽極金屬的電解蝕除）；非加工區(qū)域時間常數(shù)τmax較大，電容未完成充電，故進(jìn)入脈沖間歇階段后又開始放電。

典型加工條件下，0.5 mol/L的NaNO3溶液的電阻率 ρ=27 Ω·cm，微分電容一般在 10～40 μF/cm2之間[12]，可從理論上確定脈寬參數(shù)，計(jì)算如下：

理論上，脈寬應(yīng)在22～133 μs范圍內(nèi)，由于不同濃度電解液的電阻率不同，在試驗(yàn)中需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2 S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺試驗(yàn)

本試驗(yàn)分基礎(chǔ)平片試驗(yàn)和工件試驗(yàn)兩部分。通過分析噴孔處的毛刺形態(tài)，根據(jù)加工要求，在基礎(chǔ)平片試驗(yàn)中使用電解方法在18CrNi8的平片上加工“淺坑”，模擬實(shí)際針閥體噴孔脈沖電解去毛刺過程。選用NaNO3溶液作為本體電解液，針對18CrNi8這一特定針閥體基材，初步確定加工參數(shù)，并優(yōu)化電解液濃度及組分，提高去除效率和表面質(zhì)量。

工件試驗(yàn)中，根據(jù)基礎(chǔ)平片試驗(yàn)結(jié)果，使用選定電解液在實(shí)際工件上進(jìn)行脈沖電解去毛刺試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化加工參數(shù)，觀察毛刺實(shí)際去除效果。

2.1 基礎(chǔ)平片試驗(yàn)

S型針閥體噴孔毛刺軸向厚度在50～100 μm，最大毛刺距電極約100 μm?；诖?，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)平片試驗(yàn)加工方案（圖6）。試驗(yàn)中，電極選用黃銅管，外徑為1 mm，內(nèi)徑為0.4 mm，加工間隙為100 μm，在18CrNi8平片上使用電解方法加工出目標(biāo)深度在50～100 μm 的“淺坑”。

圖6 基礎(chǔ)平片試驗(yàn)加工示意圖

表1 基礎(chǔ)平片試驗(yàn)加工條件

圖7 不同濃度下基礎(chǔ)平片試驗(yàn)結(jié)果

在濃度為0.5 mol/L時，剛有加工跡象，就對1、1.5、2 mol/L濃度下加工后的“淺坑”加工區(qū)域及加工深度進(jìn)行測量。隨著電解液濃度的增大，加工深度逐漸增大，不同電解液濃度下的電解加工深度見表2。

表2 不同濃度下的加工深度

不同濃度下的“淺坑”加工區(qū)域大小見圖8?？煽闯?，隨著電解液濃度的增加，電解加工區(qū)域逐漸增大。當(dāng)電解液濃度為1、1.5 mol/L時，加工區(qū)域在1.1～1.2 mm 間；當(dāng)電解液濃度為 2 mol/L 時，加工區(qū)域約1.3 mm，即此時過加工量較多，將近30%。

圖8 不同濃度下電解加工區(qū)域折線圖

可見，電解液濃度在1 mol/L和1.5 mol/L時，可在較小的過加工量下達(dá)到50～100 μm的加工深度。綜合考慮，試驗(yàn)本體電解液濃度確定為1 mol/L。

采用單一NaNO3溶液作為電解液時，電解加工后的“淺坑”存在黑色物質(zhì)堆積現(xiàn)象，不易去除，該物質(zhì)會改變加工表面局部電解液的濃度，從而影響加工效率和表面質(zhì)量。為去除該黑色物質(zhì)，嘗試在1 mol/L的NaNO3溶液中分別加入堿 （NaOH，pH=9）、酸（草酸，pH=3）并進(jìn)行加工試驗(yàn)，結(jié)果見圖 9。

圖9 不同電解液添加劑下的加工結(jié)果

結(jié)果表明，在1 mol/L的NaNO3溶液中添加草酸，調(diào)整pH值到3，可有效去除電解加工后工件表面的黑色殘留物。

在基礎(chǔ)平片試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際加工要求，模擬了實(shí)際針閥體噴孔脈沖電解去毛刺過程。針對18CrNi8針閥體基材，初步確定了合適的加工條件，選用不同濃度、不同組分的電解液在平片上進(jìn)行電解加工試驗(yàn)，確定了在1 mol/L的NaNO3溶液中添加草酸并調(diào)整其pH值到3的電解液配方，去除效率和表面質(zhì)量有較大提高。

2.2 工件試驗(yàn)

根據(jù)基礎(chǔ)平片試驗(yàn)結(jié)果，在與其相同的加工條件下，加工間隙穩(wěn)定在200 μm左右。采用添加草酸的1 mol/L的NaNO3溶液（pH=3）作為電解液，在S型針閥體上進(jìn)行噴孔脈沖電解去毛刺試驗(yàn)。使用電火花線切割將針閥體縱向剖開，以觀察毛刺形態(tài)及毛刺去除效果。試驗(yàn)結(jié)果見圖10?？煽闯?，噴孔處的毛刺去除干凈，壓力室內(nèi)壁光滑，無黑色物質(zhì)殘留。

圖10 工件電解去毛刺試驗(yàn)對比

在對針閥體進(jìn)行切割時不免對工件進(jìn)行了蝕除，因此剖件加工過程中的實(shí)際加工間隙要小于200 μm。在對完整針閥體噴孔進(jìn)行脈沖電解去毛刺時，適當(dāng)提高電壓到20 V，保持其他條件不變，在KL-IV型視頻檢查儀下對加工前后的針閥體壓力室進(jìn)行觀察對比。去毛刺效果見圖11。可看出，經(jīng)脈沖電解去毛刺后，S型針閥體噴孔入口處的毛刺完全被去除，針閥體壓力室擴(kuò)大且變形不明顯。

圖11 針閥體噴孔脈沖電解去毛刺加工前后對比

3 結(jié)論

針對S型針閥體噴孔入口處殘留毛刺的問題，提出了一種采用錐形工具電極的S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺工藝。針對基材為18CrNi8的針閥體噴孔脈沖電解去毛刺的電解液進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，并在工件上進(jìn)行了加工試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)并制備了錐形工具電極，相對于使用傳統(tǒng)圓柱形電極，可有效平衡各噴孔毛刺的加工間隙，約束電解加工區(qū)域，提高電解去毛刺的可控性。

（2）在1 mol/L的NaNO3水基溶液中加入草酸，并調(diào)整其pH值到3作為電解液，可有效消除工件表面堆積的黑色物質(zhì)，提高去除效率和表面質(zhì)量。

（3）采用錐形工具電極，并使加工間隙穩(wěn)定在200 μm左右，選用1 mol/L的NaNO3溶液（添加草酸，pH=3）作為電解液，加工電壓為20 V，脈寬和脈間均為50 μs。在該加工條件下，可完全去除S型針閥體各噴孔處的毛刺，壓力室無明顯擴(kuò)大和變形。

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