（机械工程专业论文）喷油嘴喷孔及压力室液体研磨技术的研究.pdf

上海交通大学工程硕士专业学位论文摘要 喷油嘴喷子l 及压力室液体研磨技术的研究 摘要 本文主要对长型多孔喷油嘴喷孔及压力室液体研磨技术进行了研究。 在不改变喷孔尺寸的情况下，通过理论分析、回归计算和实地试验，研究 了液体研磨技术对去除喷油嘴压力室和喷孔相贯处的毛刺、降低喷孔表面 粗糙度的机理和可行性，并通过柴油机性能试验验证其效果。研究内容包 括以下几部分。 1 进行去除喷油嘴压力室和喷孔相贯处的毛刺及降低喷孔表面粗糙度的 加工机理分析 研究分析了液体研磨技术的原理、液体研磨的压力、液体磨料的流动 情况及液体磨料中磨料粒的受力情况，通过分析，确认液体研磨技术对去 除喷油嘴毛刺，降低喷孔表面粗糙度是可行的。 2 液体研磨装置的建构和液体磨料的选配 利用液压系统和电器控制建造液体研磨装置。在不改变喷油嘴喷孔孔 径的前提下，通过对不同加工压力和加工时间的选择，达到提高喷油嘴流 量增加率的目的。通过磨料混合率对流量增加率影响的试验分析，了解两 种液体磨料1 1 0 1 和1 2 0 1 不同的切削性能。 3 喷油嘴液体研磨技术的相关工艺参数的试验研究 通过对比试验研究了液体研磨对喷油嘴流量的提高情况；保持加工压 力不变，改变加工时间进行流量对比试验，得出加工时间与喷油嘴流量增 加率的关系；保持加工时间不变，改变加工压力进行流量对比试验，得出 加工压力与喷油嘴流量增加率的关系；在此基础上，利用正交试验法对影 响喷油嘴流量增加率的四种工艺因素进行了试验分析；采用回归正交试验 1 上海交通大学工程硕士专业学位论文摘要 法对喷油嘴液体研磨加工工艺进行了优化设计，建立了喷油嘴流量增加率 与加工压力和加工时间间的数学模型。 4 喷油嘴液体研磨前后的柴油机性能对比试验，检验喷油嘴液体研磨加 工的实际效果 利用喷油嘴压力室喷孔视频检测仪观察喷油嘴液体研磨后的实际改 善情况；并通过喷油嘴液体研磨前后的柴油机性能对比试验，考察了液体 研磨后柴油机性能改善情况。 关键词：喷油嘴，流量增加率，液体研磨，回归正交试验 上海交通大学工程硕士专业学位论文 r e s e a r c ho ft h el i q u i d l a p p i n gt e c h n o l o g yf o r s p r a yo r 正i c ea n ds a ch o l eo fn o z z l e a b s t r a c t t h i sa r t i c l ew a sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h el i q u i d - l a p p i n gt e c h n o l o g yf o rs p r a y o r i f i c ea n ds a ch o l eo fl o n gs t e mm u l t i h o l en o z z l e w i t h o u te n l a r g i n gt h en o z z l eo r i f i c es i z e ， c o m b i n e dw i 血t h e o r e t i ca n a l y s i s ，r e g r e s s i v ec a l c u l a t i o na n dt e s tr e s e a r c ki tw a sf o u n do u t t h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo nd e b u r r i n gi n t e r s e c t i n ge d g eo fs a ch o l ea n ds p r a yo r i f i c e o fn o z z l ea n dd e c r e a s i n gs u r f a c er o u g h n e s so fs p r a yo r i f i c eb yr e s e a r c ho fl i q u i d - l a p p i n g t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ea l s op r o v i d e dp r o o fo f e x t r u d ee f f e c tb ye n g i n ep e r f o r m a n c ec o n t r a s t t e s t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rw e r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 a n a l y s i so fm a c h i n i n gt h e o r yo nd e b u r r i n gi n t e r s e c t i n ge d g eo fs a ch o l ea n ds p r a y o r i f i c eo f n o z z l ea n dd e c r e a s i n gs u r f a c er o u g h n e s so fs p r a yo r i f i c e a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fl i q u i d l a p p i n gt e c h n o l o g yw a sp e r f o r m e d ，i n c l u d i n g q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tp r e s s u r ei nt h en o z z l e ，f l o wa n a l y s i so fl i q u i da b r a s i v e ，a n d a b r a s i v eg r a i ns t r e s s e da n a l y s i si nt h en o z z l e b a s e do nt h ea n a l y s i s ，i tw a sr e v e a l e dt h a t l i q u i de x t r u d el a p p i n gt e c h n i q u ew a sp r a c t i c a b l et od e b u r ri n t e r s e c t i n ge d g eo f s a ch o l ea n d s p r a yo r i f i c eo fn o z z l ea n dd e c r e m er o u g h n e s so fs u r f a c eo fs p r a yo r i f i c e 2 e s t a b l i s h m e n to fl i q u i de x t r u d el a p p i n ge q u i p m e ma n ds e l e c t i o no fl i q u i da b r a s i v e l i q u i d l a p p i n ge q u i p m e mw a se s t a b l i s h e d 、析t l lh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i ca p p l i a n c e c o n t r 0 1 w i t h o mc h a n g i n gt h es p r a yo r i f i c ed i a m e t e r s ，t h ee q u i p m e n tc o u l di m p r o v et h ef l o w e n l a r g e m e n tr a t i oo fn o z z l eb yc h o o s i n gd i f f e r e n tm a c h i n i n gp r e s s u r e sa n dt i m e a c c o r d i n g 上海交通大学工程硕士专业学位论文 t ot e s to ni n f l u e n c eo fa b r a s i v em i x t u r er a t i oo i lf l o we n l a r g e m e n tr a t i o ，t h ed i f f e r e n c eo f m a c h i n i n gp r o p e r t i e so ft w ol i q u i da b r a s i v e s ，110 1a n d12 01 ，w a sr e v e a l e d 3 a n a l y s i so f r e l a t i v ep r o c e s sp a r a m e t e ro l ll i q u i d l a p p i n gt e c h n o l o g yo f n o z z l e o nt h eb a s i so ft h ef l o wc o n t r a s tt e s to fn o z z l e b e f o r ea n da f t e rp r o c e s s i n g ，i tw a s c o n c l u d e dt h a tt h ef l o wo fn o z z l ew a si m p r o v e da f t e rp r o c e s s i n g h o l d i n gw o r k i n gp r e s s u r e w h i l ea l t e r n a t i n gw o r k i n gt i m ey i e l d e dar e l a t i o n s h i pb e t w e e nw o r k i n gt i m ea n df l o w e n l a r g e m e n tr a t i o ；h o l d i n go fw o r k i n gt i m ew h i l ea l t e r n a t i n go fw o r k i n gp r e s s u r ey i e l d e da n i n t e r e s t i n gl i n kb e t w e e nw o r k i n gp r e s s u r ea n df l o we n l a r g e m e n tr a t i o b a s e do nt h e s e c o n c l u s i o n s ，f o u rf a c t o r st h a ti n f l u e n c e dn o z z l e sf l o we n l a r g e m e n tr a t i oc o u l db ea n a l y z e d b yo r t h o g o n a lt e s t r e g r e s s i o no r t h o g o n a lt e s tw a su s e dt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h e t e c h n i c a lp r o c e s so fe x t r u d el a p p i n gm a c h i n i n ga n ds e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e l ，b a s e do n t h ef l o we n l a r g e m e n tr a t i oa n dp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h 硼p r o c e s s i n gp r e s s u r ea n dt i m e 4 c o n t r a s te x p e r i m e n t so fe n g i n eb e t w e e nb e f o r ea n da f t e rp r o c e s s i n go nn o z z l e s ，a n d c o n f i r m a t i o no ft h ea c t u a le f f e c to no fe x t r u d el a p p i n gm a c h i n i n go nn o z z l e s t h ea c t u a li m p r o v e m e n t so fm a c h i n e dn o z z l ew e r eo b s e r v e db ys a ch o l ea n ds p r a y o r i f i c ev i d e of r e q u e n c yc h e c k i n gi n s t m m e m b yc o m p a r i n gt h ep r o p e r t i e so fe n g i n eb e t w e e n b e f o r ea n da f t e rp r o c e s s i n go nn o z z l e s ，i tw a ss h o w nt h a tt h ep r o p e r t i e so fd i e s e lm a c h i n e w a si m p r o v e da f t e rl i q u i d - l a p p i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：n o z z l e ，f l o wc n l a r g e m e mr a t i o ，l i q u i d - l a p p i n g ，r e g r e s s i o no r d a o g o n a l t e s t 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密日，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：励侈 日期：萨弓年垆月矽日 将溯签名：吴翳 日期：圳年月山目 1 壤斫圩 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 尔韦 日期：沙弓年尹月日 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章概述 第一章概述 1 1 喷油嘴喷孔的作用及其加工方法简介 1 1 1 喷孔几何因素对喷油嘴工作性能的影响 利用喷油泵使柴油产生高压，并通过喷油器喷成雾状的过程称为柴油的雾化，柴 油雾化后，可以大大地增加柴油颗粒的表面积，例如n 1 ：l m l 柴油，如果是球形直径为 1 2 4 m m ，其表面积为4 8 3 m m 2 ，如果雾化成直径1 0pm 的均匀油滴，则油滴总数将为2 9 9 1 0 7 ，表面积增加了3 1 0 倍。这样细小的油滴被喷到高温空气中去，不但提高了加热 速度，也增加了与空气接触机会，因此柴油能迅速气化和氧化，促进了可燃混合气的 形成和燃烧进程。 评价柴油的雾化质量，包括雾化细度和雾化的均匀程度。柴油的粒度越细越均匀， 表明柴油雾化质量越好，越有利于燃烧，高速直喷柴油机对喷雾质量有较高的要求， 特别对低涡流或无涡流的柴油机要求更高，平均油滴直径要求为l o 1 5um ，而对有涡 流的直喷柴油机则允许平均油滴直径要求为1 5 - - 2 5um 。 影响雾化粒度的因素有： ( 1 ) 减小喷孔直径，单位体积的燃油表面积增大，与空气产生更多的摩擦，使油滴变 小。 ( 2 ) 提高喷射压力，则喷出速度提高，燃油与空气摩擦增加，造成更强的紊流，油滴 变小。 ( 3 ) 提高燃烧室压力，增强燃油与空气间摩擦，油滴变小。 ( 4 ) 加强空气流动，提高燃油与空气相对速度，可以使油滴变小。 ( 5 ) 如果提高空气温度，由于空气粘度增加，油的表面张力减小，油滴变小。 ( 6 ) 喷孔长度和喷孔直径之比( l ：d ) 对油滴大小有影响，试验表明l ：d 4 时，油滴 最小。 ( 7 ) 喷孔与压力室间无毛刺，且喷孔与压力室相贯处形成园角，则喷油嘴流量系数高， 减小了柴油流动阻力，相应提高了喷射压力，使油滴初速度高，动量增大，贯穿深度 增加口1 ，油滴变小。 喷油嘴流量系数对燃油系统的喷射特性、喷油器的工作特性以及柴油机混合气的 形成、燃烧完善程度和颗粒排放都至关重要，而喷孔入口处的几何形状和表面粗糙度 所产生节流作用口1 是影响喷孔流量系数的重要因素，因此喷孔需要精密的制造和控制， 以达到最佳的流量系数。根据日本z e x e l 公司介绍h 1 ，喷孑l 流量系数与喷孔入口园角的 大小有关，锐角入口喷孔的流量系数为o 6 5 左右，随园角增大，流量系数将逐渐增加， 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 从0 6 5 可增至0 9 1 左右。为了保持流量不变，可以改变喷孔入口处园角，相应喷孔 直径随流量系数的增加而减小，以获得流速的增大和喷射压力的提高。大量试验证明， 喷油嘴喷孔经液体挤压研磨后，形成的喷孔进口圆角可减少喷孔进口处的压力损失嘀1 ， 增大喷孔中燃油的流通，在不增加喷油压力的前提下，可达到改善排放的效果。同时 加大喷孔进口处的圆角可以改善喷油孔截面内的流速分布。随着圆角加大，喷油孔截 面内上部流速将增加，以提高喷雾的扩散和雾化。 1 1 2 喷孔加工工艺现状 长型孔式喷油嘴喷孔流量系数对柴油机油耗、排放等性能的影响越来越被油泵油 嘴制造厂家和内燃机行业所重视。但限于资金和技术改造的不平衡，在油泵油嘴行业 里，目前对喷油嘴喷孔的加工依然存在三种加工方式。一种是用风动或变频高速台钻 直接在球头上打孔，即单轴钻削加工。针阀体装夹在专用钻模上，在风动台钻上用小 直径( 巾0 1 8 巾0 3 0 r a m ) 直柄麻花钻钻出喷孔。由于小直径麻花钻刚性差，机床精 度低，定位基准不准确，在针阀体的小球头上钻出的喷孔，其形位公差、孔径公差和 表面粗糙度的合格率较低，这种方式打出的喷孔质量较差，毛刺大，孔壁粗糙，流量 小，通常这种方式的喷孔流量系数只能达到0 5 - 0 5 5 ，由于针阀体向多孔、小孔径方 向发展，随着孔径的减小，钻头的刚性更差，而机床的转速最高也只能达到1 2 0 0 0 转 分，线速度只有1 3 8 米秒，钻头更易折断，加工后粗糙度更差。第二种方式是用鲁 南机床厂或瑞士p o s a l u x 公司的数控三轴钻床加工针阀体喷孔，这种工艺方式先加工 中心孔，再钻孔，最后再留0 0 2 r m 左右的余量扩孔。这种方式加工的喷孔较前一种加 工方式，喷孔的角度更准确，喷孔和压力室相贯处的毛刺较小，孔壁表面粗糙度也有 所改善，通常这种方式加工的喷油嘴喷孔流量系数约为o 6 左右。第三种方式是采用 瑞士p o s a l u x 公司的电火花喷孔钻床加工喷孔，与以前国内引进的美国雷康公司和英 国a m c h e m 公司的电火花机床相比较，由于这种机床的数控电火花系统和数控系统的精 度较高，加工用的电极丝都用无心磨床加工，电极丝的圆度很好，而且加工过程中电 极丝同时旋转，放电参数可编程。因此加工出的喷孔圆度，孔壁的粗糙度都较前两种 加工方法为好，流量系数可达到o 7 左右。但目前世界上先进加工工艺的喷油嘴流量系 数已达到0 8 左右。对于这三种加工工艺的喷油嘴要进一步改善其流量系数，国外普 遍采用液体挤压研磨的方法进行去毛刺和光整加工。 1 1 3 针阀体结构及其内部毛刺去除法和喷孔表面粗糙度降低法介绍 1 1 3 1d l l l 5 0 s 5 2 9 针阀体结构图及外形图 针阀体中有中孔、盛油槽、压力室和喷孔。其中中孔尺寸为由6 - 由6 0 3 r a m ，圆 度为o 0 0 0 5 m m 。喷孔尺寸为巾0 2 9 - 巾0 3 0 r a m ，压力室尺寸为巾0 9 5 - 巾1 0 5 m m 。喷 油嘴的外形如图i - i ，结构如图卜2 。 喷油嘴偶件在油泵油嘴行业中也称针阀偶件，喷油嘴体又称针阀体。 2 上海交通大学i 程硕士专业学位论文第一i 溉连 震 m ch ，l e 图卜2 针闰俸的结构 f i gi - 2s t r a e t u r eo f n o z z l eb o d y 1132 去除针阀体内部毛刺厦降低喷孔表面粗糙度的加工方法介绍 在针阀体压力室和喷孔去毛刺工艺方面，国内外采取了很多方法，比如超声波去 毛刺振动刮削去毛刺，电火花和电解去毛刺等，但收效甚微。 电解去除针阀体压力室与喷孔交界处的毛刺是采用电化学原理，利用金属在电解 液中作为介质，金属原子失去电子转变成离子，溶解在电解镀中，加工时以工件为阳 极，工具电极为阴极。在两极之间狭窄的间隙内强迫电解液通过，并在两极间施加直 流电流。由于电化学反应的作用，靠近电极导电端的工件毛刺及棱角处电流密度最高， 使此处毛刺易于去除，使锐边成为圆角。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章概述 电解去毛刺有下述特点：( 1 ) 采用电化学原理，适用于热处理后零件。( 2 ) 对零 件原有精度影响很小，适用于精加工后的零件。( 3 ) 加工时间较短，电极损耗极小。( 4 ) 选择性去除毛刺，适用形状复杂的深孔、交叉孔等难于去除毛刺的场所。缺点是在去 除针阀体毛刺的时候，电解的作用不能太强，因为压力室直径只有由l m m ，很难制造 出绝缘性能好，并能获得良好球头的阴极头，且电解液易破坏座面的粗糙度和形状， 甚至出现烧伤，同时对压力室进行加工，使压力室容积有所扩大。因此，不能将此工 序放在对成品) j 口- r 的工序上。 电火花加工针阎体压力室与喷孔交界处的毛刺盯1 是采用电物理过程，当旋转电极以 一定的电流沿工件轴向以恒定速度向半园底部进给时，用局部的瞬时高温作用使工件 表面层材料局部溶化和气化，以脱离工件表面，给以压力为1 m p a 的冷却介质，使脱落 的金属颗粒从工件与电极的间隙及喷孔流出，从而实现工件材料的蚀除加工。由于瞬 时高温热源多次作用，在工件的被加工表面形成厚度小于0 1 m m 的呈液态的电蚀过渡 层，该电蚀过渡层的硬度介于淬火硬度与未淬火的基体硬度之间，零件的强度能承受 高压冷却介质的冲击。在高压冷却介质流向喷孔时，将压力室与喷孔交界处冲击成钝 角，得到半径为0 0 1 - - - 0 0 5 m m 的园角，加工到底部时，由于电极头部已修成半园形状， 因此，喷油嘴压力室也成相应的半园形状。其缺点也是加工质量难以保证。 机械振动刮削去除毛刺，是利用导杆与喷油嘴之间的相对运动来达到去除喷油嘴 压力室与喷孔交界处毛刺的目的。在导杆上电镀立方氮化硼，园盘周边插上导杆，把 喷油嘴套在导杆上，园盘做旋转运动，导杆做上下振动，从而产生导杆与喷油嘴之间 的相对运动，通过磨擦和碰撞以去除压力室与喷孔交界处的较大的毛刺，缺点是去除 毛刺的均匀性较差，不能形成园角和降低喷孔孔壁的表面粗糙度。 超声波电解去除毛刺是利用工具将超声波能量传递到压力室和喷孔部分，再引入 电解的原理，辅以弱电解的功能。缺点是电解的作用不能太强，不能将此工序放在对 成品加工的工序上。 1 2 课题背景介绍及国内外现状分析 在柴油机性能试验中，喷油器总成的优劣对柴油机的烟度、噪音、排放等都有很 大的影响。随着中国加入世贸组织，对车用柴油机的排放提出了更高的要求，影响柴 油机排放的因素很多，其中喷油器总成是主要因素之一，而喷油器总成中关键零件是 喷油嘴偶件，其中流量是油嘴的主要参数，取决于喷孔直径、喷油压力、柴油密度和 喷孔的流量系数。对于设计定型的喷油嘴偶件，理论上流量值可满足柴油机的性能要 求，而在实际生产中，由于制造工艺、刀具、加工设备等多种原因，使流量未达到产 品设计要求、且离散性大、对柴油机的经济性、动力性和排放指标有很大的影响。 影响喷油嘴流量的因素中，针阀体压力室和喷孔相贯处的毛刺及喷孔表面粗糙度 4 海交通学i 硕f 专业学血论支 是影响油嘴高压液体流量值的关键因素。在针阀体压力室和喷孔去毛刺工艺方面，国 内外采取了很多方法，比如超声波去毛刺，振动刮削去毛刺，电火花和电解去毛刺等， 但收效甚微。近期，随着磨料流加工技术的进一步发展，采用挤压研磨去除压力室及 喷孔相贯处毛刺，并降低喷孔的表面粗糙度提供了新思路、新途径。 国外油泵油嘴厂在喷油嘴偶件的设计和制造过程中，对各种喷油嘴偶件流量值的 大小对每台多缸柴油机的同组喷油嘴偶件流量的均匀性都规定了明确的指标。加 工过程中多次检查喷油嘴的高压液体流量值，对达不到要求的喷油嘴偶件，采用挤压 研磨进行加工至符合产品的设计要求。而国内，由于制造工艺，加工和测试设备等多 方面原因，喷油嘴高压液体流量的测量和试验尚未正式开展，只能通过选购具有加工 设备优势厂家的产品或进口油嘴来保证油嘴的流量，满足柴油机的性能要求。 通过对国外进口喷油嘴偶件的测试表明，国外产品的高压液体流量值分散度小， 偶件的流量系数太，同组偶件流量均匀一致。在对国内十六个油泵油嘴的主要生产厂 家的多种油嘴的高压液体流量值的摸底检查中，大多数厂家的喷油嘴偶件的流量散差 在2 0 左右。如果要求流量散差控制在5 以内时，只有两个厂家的两种产品合格率 达到9 0 以上，大部分厂家的产品合格率只有5 0 7 0 。截止2 0 0 1 年底，我国长型孔 式喷油嘴偶件产量己达到每年2 6 0 0 多万副，绝大多数不做高压液体流量检测，生产厂 家对本厂产品的流量状况不甚了解，因此急需增加一道提高喷油嘴偶件流量值的工序 来保证喷油嘴的流量值，控制流量散差，开发用于此工序的设备己成燃眉之急。 下面通过对1 0 0 个d l l l 5 0 s 5 2 9 喷油嘴进行高压流量测量，得出喷油嘴的流量分散 度如表卜1 ，图卜3 中标注流量为平均流量，略去最大和最小流量值。 表卜1 喷油嘴高压流量统计表 数量流量值( l m i n ) 2 l5 3 l5 8 17 16 5 3 0 2 518 0 8 18 8 4 图卜3 喷油嘴流量分散度 f i 9 1 - 3 f l o wd i s p e r s i o n d e g r e eo fn o z z l e 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 国外主要喷油嘴偶件生产厂家，例如：日本z e x e l 、德国的b o s c h 等公司在生产工 艺中己采用美国挤压研磨公司或d y n a t i c 公司的液体挤压珩磨新技术，以降低喷孔的 粗糙度，减少喷孔进口处的压力损失，增大喷油孔燃油的流速，在不增加喷孔压力的 前提下，提高喷油嘴的流量系数，达到改善氮氧化物和颗粒排放。并以此为喷油嘴生 产工艺中的关键技术。从目前资料分析，此类设备主要有两种。一种是美国挤压研磨 公司生产的7 7 型挤压珩磨机。这种设备工作压力为0 7 m p a l o m p a 可调，磨料缸直径 为8 2 5 m m ，使用半固态尼龙聚合物磨料，主要技术指标如表i - 2 ：设备报价为1 2 1 5 万美圆，每公斤磨料8 0 - - 1 0 0 美圆，使用此设备加工针阀体喷孔和压力室毛刺，单件 成本一美圆左右。另一种是美国d y n e t i c s 公司研制的设备，这家公司主要介绍两种类 型的设备。一种是具有两个加工工位，可同时工作，工作压力为0 3 5 m p a - - - 7 m p a ，通常 工作压力为2 8 m p a ，介质温度控制在2 5 2 ，此种设备采用一种低粘度的环烷矿 物油和具有流变的添加剂加以不同颗粒的磨料混合而成。介质能使磨料均匀地分布在 环烷矿物油机体内，高剪切率时，研磨剂能类似柴油一样地高速流动，每台报价2 0 万 美圆。另一种是专门设计为喷油嘴喷孔去毛刺用的自适应专用设备。机床为多工位布 置，安排有流量测量，挤压研磨，吹风清洗，研磨检测，自动分选等工位。根据检测 的流量值来确定研磨量的大小，自动加工，这种设备每台报价6 0 万美圆，研磨剂每公 斤2 0 0 美圆，加工节拍3 0 - - - 4 0 s 件，经测算此种设备加工单件成本约2 - 2 5 美圆。目 前国内尚没有油泵油嘴厂家引进上述进口设备用于喷孔和压力室去毛刺。 表卜2 美国挤压研磨公司生产的7 7 型挤压珩磨机主要技术指标 项目技术指标 机床开启高度 2 1 0 m m 机床工作压力 0 7 m p a 1 0 3 m p a 机床工作宽度3 7 5 衄 机床重量9 5 0 k g 液压动力机重量 1 6 0 k g 压缩空气压力5 k g c m 2 1 3 本课题的意义 通过对国内油泵厂喷油嘴高压流量的试验研究，国内喷油嘴偶件流量分散度大， 流量系数小，与国外同类产品有较大的差距，影响了柴油机性能。这也是目前一些柴 油机配套喷油嘴依赖进口的重要原因之一。由于目前国内还没有喷油嘴液体挤压研磨 6 上海交通大学工程硕士专业学位论文第一章概述 设备，国际上同类设备售价约2 0 万美圆每台，若现在自行研制该设备按每台2 0 万人 民币计，则每台可节约人民币1 6 0 万圆。如在行业中推广应用十台此种设备，则可节 约外汇2 0 0 万美圆，折合人民币1 6 0 0 万圆。国外同类研磨剂每公斤2 0 0 多美圆，现国 产研磨剂预计每公斤4 0 0 圆人民币，则每公斤研磨剂可节约1 2 0 0 圆人民币，以每台设 备每年用2 0 公斤磨料，则可节约外汇4 万美圆，折合人民币3 2 万圆。其直接经济效 益是十分可观的。通过该工序的加工使喷油嘴的流量合格率由现在的6 0 7 0 左右提 高到9 5 以上，流量值及流量系数的提高能更好地满足汽车、农用车、工程机械用柴 油机的油耗、烟度、排放等性能指标，同时提高国产喷油嘴偶件的生产水平，保证产 品的加工质量，缩小与国外产品的差距。因此，研究开发我国的喷油嘴液体研磨设备 和磨料己成为当务之急，以解决生产急需，填补国内喷油嘴去除压力室及喷孔相贯处 毛刺加工工艺的空白。因此推广使用挤压研磨新技术，提高喷油嘴的液体流量系数， 对提高经济效益，提高柴油机性能，减少环境污染以及减少喷油嘴进口，节约外汇等 也都具有很大的经济效益和社会效益。 1 4 课题研究的技术路线和需要达到的目标 1 4 1 技术路线 通过分析喷油嘴的高压流量分散度对柴油机性能及排放的影响，明确改善喷油嘴 高压流量分散度以及提高喷油嘴流量系数的重要性，同时提出降低喷油嘴高压流量分 散度的途径。通过对液体挤压研磨加工方法的研究，确认此方法对去除针阀体压力室 和喷孔相贯处的毛刺及降低喷孔表面粗糙度的适用性。以液压系统为基础建造挤压研 磨装置。通过对针阀体挤压研磨前后的高压流量进行试验分析，找出影响喷油嘴高压 流量的重要因素，达到提高喷油嘴流量系数的目的。运用正交试验法分析在挤压研磨 加工过程中影响流量的主次因素，通过回归分析给出针阀体流量增加率与压力和时间 相互关系的数学模型，用于指导生产。最后对挤压研磨加工后的喷油嘴进行柴油机装 机试验，以检验挤压研磨的加工效果。 1 4 2 研究目标 研究目标为：开发一种用于去除喷油嘴喷孔和压力室相贯处毛刺及降低喷孔表面 粗糙度的简易的、用作原理性试验的液体挤压研磨装置。通过正确选择液体挤压研磨 工艺技术参数，使用这种装置加工后的喷油嘴偶件的流量值在原来基础上提高1 0 , - - - 3 0 。运用正交试验法分析在挤压研磨加工过程中影响挤压研磨加工的主次因素。采用 正交回归试验对针阀体液体研磨加工工艺进行了优化设计，建立了针阀体流量增加率 与加工压力和加工时间等工艺参数间的数学模型，为合理制定挤压研磨加工工艺提供 依据。 7 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章去除针阀体内部毛刺及降低喷孔表面粗糙度的加工机理分析 第二章去除针阀体内部毛刺及降低喷孔表面粗糙度 的加工机理分析 引言 液体挤压研磨加工是将磨料和粘弹性高分子介质混合而成的粘性磨料，以一定的 压力强迫通过被加工表面，利用磨料颗粒的刮削作用达到去除工件被加工表面存在的 毛刺和降低工件表面粗糙度的工艺方法，是一种表面加工技术。适用于各种复杂表面、 交叉孔等的去毛刺、倒园、抛光嘲，特别适用于那些工具难以进入的内部孔道的加工， 例如去除喷油嘴体压力室和喷孔相贯处的毛刺及降低喷孔表面粗糙度n 们。 2 1 挤压研磨加工的特点 挤压研磨加工技术n 1 是近2 0 年发展起来的，它采用粘弹性高分子介质和磨料混合 而成的粘性磨料，加以一定的压力强迫通过被加工表面，利用磨料颗粒的刮削作用达 到去除工件被加工表面存在的毛刺，以降低工件表面粗糙度的工艺方法。 加工特点n 副： ( 1 ) 由于粘性磨料具有流体的某些性质，如可以流动，因此它可以适用于各种形状复 杂的加工表面、交叉孔等的去毛刺、倒园、抛光，特别是那些工具难以进入的内部通 道抛光、倒园角和去毛刺工序。 ( 2 ) 磨料在加工过程中采用的方式是刮削和研磨，去除材料量很小，加工时均匀性较 好，故不破坏零件原有的形状精度，可得到较高的尺寸精度。 ( 3 ) 应用广泛，几乎可加工所有的金属材料，也可以加工部分非金属材料。 ( 4 ) 挤压研磨加工的生产效率较高，可以在较短时间内完成加工，且可以同时完成两 种以上功能的加工，如去毛刺、倒园，消除机加工应力，降低表面粗糙度等。 挤压研磨加工中使用的粘性磨料为一种非牛顿液体。牛顿液体是一种具有常粘度 n 。的液体，这种流体的本构方程可写作：t = 2r t 。d( 2 1 ) 其中t 一一偏应力张量d 一一应变率张量 r l 。一粘度 凡是流动性能不能用本构方程t - - 2r l 。d 来描述的流体称为非牛顿液体口羽。此种液 体的偏应力张量t 和应变率张量d 之间的关系是非线性的，具有记忆特性。既具有液 体的某些特性，又具有固体的某些特性。 2 2 挤压研磨加工针阀体内部毛刺及降低喷孑l 表面粗糙度的机理 2 2 1 挤压研磨加工针阀体的压力分析 通过对挤压研磨加工的理论分析和试验研究，阐述其对针阀体压力室及喷孔去毛 刺加工的可行性，分析磨料流在喷油嘴偶件里的运动情况，为了能够便于分析，取喷 8 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章去除针阎体内部毛刺及降低喷孔表面粗糙度的加工机理分析 油嘴通道内的一段磨料介质为分析对象，此时液体磨料流介质的流动类似于一个固体 塞的运动，如图2 - 1 所示。现对挤压研磨加工中所受的压力进行分析，在分析与计算 之前，先对某些因素作下列简化和假设： ( 1 ) 磨料介质满足连续介质特性，不考虑弹性效应，其密度p 为定值。 ( 2 ) 磨料介质为假塑性流体( 流变特性指数n 7 ，油 流从中孔流到压力室受阻收缩，并且为完全受阻，液流产生节流，使流量变小，流量 系数p 则表示流量节流损失的程度。对于柴油，根据目前国内针阀体加工的工艺水平， 其流过孔式喷油嘴喷孔时，流量系数通常约为0 6 0 7 左右。一定压力下的流量系数 u 取决于喷孔的表面粗糙度，喷孔孔口与压力室相贯处的毛刺及园角的状况。因此， 为获得比较高的燃油速度，加大喷孔进口处园角，改善喷孔孔壁的表面粗糙度，是提 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第四章喷油嘴液体挤压研磨技术的相关工艺参数的试验研究 高喷油嘴流量系数的最有效的方法。 表4 1 列出了1 2 个z c k l 5 4 s 4 3 2 a 针阀体加工前后的流量对比值。 通过流量分析，加工前： 平均流量q m = q i 1 2 = 2 5 9 7 6 1 2 = 2 1 6 4 7 流量偏差 6 上= ( q m a x q m ) q m = ( 2 3 4 8 - - 2 1 6 4 7 ) 2 1 6 4 7 = 8 5 6 小= ( q m i n q m ) q m = ( 1 9 5 6 - - 2 1 6 4 7 ) 2 1 6 4 7 = - - 9 6 r 取0 8 2f _ - 4 串0 0 1 6 2 = ：0 0 0 3 2 2 q m = 9 2 8f u = 2 9 8 5u 流量系数u = q m 2 9 8 5 = 2 1 “7 2 9 8 5 = 0 7 2 5 加工后： 平均流量q m = q i 1 2 = 3 0 8 7 7 1 2 = 2 5 7 3 1 流量偏差 6 上- ( q m a x q m ) q m = ( 2 6 8 5 - - 2 5 7 3 1 ) 2 5 7 3 1 = 4 3 6 小= ( q m i n q m ) q m = ( 2 4 5 1 - - 2 5 7 3 1 ) 2 5 7 3 1 = - - 4 7 流量系数 | l = q m 2 9 8 5 = 2 5 7 31 1 2 9 8 5 = 0 8 6 2 喷油嘴加工前与加工后相比，流量增加率= ( 2 。5 7 3 1 - - 2 1 6 4 7 ) 2 。1 6 4 7 = 1 8 9 从喷油嘴测试的平均流量和流量偏差情况来看，流量偏差均比加工前减少了一半， 与加工前喷油嘴相比，加工后喷油嘴的平均流量增加了1 8 9 。 表4 1z c k l 5 4 s 4 3 2 a 喷油嘴全部加工5 - 1 5 s 时间的流量增加量及流量增加率 针阀体流量1 m i n 零件编号流量增加量流量增加率 加工前加工后 12 0 1 12 4 7 90 4 6 82 3 2 7 21 9 5 6 2 4 5 10 4 9 52 5 3 1 32 1 5 92 5 3 50 3 7 61 7 4 2 42 0 7 9 2 5 4 60 4 6 72 2 4 6 52 2 9 32 5 8 20 2 8 9 1 2 6 62 3 4 8 2 6 2 20 2 7 41 1 6 7 72 1 8 6 2 5 90 4 0 41 8 4 8 82 0 4 32 6 1 3o 5 72 7 9 92 2 22 5 3 10 3 l l1 4 0 1 1 02 2 6 82 6 8 50 4 1 7 1 8 3 9 1 1 2 1 7 52 6 3 40 4 5 92 1 1 1 2 2 2 3 8 2 6 0 9 0 3 7 11 6 5 8 上海交通大学工程硕士专业学位论文第四章喷油嘴液体挤压研磨技术的相关工艺参数的试验研究 通过挤压研磨加工前后的流量对比试验，说明了挤压研磨加工对针阀体的流量增 加率的有效性。针阀体经挤压研磨后，流量得到了不同程度增加，流量系数得到了明 显提高，且流量分散度得到了的减小。 由图4 3 可以清楚的观察到，针阀体经加工后流量都有不同程度的增加，且流量 分散度得到了一定的减小。 图4 - 3z c k l 5 4 s 4 3 2 a 喷油嘴加工前后流量及流量分散度对比 f i g 4 3 f l o wa n df l o wd i s p e r s i o nd e g r e ec o n t r a s to fb e f o r ea n da f t e rp r o c e s s i n go fz c k l5 4 s 4 3 2 a n o z z l e 4 2 针阀体进行挤压研磨加工一一加工压力不变，改变加工时间的流量对比 试验 在影响喷油嘴流量增加率的因素中，选取其中加工压力和加工时间两种工艺参数 进行单因素试验，通过分别调整加工压力和加工时间，得出加工压力和加工时间分别 与喷油嘴流量增加率的关系。保持加工压力4 m p a 不变，加工时间分别取5 、8 、1 2 、 1 5 、2 0 、2 5 s ，对针阀体进行挤压研磨。数据见表4 2 ，图4 - 4 。试验在常温状态下进行， 针阀体的流量增加率随着：m - r 时间的增加而增大，由图4 - 4 所示，加工时间与流量增 加率在上述所取值范围内基本上成线性关系，当加工时间大于2 0 s 时，喷孔的孔径容 易被挤大。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第四章喷油嘴液体挤压研磨技术的相关工艺参数的试验研究 表4 - 2 恒加工压力4 m p a 变化时间对z c k l 5 4 s 4 3 2 a 针阀体液体挤压研磨试验数据 流量值流量值 加工时间 流量( 血) 流量 试件编号 ( 研磨前)( 研磨后) 平均值平均值 增加率 ( 峋( 1 m i q ) ( s ) ( 研磨前)( 研磨后) 11 9 3 22 0 5 5 21 9 2 51 9 9 451 9 2 51 9 9 73 7 3 1 9 1 91 9 4 2 41 9 1 22 0 4 6 51 8 9 92 0 1 78 1 9 1 22 0 4 26 8 61 9 2 62 0 6 3 7 1 8 7 92 0 1 8 81 8 9 92 1 1 91 21 8 9 12 1 1 61 1 9 91 8 9 52 2 1 2 1 02 0 7 92 4 5 7 1 l2 0 6 22 2 9 51 5 2 0 6 4 2 4 0 4 1 6 5 1 22 0 5 12 4 6 0 1 31 9 7 12 2 3 1 1 41 9 5 22 。6 3 4 2 0 1 9 3 9 52 4 4 2 32 5 9 1 51 9 1 92 4 0 9 1 61 9 1 6 2 4 9 5 1 71 8 6 82 。3 6 1 1 81 8 7 22 5 4 62 51 8 4 4 72 4 7 8