（机械电子工程专业论文）微细喷油孔电火花加工机床及其控制系统研究.pdf

摘要 随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高，从目前的情 况来看，由于微细电火花加工技术具有电极制造简单、电极与工件间宏观作用力小、可 控性好等优点，它已经成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在制造业中得到了广 泛的应用。 进入9 0 年代后，由于制造水平的提高特别是排放控制技术的发展，柴油机在车用 动力中占据着越来越重要的地位。在中、重型汽车动力领域，柴油机保持了其独占地位； 在轻型车动力领域内，柴油机的应用也不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染的柴油 轿车在欧洲得到迅速发展。喷油嘴是柴油机的核心部件之一，而喷油孔又是喷油嘴上的 精密结构，因此加工高质量的喷油孔是柴油机发展的迫切要求。 通过对微细电火花加工原理特点和国内外多种微细电火花伺服系统的分析研究，提 出了微细电火花宏微复合伺服进给系统。对微细电火花加工机床进行三维结构的仿真生 成，控制系统采用以p c 机控制下的运动控制器为核心，利用交流伺服电机作为宏驱动， 采用步进电机做为微进给，进给精度为1 a n ，使系统在提高加工精度的同时保证了加工 速度。 对微细电火花加工机床的电气部分进行了系统研究，在此基础上实现了该机床数控 程序的开发，数控程序实现了电极振动式进给的控制方法，提高了加工效率。数控程序 主要包括上位机操作管理编辑模块和运动控制卡的实时控制模块。 在整个试验过程中，通过加工实验和查阅大量的文献对微细电火花加工机床中的一 些关键技术进行了分析研究，包括微细电极夹持机构，电火花间隙状态的控制方法，数 控系统的编译方法以及数控系统的抗干扰的研究。 最后在该微细电火花加工机床上进行了加工实验。该机床可稳定的加工 0 0 1 ，0 0 3 r a m 的微细孔，加工出的喷油嘴满足直径、角度、流量的要求。 关键词：电火花加工，控制系统，喷油孔，运动控制器，电极夹持 r e s e a r c ho n m i c r o - - s p r a y - h o l ee d m m a c h i n e t o o la n dt h ec o n t r o ls y s t e m z h o n gl o n g ( e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uy o n g h o n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t s m i n i a t u r i z a t i o na n dp r e c i s i o ni sh i g h e r a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h em i c r o - e d m ( e l e c t r o nd i s c h a r g em a c h i n i n g ) i sp l a y i n ga ni m p o r t a n tp a r ti nm i c r om a c h i n i n gf i e l d b e c a u s eo fi t se a s yf a b r i c a t i o no fe l e c t r o d e ，s m a l lf o r c eb e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r kp i e c ea n d g o o dc o n t r o l l a b i l i t y w h e ne n t e r i n gt h e9 0 s ，b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to fm a n u f a c t u r e ，e s p e c i a l l yt h e c o n t r o lt e c h n o l o g i e so fe m i s s i o n ，t h ed i e s e le n g i n e sp l a ya ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h e v e h i c l ep o w e r i nt h em e d i u mt o h e a v y - d u t yt r u c k s ，d i e s e le n g i n e sm a i n t a i ni t sm o n o p o l y s t a t u s i nt h ef i e l do fl i g h tv e h i c l e s ，d i e s e le n g i n e sa r ea l s oe x p a n d i n gi t sa p p l i c a t i o n i nt h e f i e l do fc a r s ，l o wf u e lc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o nd i e s e lc a r si ne u r o p eh a v ed e v e l o p e d r a p i d l y d i e s e lf u e ln o z z l ei so n eo ft h ec o r ec o m p o n e n t so ft h ed i e s e le n g i n e ，a n dt h e s p r a y - h o l ei st h ep r e c i s es t r u c t u r eo fn o z z l e s o ，p r o c e s s i n gh i g h - q u a l i t ys p r a y h o l ei sa l l u r g e n tn e e dt od e v e l o pt h ed i e s e le n g i n e a f t e rt h er e s e a r c ho ft h ep r i n c i p l ea n ds e r v os y s t e mo fm i c r o - e d m ，t h em a c r o m i c r o c o m p o s i t es e r v os y s t e mw a sp r o p o s e d t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo ft h em i c r o e d m m a c h i n et o o lw a sg e n e r a t e d t h em o t i o nc o n t r o l l e ru n d e rt h ec o n t r o lo fp ci st h ec o r eo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h ea cs e r v om o t o ri su s e da sm a c r od r i v e t h es t e p p e rm o t o ri su s e da s m i c r od r i v e t h ep r e c i s i o no ff e e di s l p m t h ec o n t r o ls y s t e mh a sah i g hp r e c i s i o na n d p r o c e s ss p e e d t h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r i c a lp a r to ft h em i c r o - e d mm a c h i n et o o lw a sd e v e l o p e d t h e n cs o f t w a r eo ft h em i c r o e d mm a c h i n ew a sp r o g r a m m e db a s e do nt h er e s e a r c h ，r e a l i z i n g t h ec o n t r o lm e t h o do fe l e c t r o d ev i b r a t i o n t h es o f t w a r ei n c l u d e s o p e r a t i o nm o d u l e ， m a n a g e m e n tm o d u l e ，e d i t i n gm o d u l ea n dt h en cr e a l - t i m ec o n t r o lo ft h em o t i o nc o n t r o l l e r t h r o u g h o u tt h et r i a lp r o c e s s ，t h r o u g ht h ep r o c e s s i n go fm a n ye x p e r i m e n t sa n dc o n s u l t i n g l i t e r a t u r e ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so ft h em i c r o e d mm a c h i n et o o la r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n g t h em i c r o e l e c t r o d ec l a m pd e v i c e s ，t h ee d mg a pc o n t r o lm e t h o d ，t h ec o m p i l e rm e t h o d so f n c ，a n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c eo fn c f i n a l l yal o to ft h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u to nt h em i c r o e d mm a c h i n e t 0 0 1 t h e m a c h i n et o o lc a np r o c e s sm i c r o h o l e0 0 1 一 d o 3 m ms t a b l y t h en o z z l ep r o c e s s e db yt h e m a c h i n et o o lc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed i a m e t e r , a n g l ea n df l o w k e yw o r d s ：e d m ，c o n t r o ls y s t e m ，s p r a y h o l e ，m o t i o nc o n t r o l l e r , e l e c t r o d ec l a m p i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲孳蓐日期：矽d 绎多月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 酝龙 指导教师签名：二王盐喜l 日期：加d 7 年月日 日期：多年6 月歹日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现代制造技术是一个国家发展经济的重要手段之一，也是衡量一个国家工业水平高 低的重要依据。从目前来看，现代制造技术的发展主要呈现两个趋势：一个是追求制造 系统自动化的计算机集成制造技术；另一个就是寻求制造系统微细加工极限的微机械制 造技术。 随着国民经济和科学技术的发展，人们对产品小型化和精密化的要求也越来越高， 作为现代制造技术发展两大趋势之一的微细加工技术，在航空航天、医学、传感器、精 密模具、生物技术、微电子器件制造等方面有着广泛的应用【l 】。微机械或微机电系统已 被公认为2 1 世纪的重点发展学科。其中，由于微细电火花加工技术具有电极制造简单、 电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，它已经成为微机械制造领域的一个重要 组成部分，在制造业中得到了广泛的应用。 人类社会不断发展进步，人们的环保意识正越来越强，各国对柴油机排放的废气所 造成的环境污染越来越重视，柴油机的排放法规日趋严格，而喷油嘴喷孔加工质量直接 影响柴油机的燃油喷射和燃烧性能，所用的喷油嘴喷孔直径也越来越小，钻削加工喷孔 的方式将难以适应，而电火花加工非常适合加工直径在几微米到几百微米的微细孔，其 中，电火花加工喷油嘴喷孔具有加工直径小、精度高、压力室无毛刺和可放在热处理后 加工，消除喷孔热处理变形等优点，喷孔电火花加工机床正逐步走进我国的油泵油嘴行 业 2 1 。 在国内，加工出的喷孔的质量与国外的相比还有较大的差距。因此，研制电火花喷 孔加工机床，加工出高端的喷油嘴，打破国外对电火花喷孔加工的垄断，具有重要的现 实意义。 1 2 微细电火花加工技术概述 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ，是一种直 接利用电能进行加工的新工艺。电火花加工与金属切削加工的原理不同，在加工过程中， 工具和工件并不直接接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲火花放电，靠放电时产生 局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉3 1 。加工时工件和工具两个电极间无宏观作用 第1 章绪论 力，加工表面质量好，放电能量密度高，可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电 材料，这些优良的特性使之在导电材料加工领域得到了广泛的应用 4 1 。微细电火花放电 过程是动能、热能、电能、磁能、光能等多场耦合的复杂过程。 微细电火花加工的热传导原理和常规电火花相同，即在放电过程中，电极表面因获 得能量而在放电点附近瞬时形成一个高温热源，达到1 2 0 0 0 。c ，使其局部温度迅速升高， 通过蒸发或熔化达到去工件材料的目的【5 1 。对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲放电形 成的放电凹坑，放电凹坑既大又深，使得表面粗糙度恶化，反之则较好。 1 3 微细电火花加工技术的研究现状 1 3 1 微细子l 加工技术的研究 1 3 1 1 基于切削加工的微细孔加工方法 ( 1 ) 机械钻削加工 在钟表制造业中最早使用钻削加工小孔。微细钻削具有生产率高、不受材料导电性 能限制、能获得的深径比大、表面质量和加工精度较高等特点，是一种在经济上、精度 及效率上较优越的微小孔加工手段。钻削现已成为微小孔加工的最重要工艺之一，可用 于电子、精密机械、仪器仪表等行业，近来倍受关注。但是微细钻削加工存在以下问题： 由于钻头直径细小，其制造变得越来越困难。容屑空间小，特别是加工深孔时， 切屑难于排出，从而导致钻头的损坏。在深小孔钻削时，为了获得一定的切削速度， 需要采用很高的转速，一般要求在1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 r m i n ，并且要求主轴的回转误差很小 ( 1 删) 。这是目前的普通钻床所不能达到的，必须用微细加工机床。机械钻削无法 加工比刀具还硬的材料。 ( 2 ) 冲微小孔 在仪器仪表制造业中，常常会遇到板件上有许多微小孔的零件。板件上的微小孔常 采用冲孔的办法加工。冲微小孔具有以下特点：生产效率高。在大批量生产时，其 生产成本比钻削低得多。凸模磨损慢，寿命长，加工出的孔尺寸稳定。但在一定的 板厚下，当冲孔的直径小于某一定值时，由于小凸模的强度和刚度的限制而无法冲孔。 冲微小孔加工技术的研究方向是如何提高小凸模的强度和刚度以及微小凸模的导 向和保护方法【6 】。 ( 3 ) 磨削小孔 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为了提高孔的尺寸精度、形状精度和降低表面粗糙度，经常是加工出小孔后，还需 磨削小孔。目前，磨n d , 孔的直径可达0 3 8 m m ，但磨n d , 孑l 时困难较多：砂轮直径 很小，为了获得磨削所需的线速度，磨头必须具有高速回转能力，设计制造这样的磨头 困难较大。砂轮轴很细，刚性很差，磨削时产生的挠度较大，孔的尺寸和形状精度 易受加工前的尺寸和形状影响，即磨削时的修正能力差。砂轮轴很细，因而其共振 频率较低，限制了砂轮轴转速的提高。砂轮直径接近于孔径，磨削液很难进入磨削 区，因此，必须采用特殊的磨削液喷嘴，加大磨削液的供给压力。因为孔径小，磨 削操作和尺寸控制比较困难，在批量加工时，应当备有自动化的操作及检测机构【7 1 。 ( 4 ) 研磨、磨料流精加工小孔 在微小孔精加工方法中，研磨、磨料流加工不受材料硬度的限制，且可加工一些特 殊孔。研磨已有多年的历史，并广泛地被用来进行孑l 的精加工。磨料流加工是新发展起 来的一种先进的小孔抛光技术，它是通过一套专用加压设备，使粘稠状的磨料在一定的 压力下往复通过被加工表面进行研磨加工。这种加工方法主要用来去除毛刺，但对直孔、 弯孔及其他异型小孔的抛光也适用，它还能去除其他加工方法加工后形成的硬化层。磨 料流加工微小孔的加工痕沿着孔的轴向，这对于减小流体流过孔时的阻力很有益处，是 微流体器件上小孔精加工的理想方法。如果将这种方法与电解加工结合，效果会更佳【6 】。 1 3 1 2 基于特种加工的微细孔加工方法 ( 1 ) 电火花加工 电火花微细加工是特种微细加工中发展较为成熟的方法，它非常适合实现微米级结 构尺寸的微细加工，同时易于实现自动化。这对微细加工也是十分有利的。 电火花微细加工一般是指用棒状电极电火花加工或用线电极电火花磨削( w e d g ) 微孔、微槽、窄缝、各种微小复杂形状及微细轴类零件。加工尺寸通常在数十微米以下， 甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。 现代电火花微细加工的发展趋势将定为大力发展c n c 电火花微细加工技术，积极 开展适应控制和加工过程最佳技术的应用研究，开发应用行星式电火花微细加工技术【8 】o ( 2 ) 超声加工 微小孔的超声加工利用超声波发生器激励的换能器驱动工具作超声振动，冲击工件 表面上的磨料，将加工区域的材料粉碎，随着工具的进给而加工出微小孔。超声加工有 以下特点：适于加工各种硬脆材料，特别是不导电非金属材料，如玻璃、陶瓷( 氧 化铝、氮化硅等) 、石英、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。可加工异型孔，加工精度 第1 章绪论 达1 缈，表面粗糙度只。为0 0 3 o 1 0 1 矗, n 。最小孔径达l o 彬，深径比达l o 2 0 。 机床结构简单，成本低。缺点是：在进行微细超声加工时，工具的制备和安装比较 困难，工具易于磨损，这对孔的加工精度有一定的影响。在对某些金属材料加工时， 加工速度很低。与常规尺度的超声加工相比，微细超声加工振幅小，功率小，加工 速度偏低。鉴于以上缺点，超声加工主要用于硬脆的非金属材料加工，如玻璃板上微小 孔的精密加工以及金刚石模具的变截面圆孔和异型孔的加工。 ( 3 ) 激光加工 激光加工是一种重要的高能束流加工方法，具有亮度高、方向性好和单色性好，因 此在理论上可聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上。焦点处的功率密度可达 1 0 7 一1 0 1 1 w c m 2 ，温度高达万度以上。激光d h - r ：就是利用材料在激光聚焦照射下瞬时 急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去 除。由于激光光源性能的提高，微细激光加工技术得到了迅速发展，广泛应用于金属、 陶瓷、玻璃、半导体等材料的微米级尺寸微零件的切割、打孔、刻蚀等，是一种极有前 途的微细加工方法 9 】 1 0 】。 今后，激光加工技术将重点研究优化激光工作参数，建立加工作业标准和相应的数 据库，发展激光多工位分时综合加工和研究大功率、高寿命和小型化的激光装置 1 1 1 。 ( 4 ) 电子束加工 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后，能量密度极高的电子束( 约 1 0 6 1 0 9 w l c m 2 ) ，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间( 几分之 一微秒) 内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上 的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。目前，已能加工直径小于 3 t r n 的孔，对微电子学领域里许多零件的打孔特别有利，是微小孔加工工艺中不可缺少 的一种加工方法n 1 。 ( 5 ) 离子束加工 离子束加工微细孔是利用离子束流从工件上去除材料，将入射离子的动量传递到靶 原子，当传递的能量超过了原子间的键合力，靶原子就从固体表面溅射出来，达到去除 的目的。 离子束加工微小孔有两种方法：是将离子束聚焦，然后像控制电子束一样来进行 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 微细孔加工。另一种方法是用于加工的离子束无需聚焦，但被加工的工件需事先准备好 孔形模板，然后用离子束轰击未经模板保护的孔形区域，产生喷砂加工的效果。此时离 子束加工微细孔的精度主要取决于模板的精度，也即照相制版技术所达到的精度。由于 照相制版可以达到很高的精度，因此用掩模离子束能加工出纳米级精度的微细孔。目前 离子束3 h - r 微细孔主要用于半导体工业中的集成电路芯片的制造上【7 1 。 ( 6 ) 电解加工 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理而对金属材料进 行成型加工的一种工艺方法。当工具阴极向工件不断进给时，工件材料就按工具阴极型 面的形状不断地被溶解，电解产物被高速流动的电解液带走。工件上就加工出与阴极形 状近似而相反的型面。当把工具阴极作成细管，电解液从管中心高速喷出冲走电解产物 时，在工件上就可以3 n o - 出4 q l t3 1 。 1 3 1 3 复合a n - f _ 复合加工是指将两种或两种以上的工艺方法进行组合而形成的新的加工方法。其特 点是融多种加工方法的优点于一体。目前常用的复合加工方法有微细钻削一超声复合加 工、微细超声一研磨复合加工、微细电解一研磨复合加工、微细超声一电火花加工、微细 超声一电解复合加工、微细电解一电火花复合加工、微细激光一电解复合加工、微细激光一 电火花复合加工、微细激光一超声复合加工等。这些复合加工的方式大体上有两种，一 种是两种加工同时起作用，如超声一电火花复合加工、超声一电解复合加工、电解一电火 花复合加工等；另一种是两种加工先后起作用，如先用激光或电火花打孔，再用电火花 或超声精修，以提高3 n - r _ 精度和表面质型6 1 。以超声波电火花复合加工为例，它是指将 超声波振动m t 在工具电极上，工具电极端面在伺服进给的同时作超声振动，改善了小 孔加工中的排屑状况，提高加工的稳定性和生产率，同时高频振动还可以改善孔表面的 粗糙度12 1 。 1 3 2 线电极电火花磨削( w e d g ) 技术 微细电火花加工技术的研究可大致以1 9 8 4 年线电极电火花磨削( 工作原理见图1 1 ) 技术的出现为界分为两个阶段。此前的研究主要是针对电火花加工用于微细加工的可行 性，如对电极材料、电极损耗、工作液、排屑方式及加工间隙等状况的基础性研究； w e d g 技术的出现，圆满地解决了微细电极的制作与安装问题，伴随着这一时期现代科 技的飞速发展，使微细电火花加工技术进入了实用化阶段。w e d g 技术的出现，使得微 第1 章绪论 细轴孔的电火花加工成为可能。随着微型机械的发展和w e d g 技术的逐步成熟，微细 电火花加工技术的研究已拓展到了三维微细型腔的加工中。据统计，微细电火花加工在 电火花加工中所占的比重正逐年增加，目前己接近1 0 【1 3 】。 电火花加 线电极 具电极 图1 1 线电极磨削加工示意图i f i 9 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go fw e d g i l 引 w e d g 不仅可以加工出圆柱状电极，还可加工出多边形、螺旋形等形状的电极，这 为微细电火花加工各种复杂形状的型腔提供了极为有利的工具。由于线电极电火花磨削 过程中，线电极与工件间为点接触放电，易于实现工具与工件电极间的微能放电；这种 点接触式放电方式还使得工件的加工精度更接近于机床的几何精度；同时由于线电极的 连续移动，可以忽略线电极损耗对加工精度的影响，因此可控性好，易于通过数控程序 来加工出各种形状的电极。 1 3 3 国内外微细电火花加工技术现状 微型机械与微机电系统的发展强有力的推动了微细电加工技术研究的不断深入与 进步。目前对微细电火花加工技术的研究可以分为两大类：微细电火花工艺研究和微细 电火花设备研究。其中微细电火花工艺研究从工艺方面入手，包括微细电极制备工艺、 微细孔加工工艺技术的研究等；而微细电火花设备研究主要从设备出发，研究适合微细 加工的机床结构、更小的放电电源、微细电极制备装置以及微细孔加工辅助装置等 1 4 】。 微细电火花加工技术的研究起步于2 0 世纪6 0 年代。荷兰p h i l i p s 研究所的 d s e n b r u g g e n 等人利用微细电火花加工技术成功加工出直径3 0 u n ，精度为0 5 p r o 的微 孔 1 5 】。由于当时无法解决微细电极的在线制作问题，使得加工效率低，加工精度一致性 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 较差，这一成果没有引起人们足够的重视。2 0 世纪8 0 年代末，随着m e m s 技术的蓬勃 发展及其在应用过程中所出现的一系列问题，以及这一时期现代电子电力技术的发展， 尤其是线电极电火花磨削( w e d g ) 技术的逐步成熟和应用，成功地解决了微细电极在 线制作这一瓶颈问题，使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段，并成为微细加工领 域的研究热点之- - 1 6 】【1 7 】。国际上最早将电火花加工用于微细d n - r 领域的是瑞士的电火花 机床厂商，主要用于解决化纤工业中喷丝板上微细孔的加工难题。2 0 世纪9 0 年代后， 日本的松下精机、三菱电机、s o d i c k 、瑞士的a g i c 、c h a r m i l l c s 等国际著名的电加工机 床生产厂家相继推出了商品化的微细电火花加工机床。其中日本松下精机的产品性能最 优，该产品可以稳定的加工出0 2 5 p m 的微细轴和5 朋的微细孔。哈尔滨工业大学和 南京航空航天大学在微细电火花研究方面也取得了较大的进展，其中哈尔滨工业大学加 工出4 5 p m 的微细轴和0 8 n n 的微细孔，达到了世界先进水平 1 8 1 。 1 4 柴油机概况及电加工在喷油孔加工中的应用 1 4 1 柴油机发展及燃油雾化概况 自1 8 9 3 年第一台柴油机问世以来，柴油机已经历了1 0 0 多年的发展。我国柴油机 产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总 体技术水平已经达到国外8 0 年代末9 0 年代初的水平，一些国外柴油机近几年采用的排 放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经 达到欧i i 排放限值要求，一些甚至可以达到欧i i i 排放限值要求。特别是进入9 0 年代， 由于制造水平的提高特别是排放控制技术的发展，柴油机在车用动力中占据着越来越重 要的地位。在中、重型汽车动力领域，柴油机保持了其独占地位；在轻型车动力领域内， 柴油机的应用也不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染的柴油轿车在欧洲得到迅速发 展。我国已有一汽大众等厂家生产柴油轿车n 引。 1 4 2 喷油孑l 尺寸参数对柴油性能的影响 柴油机的心脏部件是燃油喷射系统，而在柴油机燃油喷射系统中，喷油嘴是燃油进 入燃烧室的最后一个环节也是最重要的零件之一。除了喷射压力和燃烧室形状等因素 外，喷油嘴结构参数对于喷油束的形态、燃油的雾化和在燃烧室空间的分布有着决定性 影响。如果喷油嘴的结构设计不合理或质量出现问题，那么柴油机的性能和排放指标将 严重恶化心们。 第1 章绪论 2 0 0 6 年1 2 月1 3 日，欧洲议会通过了欧v 和欧汽车排放标准，大幅度提高了对轿车 和客车在粉尘颗粒和氮氧化物排放量方面的要求。按照欧v 排放标准，柴油轿车的颗粒 物排放量将比目前减少8 0 ；而实行欧标准后，柴油轿车的氮氧化物排放量将比目前 减少6 8 。欧v 标准要求从2 0 0 9 年9 月起，所有在欧洲销售的柴油车必须加装颗粒物过 滤器，现有的柴油车可以在2 0 11 年1 月之前改装完毕。欧标准将于2 0 1 4 年起执行。相 对于欧标准对面包车较为宽松的要求，新的排放标准将逐步收紧对多座客车的要求， 尤其是越野车和7 座以上的客车，而近年来流行的s u v 将从2 0 1 2 年9 月1 日起，面临更加 严格的排放要求。欧盟预测，欧标准的实行将在欧v 基础上使健康指数提高6 0 - - 9 0 。欧盟同时强调，汽车制造商必须及时向维修厂商通报新型车的有关数据，以保证新 车在出厂后得到必要的保养和维护，保持其环保标准 2 l 】。 2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起，北京将正式对轻型汽油车和轻型燃气汽车以及重型柴油发动机 和重型燃气发动机( 重型汽车) 实施国家第三阶段排放标准( 相当于欧i i i 标准) 。2 0 0 7 年7 月1 日，国3 标准将在全国范围内开始实施，这标志着我国汽车污染排放控制进入了 新阶段。 现在和未来的排放法规越来越严格，这就要求进一步大力改进柴油机喷油嘴的座面 和喷雾形状。采取适当措施，在几何形状、内部油道和喷雾形态之间作些改动可以使柴 油机的性能得到改善。 作为针阀体的精确几何特征，喷孔决定喷雾特征进而对柴油机的排放带来影响。喷 油嘴的喷雾特征主要受喷孔微小形状的影响。通过喷孔的各项参数( 直径、长度、进油 边缘形状、微观表面) 配合得到理想的燃油流动特性才能满足柴油机对喷雾的要求。 柴油机的性能直接受到喷油嘴几何形状的影响，因为柴油喷雾在空间和时间上的分 布对柴油机的噪声、排放、燃油耗和发动机性能起到决定性的作用凹别。目前国产喷油嘴 的质量与国外先进水平相比仍有一定差距，许多主机厂为保证柴油机的性能( 特别是排 放指标) ，往往要高价进口喷油嘴瞳3 1 。 喷油孔作为精密的喷油嘴几何特征，确定了喷雾的特性并由此决定了发动机的排放 水平。喷油嘴的喷雾特性尤其受到喷孔微观几何质量的影响。喷孔的几何参数( 直径、 长度、进口边缘、几何结构、形式和微观表面) 综合在一起才能优化流动特性以满足发 动机的喷雾需要瞳钔。 在欧洲发达国家，由于对能源的利用率和尾气排放对环境污染的严格控制，使得燃 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 油喷射系统中喷油孔的尺寸都小 0 1 4 5 a n 2 5 1 。一般来说，喷孑l 直径越大，燃油雾化质 量越差，雾化颗粒不细、不均匀，虽然喷孔直径大可以加快喷射进程、缩短喷油持续期， 但燃油与空气混合质量差，燃烧不充分，从而影响排放。根据索特( s a u t e r ) 平均直径 公式： 小籍 ( 1 - 1 ) d m2 萨 u 。1 式中：d 为喷孔直径( m m ) ；p 为喷孔中的压力差( b a r ) 。 肚= 已一0 ( 1 - 2 ) 式中：昂为喷油时期的平均压力；名为气缸内平均压力。 从式中可以看出；减小喷孔直径，可以减小颗粒平均直径；提高喷油压力，舻上 升，也使雾化颗粒直径减小。 因此，近年来喷孔直径有减小的趋势。喷孔直径缩小，提高了喷油压力，燃油雾化 质量好，喷雾颗粒细化，与空气混合充分，燃烧条件大大改善，有助于降低排放。图1 2 是c y 6 t o b z q 型柴油机采用喷孔为5 o 2 9 r a m 和5 x 0 0 3 l m m 喷嘴在1 3 种工况下做的对 比试验。 1 2 0 0 圣1 0 0 0 越8 0 0 蛏 基6 0 0 幂 h 呈4 0 0 2 0 0 0 1234567891 0 1 1 1 2 1 3 工况序号 1 蛩1 - 2 喷孔直径对n o x 排放的影响【2 6 1 f i 9 1 2t h ee f f e c to fs p r a y h o l e sd i a m e t e ro nn o x e m i s s i o n 【2 6 】 9 第1 章绪论 1 - 3 喷孔直径对柴油机排放的影响 2 6 】 f i g l - 3t h ee f f e c to fs p r a y h o l e sd i a m e t e ro nd i e s e le n g i n ee m i s s i o n 【2 6 】 图1 3 表示减小喷孔直径对柴油机排放的影响。 在国产喷油嘴的加工过程中，喷孔和压力室交界处( 即喷孔入口处) 产生的毛刺问 题是影响喷油嘴质量的重要因素之一。喷孔处有毛刺时不仅使喷孔流量减小，更重要的 是引起各喷孔喷雾形状发生畸变及各油束中燃油分布不均匀，从而导致燃油在燃烧室内 分布情况的恶化心3 1 。 柴油机的性能和排放受喷孔形状的影响。采用喷孔结构和流量系数的结合以适应某 特定发动机的要求可以满足对高速直喷柴油机严格的排放法规( n o x 和炭烟) 要求。在 现在和未来柴油机高性能、低排放的开发过程中，喷油嘴具有并将继续具有相当重要的 作用心别。 1 4 3 电火花加工在喷油子l 加工上的应用 随着人类社会的发展进步，人们的环保意识正越来越强，各国对柴油机排放的废气 所造成的环境污染越来越重视，纷纷制定相应的排放法规，以法律的形式严格控制柴油 机排放的污染物。现在国际上通用的是欧洲经济委员会( e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o r e u r o p e ) 制定的一系列排放标准。该标准主要是对柴油机加，、h c 、c o 及微粒的排 放做出了严格限制。现在，我国执行的是相当于欧秽h i i i 号标准的排放法规，欧洲国家已 于2 0 0 5 年开始执行更为严格的欧洲号标准。喷油嘴喷t l d n 工质量直接影响发动机的 燃油喷射和燃烧性能，所用的喷油嘴喷孔也直径越来越小，钻削加工喷孔的方式将难以 适应，电火花加工喷油嘴喷孔具有可加工直径小、精度高、压力室无毛刺和可放在热处 理后加工，消除喷孔热处理变形等优点，喷孔电火花加工机床正逐步走进我国的油泵油 嘴行业眩1 。 电火花加工( e d m ) 是加工具有微小公差和精密几何尺寸的喷孔的常用方法。保证 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 微小公差要求对以下几方面严格控制： 几何量控制，包括喷孔的直径、锥度和表面粗糙度。 液体流量控制。过去几十年，尤其是用钻头机械加工喷孔时，喷油嘴喷孔都加工 成圆柱形。现在电火花加工技术允许喷孔直径沿燃油流动方向减小，即允许喷孔在微小 的加工公差范围内有一定的锥度。这种加工工艺受电极导向、材料和发生器电信号的影 响。喷孔入口处直径相对出口处直径在微小的加工公差范围内的变化，加上入口处棱边 的圆倒角，使喷孔内液力特性重新分布，并决定了喷雾的形态晗2 j 。 ( 1 ) 国内应用情况 当前，电火花喷孔加工机床正逐步走进我国的油泵油嘴行业。无锡油泵油嘴研究所、 江苏无锡威孚公司、山东菏泽华星油泵油嘴有限公司、聊城鑫亚工业有限公司、中国一 拖集团等许多企业分别从瑞士p o s a l u x 公司和英国a m c h e n 公司购进十余台电火花加 工喷孔机床，重庆油泵油嘴厂、上海油泵油嘴厂也从美国r a y c o n 公司购进了多台s h l 0 3 系列电火花喷孔加工机床，龙口油泵油嘴厂从俄罗斯购进了多台电火花喷孔加工机床 2 7 o 在国内生产的电火花喷孔加工机床方面，苏州电n - r 研究所研制的电火花小孔机床 取得了一定的成功，天津大学也研制了一种电火花喷孔成型机床，用于加工方型、椭圆 形的喷孔，以便于喷油嘴的研究和设计工作，北京某公司研制的电火花微孔加工机床加 工效率较低。 ( 2 ) 国外应用情况 瑞士的p o s a l u x 公司是国际上非常知名的喷孔钻设备制造公司，也是著名的钻削 喷孔钻床制造商。该公司生产的h p 系列电火花加工喷孔机床是专为加工喷油嘴喷油孔而 开发的数控机床，可同时自动控制b ，c ，u ，w ，z 等五轴。其中b ，c ，s 是转动轴， 它们分别控制喷孔相对于针阀体中孔轴线的轴向夹角和周向夹角及电极丝的转动，w ， z ，u 轴是位移轴，它们分别控制喷孔相对于针阀体座面量规尺寸的轴向距离、电极丝 进给量、电极丝头部径向偏移量。b 轴和c 轴的精度分别为0 0 0 1 0 和0 0 1 8 0 ，w 轴、z 轴 和u 轴精度为o 0 0 1 m m 。其加工喷孔直径最小可达o 1 m m 。加工时采用电极旋转方式， 加工出的喷油孔圆度极好【2 】【2 引。 英国的a m c h e m 公司原是一家生产航空发动机的企业，在发现先进喷射柴油机技术 的巨大市场前景后，开始研制用于喷油嘴电火花加工的专用机床，此项技术获得了1 9 9 7 第1 章绪论 年的英国女王奖。最多可实现六轴联动数字控制，加工精度在2 5 p m 以内，且带有加工 过程中的质量控制分析系统和工件自动装夹系统【2 9 1 。 美 雪r a y c o n 公司的s h l 0 3 型电火花喷孔加工机床是与c u m m i n s 公司合作生产的，也 取得了不俗的业绩。该机床也有较高的加工性能和加工效率，其最d , s 子l 直径亦可达 d 0 1 m m ，精度为0 0 0 5 m m ，单孔加工时间为2 5 秒【3 们。 1 5 课题研究的目的及主要内容 微机械技术是近十几年来新出现的- n 技术，它对现代科技的影响将超过过去晶体 管的出现，堪称为跨时代的技术。从目前的情况来看，由于微细电火花加工技术具有电 极制造简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，它已经成为微机械制造领 域的一个重要组成部分，在制造业中得到了广泛的应用。微细电火花加工的研究己成为 整个微型机械制造领域的一个非常重要的方向，具有重大的理论意义和实际应用前景， 受到了国内外的广泛重视。 我国加工微细轴、微细孔零件的极限尺寸水平已接近于世界先进水平，但是在微细 电火花加工技术转化为实际生产力( 即产品化和商业化) 方面则远远落后于日本与欧 美。前面提到的日本松下精机的产品售价可达2 0 万美元，且对中国禁运，因此，研究 具有自主知识产权的微细电火花核心技术并加速产业化进程对中国的制造业具有重大 的现实意义和战略意义。 综观国内外微细电火花加工伺服进给系统及加工装置的研究现状，不难发现国内的 研究离实际应用上存在很大距离，同时也具有巨大的潜力。本文基于宏微复合进给的原 理，设计一台高精度、高效率并重的微细电火花机床，并将设计的重点放在对微细电火 花伺服进给系统的设计上。 本文主要的研究内容是电火花喷孔加工机床的研制。首先对电火花加工的原理、特 点及应用有较深刻的理解，对喷油孔加工工艺、喷油孔的参数对柴油机性能的影响等有 一定的研究，对机床的整体设计、输入输出能做到很好的控制。还要对微细电极的夹持 机构、伺服电机的驱动方式、p c 机与运动控制卡的u s b 接口通讯、与p l c 的r s 2 3 2 接口通讯、电气系统的抗干扰技术、w i n d o w s 应用程序的开发等进行研究。总结以上， 其中的具体的工作内容如下： ( 1 ) 总结前人在微细孔电火花加工中的成果和不足，归纳微细孔电火花加工的特点 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和工艺规律，划分了微细孔电火花加工机床系统的各个功能部件，确定了机床的设计要 求。 ( 2 ) 根据电火花加工机床的设计要求，确定机床系统的总体设计方案。 ( 3 ) 设计适合微细孔电火花加工的电极夹持机构。夹持机构是电火花加工机构的一 个核心部件，此机构的好坏直接影响到电火花加工的效率。本文设计了v 型夹持机构以 及一种新型的夹持机构。 ( 4 ) 设计电火花加工机床的伺服控制系统。针对目前存在的电火花加工间隙控制方 法，提出适合本机床的控制方法，并进行实验。 ( 5 ) 设计此机床相应的专用数控系统，包括p c 机和运动控制的接口，编写上下位 机程序，上位机程序是用户的操作界面，对加工过程中的一些同步参数进行显示；下位 机程序负责机床的实时处理任务。 ( 6 ) 进行加工试验，总结出一些电火花加工的影响因素以及对喷油孔一些参数的影 响。 ( 7 ) 利用电火花喷孔加工机床，进行电火花加工实验，同时研究电火花加工的部分 工艺参数。 第2 章徽细喷油孔电火花加i 机床诬件鲒构及仿真 第2 章微细喷油孔电火花加工机床硬件结构及仿真分析 2 1 微细电火花加工机床硬件结构设计 微细喷油孔电火花加工机床机械部分组成如图2 - 1 所示 田2 - 1 电火花加工机床机械部分组成 n 睁it h e m e c h a n i c t ls t r u c t u r e o f t h e e d m i n f t c h i f l e w o t 圈2 - 2 垂直时的机床三维图 f i 9 2 - 2 v e r t i c a l t h r e e - d j m e n t i o n o f t h e