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(cè)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(zhǎng)徑比針閥偶件適配加工為應(yīng)用對(duì)象，主要介紹了針閥多級(jí)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(cè)與動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償加工等工藝方法，實(shí)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(yàn)驗(yàn)證，無回油大長(zhǎng)徑比針閥耦合導(dǎo)向軸頸、無回油三棱導(dǎo)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(yùn)動(dòng)副的高頻高速使用要求。

關(guān)鍵詞：共軌噴油器;大長(zhǎng)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(jī)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(duì)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(yàn)技能和機(jī)床功能進(jìn)行保證，極易造成零件尺寸超差和異常磨損，影響整機(jī)使用可靠性。本文針對(duì)高壓共軌噴油器無回油大長(zhǎng)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(jī)床所用的工藝裝置，實(shí)現(xiàn)無回油針閥偶件精密加工，通過反復(fù)多輪次試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了針閥偶件高頻高速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較大改善。

1 ?無回油大長(zhǎng)徑比針閥偶件技術(shù)特點(diǎn)

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(jī)械直列泵噴油器結(jié)構(gòu)更為復(fù)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(gè)精度等級(jí)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(jì)，由針閥、針閥體、針閥套、針閥彈簧座等組成，對(duì)于微米級(jí)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(shí)間往往比工件本身的加工時(shí)間還要長(zhǎng)。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(shí)需要更換主動(dòng)頭架的卡盤夾具，卡盤跳動(dòng)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(duì)應(yīng)的工裝夾具和加工參數(shù)用于精度保證，頻繁的調(diào)整對(duì)設(shè)備本身的精度會(huì)帶來一定的影響，并且每次調(diào)整的機(jī)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(jí)耦合結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度達(dá)到88mm，尾端耦合軸頸Φ2.8mm，中頸Φ4.5mm，長(zhǎng)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(dǎo)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(duì)于高精度的機(jī)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(jī)時(shí)間，從而導(dǎo)致在實(shí)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(shí)際加工對(duì)個(gè)加工工序進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整下一個(gè)工序的補(bǔ)償參數(shù)。表1是傳統(tǒng)加工磨床對(duì)同一個(gè)噴油器體磨削加工時(shí)在不同溫度下所得到的尺寸檢測(cè)，隨著溫度的變化，控制的尺寸在趨于離散，當(dāng)溫度穩(wěn)定下來后，磨削尺寸相對(duì)穩(wěn)定了，這說明環(huán)境溫度對(duì)針閥偶件加工精度影響很大。

以上特點(diǎn)導(dǎo)致了針閥體導(dǎo)向孔加工質(zhì)量控制成為技術(shù)難點(diǎn)，反復(fù)檢測(cè)進(jìn)行質(zhì)量控制，消耗了大量制造資源。近年來，針對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求、偶件應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致精度穩(wěn)定性差、運(yùn)動(dòng)副表面性能指標(biāo)整體偏低等突出工藝缺陷，導(dǎo)致了偶件實(shí)物在試驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)徑比針閥偶件適配加工系統(tǒng)

無回油大長(zhǎng)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(jìn)行綜合控制，最后采用軸/孔同位檢測(cè)與動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償加工方法，形成針閥偶件適配加工系統(tǒng)，用于實(shí)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(diǎn)針對(duì)？準(zhǔn)2.8、？準(zhǔn)4.5、？準(zhǔn)5.5等三級(jí)軸頸進(jìn)行分步加工，實(shí)現(xiàn)多軸頸一次裝夾加工完成，保證針閥同軸度？準(zhǔn)0.001mm、跳動(dòng)<0.03mm的高精度要求。加工采用設(shè)備及技術(shù)實(shí)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(duì)針閥密封錐面進(jìn)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(duì)大小外圓的跳動(dòng)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(shí)現(xiàn)針閥體中孔精密磨削，在加工主軸賦予高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料低應(yīng)力去除，可實(shí)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(duì)中孔的跳動(dòng)度0.004mm的精密技術(shù)指標(biāo)。中孔座面加工流程如圖5所示。

2.4 無回油大長(zhǎng)徑比針閥偶件適配加工

針閥軸頸相對(duì)于針閥體內(nèi)孔加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以針閥偶件加工采用基孔制進(jìn)行工藝實(shí)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(shí)現(xiàn)針閥偶件自動(dòng)配磨加工示意圖及實(shí)物，其系統(tǒng)構(gòu)成主要由數(shù)控加工機(jī)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(cè)與動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償加工

利用在線精度檢測(cè)系統(tǒng)，將針閥加工精度尺寸導(dǎo)入系統(tǒng)，在進(jìn)行針閥體精加工時(shí)，通過數(shù)據(jù)信息傳輸對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和程序修正，實(shí)時(shí)進(jìn)行針閥偶件加工精度監(jiān)控，實(shí)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(zhǎng)徑比針閥偶件微間隙精密適配加工試驗(yàn)

無回油大長(zhǎng)徑比針閥偶件微間隙耦合適配加工主要是對(duì)軸孔耦合微間隙進(jìn)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(cè)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償加工策略實(shí)現(xiàn)耦合微間隙精確控制。在中孔座面磨削機(jī)床主軸附加以超聲振動(dòng)，使主軸與工件內(nèi)孔加工運(yùn)動(dòng)和超聲高頻振動(dòng)共同作用下，實(shí)現(xiàn)微量磨削加工表面，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)精密加工;通過將三種加工機(jī)床功能和實(shí)時(shí)在線檢測(cè)進(jìn)行集成形成針閥偶件配磨系統(tǒng)。本技術(shù)突破了微細(xì)弱剛度異形針閥磨削極限，加工長(zhǎng)徑比達(dá)到31倍，加工直徑覆蓋？準(zhǔn)2.8～？準(zhǔn)5.5范圍實(shí)現(xiàn)一次加工。具有高精度復(fù)合磨削、微間隙自適應(yīng)修正、刀具位置微量補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)?？紫导庸ぞ瓤蛇_(dá)到IT2級(jí)，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(jì)技術(shù)要求，有效滿足了高壓共軌噴油器噴油偶件耦合運(yùn)動(dòng)副的高頻高速使用要求。形成的針閥偶件實(shí)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(jìn)行的功能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)與拆檢驗(yàn)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(dá)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(jì)技術(shù)要求。

4 ?結(jié)論

本文無回油大長(zhǎng)徑比針閥偶件微間隙精密適配加工質(zhì)量對(duì)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(dá)到不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?nèi)孔精度和質(zhì)量的要求。針對(duì)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(duì)針閥偶件軸孔耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，開發(fā)了軸/孔同位磨削檢測(cè)與動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，并搭建針閥偶件精密磨配加工平臺(tái)，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(cè)量實(shí)現(xiàn)了100%過程及質(zhì)量控制，磨削過程實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組與配對(duì)，偶件加工尺寸與公差實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)控制，利用計(jì)算機(jī)輔助加工，初步實(shí)現(xiàn)了基于智能控制的自適應(yīng)加工。

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