S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺試驗研究

宮玉林，李 勇，孔全存 ，，劉桂禮

（1.清華大學機械工程系，北京 100084；2.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

機械鉆削加工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，會隨著燃油進入發(fā)動機內(nèi)部而造成危險。

目前主要采用手工或機械方式（銼刀、刮刀、油石、砂布、鋼絲刷輪、滾磨、振動、噴沙、撞擊）及非機械方式（化學、熱能、水射流、磨粒擠壓、電化學、磁力等）去除毛刺[3]。在油泵油嘴行業(yè)，主要采用機械去毛刺[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力，不損壞工件，具有工作效率高、加工成本低等優(yōu)點[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)進行了理論分析，并針對18CrNi8針閥體基材的電解液配方進行了試驗優(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

試驗用S型針閥體的噴孔采用鉆、擴、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理[8]，在一定的外加電壓下，電解池中陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應，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當量；i為電流密度；k為電解液電導率；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率有關(guān)系。

1.2 電極形狀及位置設(shè)計

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。 錐形電極實物見圖3。

縣人大常委會堅持把“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，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

采用脈沖電源進行針閥體噴孔電解去毛刺可加強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對應的電容充、放電時間常數(shù)分別記為τmin和τmax，則為了達到加工要求，脈沖寬度Ton應滿足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，過電位超過平衡點位后進入穩(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)，計算如下：

理論上，脈寬應在22～133 μs范圍內(nèi)，由于不同濃度電解液的電阻率不同，在試驗中需根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。

2 S型針閥體噴孔脈沖電解去毛刺試驗

本試驗分基礎(chǔ)平片試驗和工件試驗兩部分。通過分析噴孔處的毛刺形態(tài)，根據(jù)加工要求，在基礎(chǔ)平片試驗中使用電解方法在18CrNi8的平片上加工“淺坑”，模擬實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。

工件試驗中，根據(jù)基礎(chǔ)平片試驗結(jié)果，使用選定電解液在實際工件上進行脈沖電解去毛刺試驗，進一步優(yōu)化加工參數(shù)，觀察毛刺實際去除效果。

2.1 基礎(chǔ)平片試驗

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?；诖耍O(shè)計了基礎(chǔ)平片試驗加工方案（圖6）。試驗中，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深度在50～100 μm 的“淺坑”。

圖6 基礎(chǔ)平片試驗加工示意圖

表1 基礎(chǔ)平片試驗加工條件

圖7 不同濃度下基礎(chǔ)平片試驗結(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?？煽闯觯S著電解液濃度的增加，電解加工區(qū)域逐漸增大。當電解液濃度為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到50～100 μm的加工深度。綜合考慮，試驗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）并進行加工試驗，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)平片試驗中，根據(jù)實際加工要求，模擬了實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行電解加工試驗，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

根據(jù)基礎(chǔ)平片試驗結(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型針閥體上進行噴孔脈沖電解去毛刺試驗。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。試驗結(jié)果見圖10。可看出，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對比

在對針閥體進行切割時不免對工件進行了蝕除，因此剖件加工過程中的實際加工間隙要小于200 μm。在對完整針閥體噴孔進行脈沖電解去毛刺時，適當提高電壓到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行觀察對比。去毛刺效果見圖11?？煽闯觯?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行了試驗優(yōu)化，并在工件上進行了加工試驗，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)計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，壓力室無明顯擴大和變形。

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