大流量針閥體導(dǎo)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(yè)有限責(zé)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(tǒng)燃油噴射能力提出了更高的需求，大流量高壓共軌系統(tǒng)要求燃油壓力≥180MPa，循環(huán)供油量220mm3、噴油持續(xù)期≤1.25ms，而傳統(tǒng)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(tǒng)的加工工藝以及控制策略，僅依靠操作者經(jīng)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(dǎo)向軸孔機械加工精度提升問題進行了研究，開發(fā)了基于超聲振動鉆削加工控制策略，通過反復(fù)多輪次試驗驗證，使針閥偶件高頻高速運動靈活性和穩(wěn)定性得到較大改善。

2 針閥體導(dǎo)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(dǎo)向軸孔表面粗糙度對偶件靈活性的影響

針閥體導(dǎo)向軸孔采用分級臺階梯度結(jié)構(gòu)，工藝方法主要采用鉆削、鉸削等多工序機械加工方法，根據(jù)導(dǎo)向軸孔尺寸梯度結(jié)構(gòu)，刀具方面通常采用成形復(fù)合刀加工，針閥體油腔附近極易產(chǎn)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(chǎn)生的軸/孔往復(fù)滑動，針閥體導(dǎo)向孔表面凸凹不平。只有峰谷接觸，微觀全表面接觸需要經(jīng)過長時間磨合才能消除。為此，針閥體導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(yīng)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(xù)切削高溫下，微觀裂紋進一步發(fā)展，超過材料疲勞強度后將形成疲勞裂紋，嚴(yán)重影響偶件耐磨損性能，最終將產(chǎn)生偶件耦合研傷、卡死[2]。

2.3 殘余應(yīng)力對偶件使用性能的影響

殘余應(yīng)力是金屬材料的固有屬性，其產(chǎn)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(yīng)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(tài)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(chǎn)生影響，鉆削加工撕裂過程將產(chǎn)生拉應(yīng)力、擠壓過程產(chǎn)生壓應(yīng)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(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。研究表明，加工表面的殘余應(yīng)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(yīng)力的有效控制具有直接關(guān)系，形成殘余壓應(yīng)力提高表面耐磨性是針閥偶件精密加工的目標(biāo)。

通過以上切削基礎(chǔ)技術(shù)分析，通過工藝方法改善針閥體導(dǎo)向軸孔質(zhì)量，對提高偶件使用性能、延長使用壽命十分重要?？刂漆橀y體導(dǎo)向軸孔的加工方法，可以在實際加工過程中根據(jù)不同的鉆削方法合理選擇刀具的幾何參數(shù)及材質(zhì)，切削參數(shù)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(yīng)用一些新的切削加工技術(shù)，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(zhì)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(xiàn)快速斷屑、快速帶走切削溫度的優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用效果。

3 針閥體導(dǎo)向軸孔超聲鉆削加工機理分析與設(shè)計

高速重載柴油機高壓共軌供油系統(tǒng)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(jié)構(gòu)鋼》），具有較高的抗腐蝕、抗沖擊、高耐熱特點，受針閥體導(dǎo)向孔封閉或半封閉孔系結(jié)構(gòu)限制（見圖1），加工產(chǎn)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(shù)重點。本工藝方法利用振動鉆削原理設(shè)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(tài)，使切屑順利排出，實現(xiàn)針閥體導(dǎo)向軸孔精度和表面完整性綜合控制。

圖1 針閥體導(dǎo)向孔示意圖

3.1 針閥體導(dǎo)向軸孔振動鉆削機理分析

針閥體導(dǎo)向軸孔振動鉆削實現(xiàn)的基本原理是，通過在鉆柄端設(shè)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(chǎn)生規(guī)律的間歇性接觸和斷開，形成傳統(tǒng)的接觸鉆削為高頻啄鉆形式。

圖2 振動切削類型形式

根據(jù)針閥體導(dǎo)向軸孔結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)該孔系加工的振動鉆削類型，大致可分為軸向往復(fù)振動鉆削、徑向旋轉(zhuǎn)振動鉆削、復(fù)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(zhuǎn)振動方向與鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向一致，復(fù)合振動是軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動的復(fù)合疊加。根據(jù)振動鉆削機理，軸向振動更容易實現(xiàn)，為此，采用軸向往復(fù)振動鉆削實現(xiàn)針閥體導(dǎo)向軸孔加工工藝方案實現(xiàn)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(tài)，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(shù)。因此，振動鉆削具有的切削熱少且散熱快的技術(shù)優(yōu)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(chǎn)生，使針閥體導(dǎo)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(shè)計

針閥體導(dǎo)向軸孔超聲振動鉆削裝置設(shè)計采用了偏心凸輪四桿機構(gòu)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(gòu)成，以下是振動鉆削裝置偏心振動機構(gòu)的基本原理，如圖3所示。圖中，Az為偏心凸輪軌跡轉(zhuǎn)動方向；φ為軸心偏移角度，φ=0°時處于靜止?fàn)顟B(tài)；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(gòu)

超聲振動鉆削裝置偏心振動機構(gòu)發(fā)生器設(shè)計簡圖如圖4所示。將內(nèi)凸輪與轉(zhuǎn)軸進行過盈配合進行緊固連接，具有振幅調(diào)節(jié)作用，內(nèi)/外凸輪采用間隙進行配合，利用螺母進行內(nèi)/外凸輪相對運動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)行星隨動，即螺母松開后，外凸輪與內(nèi)凸輪可各自轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸在工作過程中通過外置超聲振動源驅(qū)動裝置實現(xiàn)高頻軸向往復(fù)微移動，實現(xiàn)鉆削加工。

圖4 振動鉆削裝置偏心振動機構(gòu)發(fā)生器簡圖

4 針閥體導(dǎo)向軸孔超聲振動鉆削加工試驗

通過開展針閥體導(dǎo)向軸孔超聲振動鉆削基礎(chǔ)試驗，對加工后的孔系進行檢測，獲取基礎(chǔ)切削力/熱、表面粗糙度及形貌、殘余應(yīng)力分布、顯微硬度及微裂紋刀具磨損狀態(tài)等試驗數(shù)據(jù)，分析切削高溫、應(yīng)力應(yīng)變等條件下材料屈服流動行為，揭示了針閥體導(dǎo)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(shù)調(diào)整具有一定的變化規(guī)律，可根據(jù)材料性能與孔系精度要求進行優(yōu)化調(diào)整，從而使針閥體導(dǎo)向軸孔加工質(zhì)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(yīng)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(chǎn)生了接近于噴丸強化的殘余壓應(yīng)力場，如果工藝參數(shù)設(shè)置不合理，孔系加工表面仍以撕裂去除為主體，拉應(yīng)力場占主導(dǎo)地位。通過圖5b可以看出，超聲振動鉆削加工針閥體導(dǎo)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(chǎn)生塑性擠壓硬化狀態(tài)，導(dǎo)致針閥體導(dǎo)向軸孔表面產(chǎn)生了微擠壓變形強化。

圖5 針閥體導(dǎo)向孔加工表面殘余應(yīng)力分布及顯微組織

根據(jù)超聲振動加工系統(tǒng)建立的加工試驗平臺如圖6所示。該加工中心具有定位準(zhǔn)確，夾具穩(wěn)定的優(yōu)點，超聲振動發(fā)生器將高頻超聲號轉(zhuǎn)化為機械振動信號，并由阻抗分析儀對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。加工前，首先進行諧振頻率測試，以調(diào)節(jié)振動頻率和振幅，使之趨于穩(wěn)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(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。

圖6 加工中心振動鉆削加工試驗平臺

表1是針閥體導(dǎo)向孔超聲振動鉆削性能測試結(jié)果，通過分析可知，隨著機床主軸轉(zhuǎn)速和刀具進給速度的增加，鉆削力呈增加趨勢，這是由于轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)優(yōu)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(shù)據(jù)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(guī)律，表明測試結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表1 超聲振動鉆削性能測試結(jié)果

綜上分析，針閥體導(dǎo)向孔超聲振動切削加工試驗，采用較高轉(zhuǎn)速和較小進給速度作為加工參數(shù)，選取轉(zhuǎn)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(yōu)工作參數(shù)。

通過超聲振動鉆削試驗加工實現(xiàn)了針閥體導(dǎo)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(shù)指標(biāo)。

5 針閥體導(dǎo)向軸孔超聲振動鉆削加工研究結(jié)論

5.1 超聲振動鉆削可有效降低切削力/熱

針閥體導(dǎo)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(shù)較小，孔系在刀具往復(fù)接觸/離開作用下，加工過程推擠壓狀態(tài)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(dǎo)向軸孔加工精度和表面質(zhì)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(tài)接觸，實現(xiàn)了切屑快速剝落和排出，使針閥體導(dǎo)向孔加工切削力更小、切削溫度低，從而獲得了更優(yōu)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(shè)置切削參數(shù)和振動參數(shù)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(wǎng)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。