高壓共軌噴油系統(tǒng)零部件制造過程清潔度控制方法綜述

馬 丹，殷彬棟，胡守琦，曹 艷，楊瓊瑤

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同 037036）

0 引言

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)燃油供給，燃油充分燃燒做功的先進(jìn)供油功能部件。與傳統(tǒng)機(jī)械式供油系統(tǒng)相比，噴油器燃油噴射壓力可達(dá)到180 MPa 以上，在精密電磁閥控制下，噴油器針閥偶件開啟關(guān)閉時間≤0.2 ms。由于燃油系統(tǒng)工作壓力大幅度提高，其核心運(yùn)動件幾何精度和形狀尺寸要求更為嚴(yán)格，尤其是燃油噴射微孔、偶件耦合間隙等關(guān)鍵尺寸達(dá)到精密級指標(biāo)要求，系統(tǒng)的清潔度成了制約共軌系統(tǒng)零部件工作參數(shù)一致性和穩(wěn)定性的突出問題。近年來高壓燃油噴射系統(tǒng)常見機(jī)械故障統(tǒng)計顯示,噴油器偶件卡滯/卡死、高壓密封泄漏等故障中，約有近80%的故障模式與系統(tǒng)清潔度有關(guān)，由顆粒物污染造成的噴油器故障占售后成本的65%以上。為此，高壓共軌系統(tǒng)零部件制造過程中嚴(yán)格控制零部件制造工藝，有效去除機(jī)械加工過程中形成的尖角、毛刺、微觀劃痕及污染物，控制零部件清潔度，是共軌系統(tǒng)零部件制造中十分重要的環(huán)節(jié)。

1 高壓共軌噴油系統(tǒng)清潔度要求及測定方法

中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7661—2004《柴油機(jī)油泵油嘴產(chǎn)品清潔度限值及測定方法》規(guī)定：清潔度是表示產(chǎn)品內(nèi)腔的清潔程度，以所含雜質(zhì)重量表示。標(biāo)準(zhǔn)中以每臺產(chǎn)品所含雜質(zhì)重量及所含顆粒的最大尺寸表示清潔度限值。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：輸油泵清潔度限值為雜質(zhì)重量27 mg，雜質(zhì)顆粒度≤0.8 mm；提前器清潔度限值雜質(zhì)重量35 mg，雜質(zhì)顆粒度≤0.8 mm；噴油器總成用于柴油機(jī)缸徑100～150 mm 的，雜質(zhì)重量高壓腔部分≤2 mg，低壓腔部分≤4 mg，雜質(zhì)顆粒度≤0.6 mm。由此看來，清潔度指標(biāo)控制是燃油系統(tǒng)制造過程控制的重要內(nèi)容。

同時，根據(jù)全國燃料噴射系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會（SAC/TC 396）規(guī)定，對高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)清潔度測定也進(jìn)行了明確要求：

（1）取樣部位：取樣部位（所有內(nèi)腔）采用不解體法。

（2）過濾元件：濾膜孔徑必須要求10 μm，濾膜材料需滿足JB/T 12850 或ISO 16232 的相關(guān)規(guī)定。

（3）測試方法：將濾膜烘干稱重，其重量為G1；被測零件非檢測表面應(yīng)清洗干凈；測試設(shè)備進(jìn)行自清洗。將工件安裝至測試設(shè)備上，保證密封無滲漏，通入清洗液后清洗，清洗抽濾后，用鑷子將濾膜移至相應(yīng)的稱量皿中，烘干稱重，起重量為G2。

（4）雜質(zhì)總重量W 計算式：W=G1-G2。

（5）顆粒尺寸及分布測量：帶雜質(zhì)的濾膜稱重后，利用顆粒度分析儀進(jìn)行雜質(zhì)顆粒分析，獲得最大顆粒以及顆粒的分布。

2 燃油噴射系統(tǒng)精密零件機(jī)械毛刺形成機(jī)理

機(jī)械零件加工過程中，由于各種金屬切削會在相貫或相交的表面產(chǎn)生不同的毛刺，按工藝類型可分為3 種：

（1）螺紋加工毛刺。以噴油器壓緊螺紋襯套在機(jī)械加工中由切削刀具和切削進(jìn)給形成的加工毛刺為例（圖1），圖1a 為螺紋牙頂毛刺形貌，圖1b 為螺紋牙底毛刺形貌。通過分析，螺紋牙頂毛刺主要是由切削刃對螺紋推擠形成的擠壓毛刺，螺紋牙底毛刺是切削刃走刀形成的切削劃痕。

圖1 噴油器壓緊螺紋襯套毛刺形貌

（2）孔系加工毛刺。由于噴油器同時具有進(jìn)油、回油、噴油功能，在零件中設(shè)計了多組交叉孔系，孔系相交貫通形成了機(jī)械翻邊毛刺（圖2），這種毛刺大多處于高壓油道內(nèi)，是最危險的潛在故障隱患，其特點(diǎn)是毛刺顆粒大，呈不規(guī)則游離狀（圖3）。

圖2 相交孔系毛刺

（3）棱邊加工毛刺。零件金屬切削邊緣毛刺（圖4）和切削刀痕（圖5）毛刺通常在加工外表面形成，主要由加工工藝方向決定毛刺的大小和刀痕規(guī)律，可通過調(diào)整工藝方法和選用合理刀具滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

圖4 切削邊緣毛刺

3 燃油噴射系統(tǒng)精密零件毛刺去除工藝

3.1 電解去毛刺

電解去毛刺是利用電能或化學(xué)能采用陽極溶解去除毛刺的一種方法。將直流電源正極與工件連接形成陽極，將直流電源負(fù)極與毛刺去除工具連接形成陰極，兩極之間保持一定微間隙（0.3～1 mm），通過循環(huán)電解液流動實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行腐蝕加工，使突出于工件的毛刺逐步脫落和分解，達(dá)到去除毛刺的目的。比較常用的電解液以硝酸鈉、氯酸鈉基水溶液為主。目前高壓共軌系統(tǒng)噴油器體、噴油泵等零件型腔毛刺去除普遍采用此法（圖6）。電解法去毛刺屬于低溫去毛刺工藝，可以有效控制零件熱應(yīng)力變形和金相組織，加工后的表面粗糙度通常可以達(dá)到Ra≤0.1 μm 的表面質(zhì)量。加工效率極高，通常僅需要幾秒或幾十秒即可完成加工。但由于電解液具有一定的腐蝕性，零件毛刺周邊受電解腐蝕影響，會對加工表面尺寸的完整性產(chǎn)生一定影響，尤其是廢液排放問題仍是該工藝的主要缺點(diǎn)。

3.2 擠壓研磨去毛刺

擠壓研磨加工，又稱磨料流加工，屬于表面拋光加工技術(shù)的一種工藝方法，是利用攜帶粘彈性磨料基體介質(zhì)（半流體研磨介質(zhì)），在一定壓力作用下，通過反復(fù)摩擦表面實(shí)現(xiàn)毛刺的去除。由于其加工方法具有微量去除的加工效果，所以此工藝通常用于微細(xì)內(nèi)孔結(jié)構(gòu)、微小復(fù)雜腔道結(jié)構(gòu)精整加工，尤其適用于小型孔系毛刺去除和交叉孔處圓角修形（圖7）。

圖6 型腔電解處理后形貌

由于噴油器燃油噴射孔孔徑微小，通常采用電火花工藝實(shí)現(xiàn)孔徑加工，Φ0.12 mm 燃油噴微孔加工后，由于電燒蝕導(dǎo)致孔徑不規(guī)則，且表面質(zhì)量較差，利用白光干涉儀對燃油噴射微孔進(jìn)行觀察可見孔內(nèi)存在不規(guī)則流離毛刺（圖8）。通過采用碳化硅磨料流進(jìn)行修整，有效去除高溫電蝕殘留在孔口及孔壁上的金屬氧化物，提高了燃油在噴孔內(nèi)的流動性，使液體流量系數(shù)提高到0.8 以上，擠壓前后效果對比見圖9。

圖10 為噴油器針閥體導(dǎo)向孔在窺鏡下的多個燃油噴孔形貌，可以看出，通過擠壓研磨加工后，多個燃油噴射微孔出口處更加通暢，且出口處圓角經(jīng)過整形修光后，減小了燃油流動阻尼，提高了燃油霧化效果。

圖7 噴油器體油道交叉孔系擠壓研磨表面

3.3 機(jī)械去毛刺

在燃油系統(tǒng)零部件制造過程中，機(jī)械去毛刺方法也較為普遍，主要是根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)定制專用設(shè)備、夾具、工具等對毛刺進(jìn)行去除。該工藝更適合加工棱邊、螺紋、外形等加工位置，毛刺去除工具主要有銼刀、砂條、砂帶、鋼絲、銅絲、尼龍等。結(jié)構(gòu)形式根據(jù)不同毛刺部位，有放射狀、螺旋狀、尖銳狀等。以螺紋毛刺去除為例，目前較合理的去毛刺工具為螺旋狀鋼絲刷，由于鋼絲刷具有導(dǎo)向性好、柔性程度高、使用壽命長、成本較低等優(yōu)勢，螺紋部分通過毛刺去除，不僅可以有效去除嵌在螺紋根部的金屬顆粒物，而且可以提高表面粗糙度一個等級以上。圖11 為高壓共軌噴油器體機(jī)械去毛刺后的螺紋部分形貌。

圖8 白光干涉儀觀察燃油噴射孔形貌

圖9 燃油噴射孔擠壓研磨對比

圖10 針閥體導(dǎo)向孔擠壓研磨前后

圖11 機(jī)械去毛刺后的螺紋部分形貌

3.4 超聲波去毛刺

由于高壓共軌噴油器精密偶件加工質(zhì)量要求極高，對清潔度控制也極其嚴(yán)格。目前針對針閥偶件加工毛刺的去除，采用超聲波工藝較為普遍，其設(shè)備構(gòu)成包括超聲波發(fā)生器、能量轉(zhuǎn)換器、磨料工具等。加熱溫度控制在40～50 ℃，設(shè)定頻率為40 kHz或80 kHz，能量轉(zhuǎn)換器將超聲頻率的電振蕩轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動，振幅控制在4 μm 左右，帶動超硬磨料對偶件進(jìn)行毛刺去除，最后利用表面清洗劑進(jìn)一步清潔，完成整體清潔過程。

3.5 滾磨光整去毛刺

滾磨光整加工是將工件進(jìn)行裝夾，在磨料內(nèi)通過機(jī)械驅(qū)動工件運(yùn)動實(shí)現(xiàn)毛刺去除的工藝方法。滾磨光整加工可有效提高工件耐腐蝕性，抗磨性和疲勞強(qiáng)度，減少零件的初期磨損。圖12為滾磨光整加工前后對比。

圖12 滾磨光整加工前后

4 結(jié)束語

高壓共軌供油系統(tǒng)噴油器零部件制造過程清潔度控制技術(shù)，不僅對燃油系統(tǒng)的工作效率有較大影響，更關(guān)系到柴油機(jī)工作的可靠性。因此，致力于清潔度控制方法基礎(chǔ)研究，揭示和掌握機(jī)械加工毛刺去除技術(shù)機(jī)理和加工工藝對清潔度的影響規(guī)律，突破清潔度控制核心技術(shù)，解決高壓共軌系統(tǒng)噴油持續(xù)期長、回油量大、噴油一致性差異大等系統(tǒng)問題，對滿足柴油機(jī)燃油系統(tǒng)發(fā)展具有重大意義。