CN103600146B - 高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺 - Google Patents

Abstract

一种高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面的精密电磨削工艺，属于微细特种加工技术领域。根据球座面尺寸，设计制作出匹配的导向端为半圆形或弧形的线电极导向片；安装定位球座面工件和线电极导向片，保证导向片对称轴与球座面工件旋转对称轴同轴精度；微细电火花线磨削加工到达设定加工深度；微细电解线磨削去除加工余量和表面抛光，达到球座面加工技术要求。该工艺采用同一工具线电极进行微细电火花磨削和微细电解磨削的在线集成，实现球座面的最终形状和表面精度，达到微小球座面加工技术要求。此工艺不仅适用于高压共轨柴油发动机系统中喷油器控制阀上球座面的加工，而且还适用于其它导电材料上高精度的轴对称内凹曲面加工。

Description

高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺

技术领域

本发明属于微细特种加工技术领域，特别涉及一种高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，面向应用于金属合金等导电材料的内凹微小球冠面精密加工。

背景技术

高压共轨柴油发动机系统可实现高喷射压力(120MPa～200MPa)、准确高速控制喷油正时和喷油量，使其成为强劲动力、经济环保的高性能内燃机系统。它是复杂的机电液控集成系统，代表了当今的综合性尖端技术。高精度零部件也体现了目前机械制造行业的最高加工水平。

电控喷油器在高压、高温和高频响应状态下工作，是共轨式柴油发动机系统中执行燃油喷射的关键部件，主要由电磁控制阀、控制活塞和喷油嘴偶件组成。电磁控制阀掌控油路的开启和关闭，调整供油量和共轨管内油压，要求反应快速、可靠密封和高耐磨性。为达到高压共轨柴油发动机系统性能的进一步提高，对控制阀材料、结构、制造精度提出了更高的设计要求。

控制阀执行偶件主要有平面阀、锥面阀和球面阀三种形式。球面阀可实现无密封间隙，被期待达到更好的密封性。但由于球座面设计为内凹微小球冠面(半径<1mm)、高形状精度(面形公差达±0.01mm)、高表面精度(<R_a0.08μm)，这对精密加工工艺及装备提出了巨大挑战。

采用机械磨削工艺加工微小球座面，主轴转速需达到每分钟十万转量级。由于机械切削力、微小砂轮磨损，以及磨削加工热产生烧伤等问题，导致球座面加工精度较难精确控制。因此，机械磨削方法已难以达到微小球座面的高精度加工技术要求。

基于非接触式电加工原理，微细电火花加工和微细电解加工不受工件材料强度、硬度和韧性的影响，采用微小成型电极一维进给复制成型加工方式，或采用简单截面微细电极三维扫描加工方式，可在高硬度导电材料上加工出三维微小型腔。但由于电火花加工过程中较严重的电极损耗问题，现有的微细电火花加工工艺还无法达到微小球座面的形状尺寸精度要求；而且因为电火花放电产生的微凹坑和热影响层，也无法达到微小球座面的表面加工精度要求。

微细电解加工的阳极工件材料以离子形式去除，具有实现无热影响层、无残余应力的纳米镜面加工潜力；但若受到杂散电场影响(电解液内电场到达阳极工件，材料即会被蚀除)，将无法成型高尺寸精度的三维微小型腔；采用低浓度电解液、低加工电压、超短脉冲的定域性控制方法，可有效减少或避免杂散电场影响，但造成三维型腔的微细电解加工效率极低，使其无法忍受甚至不能完成加工过程。这使现有微细电解加工工艺也难于满足微小球座面的加工技术要求。

发明内容

为实现高压共轨柴油发动机系统中喷油器控制阀上球座面(内凹微小球冠面的精密加工，结合微细电火花加工和微细电解加工技术优势，本发明提出一种高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面的精密电磨削工艺。

此加工工艺主要包括两个步骤：

步骤一，球座面工件球座面(内凹微小球冠面)的线电极微细电火花磨削加工过程，实现球座面的精密成形加工，并留有微薄加工余量。

步骤二，球座面工件球座面的线电极微细电解磨削加工过程，去除微薄加工余量并进行表面抛光，实现球座面的最终形状和表面精度，达到球座面加工技术要求。

具体的工艺流程为：

(1)根据球座面的形状尺寸和加工技术要求，安装定位与其匹配的导向端为弧形曲面的线电极导向片，并使线电极导向片的对称轴与球座面工件的旋转对称轴同轴定位；

(2)在线电极导向片与球座面工件上接通微细电火花加工用脉冲电源，采用水基或油基工作液作为电介质；通过球座面工件的旋转运动、线电极在线电极导向片上的缓慢进给运动、线电极导向片与球座面工件沿对称轴相对进给运动，进行线电极与球座面工件之间的微细电火花线磨削过程；

(3)直到线电极与球座面工件之间的相对进给深度到达设定深度，关闭微细电火花加工脉冲电源；通过线电极进给运动，使线电极导向片上的线电极为一段未使用过的无损耗电极；

(4)将线电极导向片与球座面工件上的电源切换为微细电解加工高频窄脉冲电源，调整可以控制加工定域性的相关条件，通过球座面工件旋转运动、线电极导向片与球座面工件沿对称轴的微量进给，进行线电极与球座面工件之间的微细电解线磨削过程；

(5)持续步骤(4)的工艺，直到完全去除预留的加工余量，并同时完成表面的抛光，实现球座面工件的最终形状和表面精度。

所述线电极导向片的导向端形状与球座面工件待加工的内凹曲面相匹配。

所述球座面工件待加工的内凹曲面为内凹微小球冠面时，线电极导向片的导向端形状为弧形曲面，安装定位保证线电极导向片对称轴与球座面工件的球座面旋转对称轴同轴精度。

所述步骤(2)的微细电火花线磨削加工的深度精度和步骤(4)的微细电解线磨削的深度精度综合保证高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面的磨削深度精度。

所述步骤(4)中的可以控制加工定域性的相关条件包括电解液浓度、加工电压和脉冲宽度。

所述线电极导向片的导向端半圆形的半径R2满足如下条件：R2＝R1-D1-Δ+h2，其中，R1为球座面工件的微小球冠面半径，D1为线电极的丝径，Δ为微细电解线磨削加工间隙，h2为线电极沉入线电极导向片的深度。

本发明的有益效果是：

1.采用无机械加工力的特种微细电磨削方法，从加工原理上适合导电材料球座面微小内凹结构加工，可以避免机械磨削切削力造成的加工误差和表面烧伤，有利于提高加工精度和效率。

2.采用同一走丝线电极进行微细电火花磨削和微细电解磨削的在线集成过程，不仅可兼顾高加工效率、高形状尺寸和表面精度，而且可以在同一台微细电加工装备(机床)上，只需一次的工件装夹定位，避免工件和工具电极的二次装夹误差，可以提高加工精度和节省工序。

3.通过球座面工件旋转运动、线电极在线电极导向片上进给运动、线电极导向片与球座面工件相对进给运动的电磨削过程，可以补偿微细电火花线磨削过程中的线电极损耗，也有利于微细电解线磨削过程中的电解液更新，易于排出加工产物和提高有效放电率，而且工具线电极成本较低。

4.通过本发明工艺加工出的球座面(内凹微小球冠面)精度高，且无表面损伤和残余应力，可以改善球面阀偶件的密封效果，提高其在高压、高温和高频响状态下的疲劳寿命。

5.该工艺方法不仅适用于高压共轨柴油发动机系统中喷油器控制阀上球座面(内凹微小球冠面)的加工，而且还适用于其它导电材料上高精度的轴对称内凹曲面加工。

附图说明

图1为本发明所述工艺的流程示意图；

图2为实施例中待加工的球座面工件的技术要求示意图；

图3(a)是线电极导向片结构的正向示意图；

图3(b)为图3(a)的A-A剖面图；

图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为实施例中，微小球座面工件的微细电火花线磨削过程；

图5(a)、图5(b)和图5(c)分别为实施例中，微小球座面工件的微细电解线磨削过程；

图中标号：

1-球座面工件；2-线电极；3-线电极导向片；4-旋转夹头；5-导向轮；6-微细电火花加工脉冲电源；7-水基或油基工作液；8-微细电解加工高频窄脉冲电源；9-低浓度电解液。

具体实施方式

本发明属于微细特种加工技术领域，特别涉及一种高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，下面结合附图和实施实例，描述本发明的工艺流程、工艺步骤和工艺条件。

如图1所示，高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面(内凹微小球冠面)精密微细电磨削工艺流程，主要包括以下步骤：根据球座面(内凹微小球冠面)尺寸，设计制作出匹配的导向端为弧形的线电极导向片；安装定位球座面工件和线电极导向片，保证导向片对称轴与球座面工件旋转对称轴同轴精度；微细电火花线磨削加工到达设定加工深度(留有设定的微薄加工余量)；微细电解线磨削去除加工余量和表面抛光，达到球座面加工技术要求。

以图2给出的球座面加工技术要求为示例，详细说明本发明具体实施过程如下：

(1)根据图2中球座面工件1(内凹微小球冠面)的加工技术要求尺寸范围，具体为：微小球冠面半径R1＝0.7mm，深度h1＝0.6mm，选择线电极2的丝径D1＝0.1mm、微细电解线磨削加工间隙Δ＝0.005mm、线电极沉入导向片深度h2＝0.010mm，设计线电极导向片3的导向端半圆形的半径R2为(图3(a)所示)R2＝R1-D1-Δ+h2＝0.605mm；如图3(b)所示，考虑避免线电极导向片3对内凹微曲面加工中的干涉情况，线电极导向片3的厚度根据内凹微球面半径设置，本实例中线电极导向片3的厚度设计为0.4mm；利用现有成熟加工技术手段(比如，电火花线切割、激光切割等)，先制作出线电极导向片3。

(2)如图4(a)所示，将球座面工件1和线电极导向片3安装定位，使球座面工件1的对称轴在旋转夹头4的旋转中心轴线上，并且使线电极导向片3的对称轴与球座面工件1的旋转轴同轴。

(3)如图4(b)所示，在线电极导向片3与球座面工件1上接通微细电火花加工脉冲电源6，采用水基或油基工作液7作为电介质；通过球座面工件1沿对称轴旋转运动、线电极2在线电极导向片3上缓慢进给运动、线电极导向片3沿对称轴与球座面工件1相对进给运动，进行线电极2与球座面工件1之间的微细电火花线磨削过程。

(4)如图4(c)所示，直到球座面工件1的加工深度到达设定深度h_D＝0.5mm(留有深度余量h_Δ＝0.1mm)，去除球座面工件1的内凹微小球冠的绝大部分型腔材料。

(5)如图5(a)所示，关闭微细电火花加工脉冲电源6，利用旋转夹头4将球座面工件1抬起，通过线电极2的进给运动，使线电极导向片3上的线电极2为一段未使用过的无损耗电极。

(6)如图5(b)所示，将线电极导向片3与球座面工件1上切换为微细电解加工用高频窄脉冲电源8，采用现有成熟的加工定域控制技术，即采用低浓度电解液9(0.1～0.5mol/L)、低加工电压(5～10V)、超短脉冲(脉冲宽度<1μm)等可有效控制加工定域性的工艺参数，通过球座面工件1沿对称轴旋转运动、线电极导向片3沿对称轴与球座面工件1相对进给运动到达加工区域，进行线电极2与球座面工件1之间的微细电解线磨削过程。

(7)如图5(c)所示，通过控制线电极2与球座面工件1之间的微量加工进给和加工时间，完全去除预留的微薄加工深度余量h_Δ＝0.1mm，即加工深度到达预期深度h1＝0.6mm，同时完成球座面的表面抛光，实现球座面的最终形状和表面精度。

Claims (6)

1.高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，具体采用如下工艺流程：

(1)根据球座面的形状尺寸和加工技术要求，安装定位与其匹配的导向端为弧形曲面的线电极导向片，并使线电极导向片的对称轴与球座面工件的旋转对称轴同轴定位；

(2)在线电极导向片与球座面工件上接通微细电火花加工用脉冲电源，采用水基或油基工作液作为电介质；通过球座面工件的旋转运动、线电极在线电极导向片上的缓慢进给运动、线电极导向片与球座面工件沿对称轴相对进给运动，进行线电极与球座面工件之间的微细电火花线磨削过程；

(3)直到线电极与球座面工件之间的相对进给深度到达设定深度，关闭微细电火花加工脉冲电源；通过线电极进给运动，使线电极导向片上的线电极为一段未使用过的无损耗电极；

(4)将线电极导向片与球座面工件上的电源切换为微细电解加工高频窄脉冲电源，调整可以控制加工定域性的相关条件，通过球座面工件旋转运动、线电极导向片与球座面工件沿对称轴的微量进给，进行线电极与球座面工件之间的微细电解线磨削过程；

(5)持续步骤(4)的工艺，直到完全去除预留的加工余量，并同时完成表面的抛光，实现球座面工件的最终形状和表面精度。

2.根据权利要求1所述的高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，所述线电极导向片的导向端形状与球座面工件待加工的内凹曲面相匹配。

3.根据权利要求2所述的高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，所述球座面工件待加工的内凹曲面为内凹微小球冠面时，线电极导向片的导向端形状为弧形曲面，安装定位保证线电极导向片对称轴与球座面工件的球座面旋转对称轴同轴精度。

4.根据权利要求1所述的高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，所述步骤(2)的微细电火花线磨削加工的深度精度和步骤(4)的微细电解线磨削的深度精度综合保证高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面的磨削深度精度。

5.根据权利要求1所述的高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，所述步骤(4)中的可以控制加工定域性的相关条件包括电解液浓度、加工电压和脉冲宽度。

6.根据权利要求1所述的高压共轨柴油发动机喷油器微小球座面精密电磨削工艺，其特征在于，所述线电极导向片的导向端半圆形的半径R2满足如下条件：R2＝R1-D1-Δ+h2，其中，R1为球座面工件的微小球冠面半径，D1为线电极的丝径，Δ为微细电解线磨削加工间隙，h2为线电极沉入线电极导向片的深度。