在线测量挤压研磨机床在喷油嘴喷孔加工中的应用介绍

　　【编者按】喷油嘴偶件是柴油机燃油喷射系统中的重要组成部分，喷油嘴喷孔的几何尺寸是影响燃油系统性能的重要参数之一。目前，为了适应更高的排放法规要求，需要对加工后的流量精度进行控制，为此，有必要开发具备在线测量功能的液体挤压研磨机床。

　　液体挤压研磨技术能够改善喷孔的表面粗糙度，提高喷孔的燃油流速，增大喷孔的流量系数。因此，液体挤压研磨技术在喷油嘴喷孔加工中的应用十分普遍。
　　
　　课题介绍
　　
　　“精密数控喷油嘴喷孔液体挤压研磨机床的研制”课题旨在开发一种挤压研磨机床，它能够在对工件，尤其是喷油嘴、孔板等零件进行挤压研磨加工的同时，实现柴油当量流量的在线测量，并确保流量精度达到±1%。
　　
　　本课题自实施两年多来，已完成了机床床身结构、夹具、液压和气压系统的设计，以及电气系统搭建、系统功能调试和程序编制等工作，目前正在进行工艺试验，调整工艺参数和机床系统参数，以期进一步提高研后流量精度。
　　
　　在线测量挤压研磨机床在喷油嘴喷孔加工中的应用
　　
　　1.加工方法介绍
　　
　　在线测量挤压研磨机床能够在对工件进行挤压研磨加工的同时，实时测量加工过程中的当量柴油流量。
　　
　　在自动挤压研磨加工过程中，当达到用户设定的目标流量时，机床能自动终止加工过程。另外，该设备也可以进行定时加工或者定量加工。定时加工是指用户可以为某一个或者某一批零件设置恒定的加工时间，当加工时间到达时，自动停止加工过程，此方法适用于对目标流量精度要求不高（若加工前工件初始流量及孔形状况一致性较好，也能够得到较高的目标流量精度），但需要去除孔口毛刺、提高工件孔壁表面粗糙度以及整体提高孔口流速的加工要求。定量加工是指不论工件初始状况如何，都要求加工过程中通过孔口的磨料体积量保持一致。这种方法较适用于去除孔口毛刺和提高孔壁粗糙度，一般情况下，较难得到高的目标流量精度。

　　
　　在线测量功能的实现，实际上是在加工过程中，实时测量磨料的流量，以此根据一定的线性关系（此线性关系比例值与磨料、工况等有关）推算出工件的当量柴油流量。为此，需要机床在加工过程中，保证加工回路（磨料回路）出口端的压力恒定，并在此基础上，实时测量磨料的流速。当改变加工参数时，需要重新试加工，标定新的比例系数。
　　
　　2.影响在线测量结果的几个因素
　　
　　（1）压力。一般情况下，加工端压力能够直接显著影响磨料流速，在压力与流量的数学关系中，常有下述近似公式：

　　即流量的二次方与压力成线性关系，压力增大时，流量将增大；压力减小，流量将减小。
　　
　　此近似公式较好地反映了压力与流量的对应关系，尤其适用于静态状况（即压力保持恒定）。但在实际加工过程中，随着流量的不断增加，再加上机械系统各处的不均匀性，若不施以压力闭环控制，压力将会在一定范围内波动，这将引起流量更大范围的变化。为此，必须设置压力闭环模块，保证出口端压力的恒定。经试验发现，出口端压力精度控制在±3‰，响应时间控制在100ms以内能够有效提高测量精度。
　　
　　（2）温度。温度能够影响磨料的特性，改变切削性能。在针对温度的单因素挤压研磨加工试验中，设定同样的目标流量和比例系数，稳定加工工艺参数，得到表1中试验数据。

　　
　　由此可以看出，对于本试验所用磨料，加工温度越高，最终得到的流量值越小，并且在温度较低时，影响更为剧烈。因此，为尽量减小温度对最终精度的影响，有必要添加循环冷却模块，保证加工过程中温度基本一致。
　　
　　（3）工件。工件的材料和孔形以及被加工孔的形态都能直接影响测量精度。不同的材料拥有不同的特性，同一磨料对不同材料工件进行加工时，所产生的切削力不同。孔口的形状，例如圆度、圆柱度和毛刺状况都能给在线测量带来不确定因素或不稳定因素。另外，被加工孔的形态会影响磨料的实际流动特性，也会影响最终的测量精度。

　　
　　3.试加工报告
　　
　　经过多次对机床的调整和对工艺参数的优化，目前，对喷油嘴喷孔的挤压研磨加工，能将目标流量精度控制在±1％。试验报告数据见表2。

　　
　　由此可见，被加工喷油嘴（P818）的初始流量均值为0.973L/min，散差9.87％，挤研加工结束后，均值为1.149L/min，散差1.57%，其中，上偏差0.783%，下偏差0.783%，整体提高量18.07%。
　　
　　阶段性成果总结
　　
　　本课题自实施两年以来，已完成了样机搭建、机电联调工作，目前正在进行精度调整。主要阶段性成果如下：
　　
　　1.样机搭建
　　
　　机械部分主要包含整体框架、动力部分、气动部分、液压部分和电气控制部分，其中，关键部件磨料缸的设计和装配，经试验测试，密封性和同轴性良好。
　　
　　2.挤压研磨压力闭环控制
　　
　　针对压力对最终测量精度有显著影响的问题，设计了出口端压力PID调节，并在动力源和磨料缸端安装压力传感器，编制相关处理程序，缩短响应时间。目前，自动挤压研磨过程中，压力精度能达到±3‰，压力稳定时间3s。
　　
　　3.在线流量的测量
　　
　　在具备挤压研磨加工的同时，实时采集、分析磨料流量动态数据，并反馈到操作面板，达到设定值时自动终止加工。目前，目标流量精度控制在±1％。

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