大流量針閥體導向軸孔超聲振動鉆削加工工藝

陳建軍，李全平，曹宇軒，馬丹，胡守琦

（山西柴油機工業有限責任公司，山西大同037036）

1 引言

隨著高速重載柴油機功率的大幅度提升，對高壓供油系統燃油噴射能力提出了更高的需求，大流量高壓共軌系統要求燃油壓力≥180MPa，循環供油量220mm3、噴油持續期≤1.25ms，而傳統機械式直列泵燃油壓力僅約為100MPa。針閥偶件作為共軌噴油器中最為核心的精密零件，對加工精度、靈活性、耐磨性及表面完整性提出了更高的要求，傳統的加工工藝以及控制策略，僅依靠操作者經驗技能和機床功能進行保證，極易造成零件尺寸超差和異常磨損，影響整機使用可靠性[1]。本文針對高壓共軌噴油器針閥體導向軸孔機械加工精度提升問題進行了研究，開發了基于超聲振動鉆削加工控制策略，通過反復多輪次試驗驗證，使針閥偶件高頻高速運動靈活性和穩定性得到較大改善。

2 針閥體導向軸孔表面完整性對針閥偶件使用性能的影響

2.1 針閥體導向軸孔表面粗糙度對偶件靈活性的影響

針閥體導向軸孔采用分級臺階梯度結構，工藝方法主要采用鉆削、鉸削等多工序機械加工方法，根據導向軸孔尺寸梯度結構，刀具方面通常采用成形復合刀加工，針閥體油腔附近極易產生微觀飛邊、毛刺、機械劃痕及行刀軌跡，以及由于材料去除引起的加工微變形，偶件耦合工作運動時產生的軸/孔往復滑動，針閥體導向孔表面凸凹不平。只有峰谷接觸，微觀全表面接觸需要經過長時間磨合才能消除。為此，針閥體導向軸孔表面粗糙度對針閥偶件工作運動的靈活性影響起到了至關重要作用。

2.2 切削加工冷作硬化對偶件使用性能的影響

針閥體材料12CrNi3，針閥引導孔徑公差僅為0.002～0.006mm，圓柱度φ0.001 5mm，在鉆削加工過程中，受材料與鉆頭擠壓和摩擦作用，鉆削溫度極高，材料加工表面受切削高溫作用，殘余應力趨于松弛，使合金元素加速氧化和晶界層軟化，冷作硬化將使加工孔沿冷作硬化層晶界萌生表面微觀裂紋，持續切削高溫下，微觀裂紋進一步發展，超過材料疲勞強度后將形成疲勞裂紋，嚴重影響偶件耐磨損性能，最終將產生偶件耦合研傷、卡死[2]。

2.3 殘余應力對偶件使用性能的影響

殘余應力是金屬材料的固有屬性，其產生原因也具有多面性，包括材料成形、熱處理過程、機械加工等，均有殘余應力參與材料變形作用，鉆削加工雖然是一種去除加工方式，但微觀狀態下，切削刃部仍會對材料本身形成塑性擠壓與撕裂，而切削力、切削熱、切削液等均對材料晶格排列、組織體積等產生影響，鉆削加工撕裂過程將產生拉應力、擠壓過程產生壓應力，切削溫度傳到至工件本身使溫度升高，待工件全部冷卻后，表層冷卻收縮，表面產生殘余拉應力。研究表明，加工表面的殘余應力可通過減小切削變形量和降低切削溫度進行控制。為此，零件的使用性能與殘余應力的有效控制具有直接關系，形成殘余壓應力提高表面耐磨性是針閥偶件精密加工的目標。

通過以上切削基礎技術分析，通過工藝方法改善針閥體導向軸孔質量，對提高偶件使用性能、延長使用壽命十分重要。控制針閥體導向軸孔的加工方法，可以在實際加工過程中根據不同的鉆削方法合理選擇刀具的幾何參數及材質，切削參數和冷卻液，在制孔后，增加擠壓研磨、滾壓加工等工藝方法進行補充加工，改善零件加工表面完整性。此外，應用一些新的切削加工技術，如振動切削、低溫切削、激光切削等，也能達到提高加工表面質量、改善加工表面完整性的目的。其中，振動切削在加工過程中，具有實現快速斷屑、快速帶走切削溫度的優勢，具有較好的應用效果。

3 針閥體導向軸孔超聲鉆削加工機理分析與設計

高速重載柴油機高壓共軌供油系統噴油器針閥體材料采用12CrNi3鋼材料，屬于高強度合金滲碳鋼（GB/T 3077—1999《合金結構鋼》），具有較高的抗腐蝕、抗沖擊、高耐熱特點，受針閥體導向孔封閉或半封閉孔系結構限制（見圖1），加工產生的大量金屬切屑難以迅速排出，且切削熱不易傳遞出去，其加工難度高、排屑難是本工藝的技術重點。本工藝方法利用振動鉆削原理設計了振動鉆削裝置，解決了深孔加工的工藝問題，通過在鉆柄處加裝高頻軸向微動裝置，使鉆頭切削過程沿軸向微動進行切削深度控制，有效控制鉆削加工切屑形態，使切屑順利排出，實現針閥體導向軸孔精度和表面完整性綜合控制。

圖1 針閥體導向孔示意圖

3.1 針閥體導向軸孔振動鉆削機理分析

針閥體導向軸孔振動鉆削實現的基本原理是，通過在鉆柄端設置的軸向振動裝置，使鉆頭沿一定方向、頻率和振幅形成可控振動，在鉆頭作用于被加工材料過程中產生規律的間歇性接觸和斷開，形成傳統的接觸鉆削為高頻啄鉆形式。

圖2 振動切削類型形式

根據針閥體導向軸孔結構形式，實現該孔系加工的振動鉆削類型，大致可分為軸向往復振動鉆削、徑向旋轉振動鉆削、復合隨動振動鉆削等3種類型如圖2所示。其中軸向振動與鉆頭的軸線方向一致，扭轉振動方向與鉆頭的旋轉方向一致，復合振動是軸向振動與扭轉振動的復合疊加。根據振動鉆削機理，軸向振動更容易實現，為此，采用軸向往復振動鉆削實現針閥體導向軸孔加工工藝方案實現實物制造。由于振動鉆削屬于高頻間歇性切削，鉆頭與工件長時處于接觸/非接觸高頻狀態，使切削液能夠充分與被加工面進行接觸，從而快速帶走切削溫度，降低實際加工中的切削力與摩擦系數。因此，振動鉆削具有的切削熱少且散熱快的技術優勢，同時由于振動鉆削切削力較少，也在一定程度上避免了切削積瘤的產生，使針閥體導向軸孔加工表面粗糙度和工件變形得到有效控制。

3.2 超聲振動鉆削裝置設計

針閥體導向軸孔超聲振動鉆削裝置設計采用了偏心凸輪四桿機構形式，主要由偏心凸輪、曲柄滑塊和外置高頻超聲振源所等構成，以下是振動鉆削裝置偏心振動機構的基本原理，如圖3所示。圖中，Az為偏心凸輪軌跡轉動方向；φ為軸心偏移角度，φ=0°時處于靜止狀態；φ=φ0為運動狀體任意角度。

圖3 振動鉆削裝置偏心振動機構

超聲振動鉆削裝置偏心振動機構發生器設計簡圖如圖4所示。將內凸輪與轉軸進行過盈配合進行緊固連接，具有振幅調節作用，內/外凸輪采用間隙進行配合，利用螺母進行內/外凸輪相對運動調節，實現行星隨動，即螺母松開后，外凸輪與內凸輪可各自轉動。轉軸在工作過程中通過外置超聲振動源驅動裝置實現高頻軸向往復微移動，實現鉆削加工。

圖4 振動鉆削裝置偏心振動機構發生器簡圖

4 針閥體導向軸孔超聲振動鉆削加工試驗

通過開展針閥體導向軸孔超聲振動鉆削基礎試驗，對加工后的孔系進行檢測，獲取基礎切削力/熱、表面粗糙度及形貌、殘余應力分布、顯微硬度及微裂紋刀具磨損狀態等試驗數據，分析切削高溫、應力應變等條件下材料屈服流動行為，揭示了針閥體導向軸孔超聲振動鉆削加工過程中，刀具或工件在有效振幅下與切削參數調整具有一定的變化規律，可根據材料性能與孔系精度要求進行優化調整，從而使針閥體導向軸孔加工質量提升。

圖5a為孔系超聲振動鉆削形成的沿層深方向的殘余應力分布，超聲高頻振動鉆削對孔系形成了材料去除和微擠壓作用，孔系表面加工后產生了接近于噴丸強化的殘余壓應力場，如果工藝參數設置不合理，孔系加工表面仍以撕裂去除為主體，拉應力場占主導地位。通過圖5b可以看出，超聲振動鉆削加工針閥體導向軸孔時，工件表層顯微硬度大幅升高，其主要原因是在切削力與摩擦力綜合作用力下，加工表層材料產生塑性擠壓硬化狀態，導致針閥體導向軸孔表面產生了微擠壓變形強化。

圖5 針閥體導向孔加工表面殘余應力分布及顯微組織

根據超聲振動加工系統建立的加工試驗平臺如圖6所示。該加工中心具有定位準確，夾具穩定的優點，超聲振動發生器將高頻超聲號轉化為機械振動信號，并由阻抗分析儀對數據結果進行分析。加工前，首先進行諧振頻率測試，以調節振動頻率和振幅，使之趨于穩定狀體，然后進行超聲振動鉆削，通過實測鉆削力，對加工參數進行優化調整。

圖6 加工中心振動鉆削加工試驗平臺

表1是針閥體導向孔超聲振動鉆削性能測試結果，通過分析可知，隨著機床主軸轉速和刀具進給速度的增加，鉆削力呈增加趨勢，這是由于轉速提高后增加了鉆頭的軸向力，若鉆削深度跟不上，對鉆削效率產生了影響。相比進給速度的影響，鉆削深度對鉆削力的影響不十分明顯。使用高速鉆削進行參數優化進行振動鉆削加工試驗，鉆頭軸向受力為0.8N，在一定程度上提高了鉆頭使用壽命。由試驗數據可知，理論計算鉆削力與實測鉆削力基本保持一致的變化規律，表明測試結果較為準確。

表1 超聲振動鉆削性能測試結果

綜上分析，針閥體導向孔超聲振動切削加工試驗，采用較高轉速和較小進給速度作為加工參數，選取轉速35 000r/min、進給速度15mm/min和單次鉆削深度30μm作為試驗的最優工作參數。

通過超聲振動鉆削試驗加工實現了針閥體導向面圓度0.000 5mm、密封錐面跳動0.002mm、耦合表面粗糙度Ra≤0.4μm的技術指標。

5 針閥體導向軸孔超聲振動鉆削加工研究結論

5.1 超聲振動鉆削可有效降低切削力/熱

針閥體導向軸孔通過超聲振動鉆削加工，由于合金鉆與被加工部位相對運動處于可控周期性變化，刀具作用于材料的摩擦系數較小，孔系在刀具往復接觸/離開作用下，加工過程推擠壓狀態得到改善，切削力下降孔系被切削部位得到切削液充分冷卻，切削熱下降（切削力為原工藝的1/2～1/10，切屑的平均溫度僅約為40℃），由于切削力/熱的下降，使針閥體導向軸孔加工精度和表面質量得到改善。

5.2 超聲振動鉆削表面粗糙度小、加工精度高

超聲振動鉆削過程中由于刀刃與工件始終處于瞬態接觸，實現了切屑快速剝落和排出，使針閥體導向孔加工切削力更小、切削溫度低，從而獲得了更優的加工表面粗糙度和幾何精度。

5.3 超聲振動鉆削刀具使用壽命長

由于切削力小、切削溫度低、冷卻充分，切屑的折斷和排出都比較容易，刀具不受長時間切削熱影響，顯著提高了刀具使用壽命，在合理設置切削參數和振動參數下，刀具壽命可提高10倍以上。

5.4 加工表面的耐磨性提高

超聲振動鉆削過程具有微擠壓強化作用，使加工孔系表面形成微觀網狀花紋，針閥與針閥體耦合工作過程中含油性更好，起到充分潤滑作用，即提高了滑動摩擦的耐磨性，也提高了工作靈活性。