Automobile Technology & Material
基于飞秒激光的喷油嘴喷孔加工技术研究……宋国民 周峰 吴欲龙 张丽敏Research on Machining Technology of Nozzle Hole Based on Femtosecond Laser …………………… Song Guomin, Zhou feng, Wu Yulong, Zhang Limin
摘要：介绍了飞秒激光加工技术原理，研究了飞秒激光在喷油嘴喷孔加工中的应用，重点分析不同填充材料在微小腔体环境下的激光对壁保护工艺。通过飞秒激光微孔加工工艺的研究，拓展了飞秒激光作为一种冷加工方法的应用范围，从而为发动机燃油喷射系统性能提升提供了可行的工艺路线。
关键词：飞秒 喷油嘴 对壁保护 燃油喷射中图分类号：TH162 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210030 DOI: 1 前言随着机动车排放法规的进一步加严，我国已
经向全世界承诺到2030年碳排放达峰值，其中发
动机领域将在2025年达到碳排放峰值。对发动机燃油系统而言，喷射压力和制造精度要求也将越
来越高，其中喷油嘴的制造是核心和难点，孔径缩
小（部分喷孔直径甚至接近0.1 mm）、孔数增多是喷孔未来的技术发展趋势。目前满足国六排放标准的油嘴喷孔基本技术要求如下。
a.喷油孔直径的尺寸精度为±0.002 mm。b.k 系数±0.5 μm，（k是以微米单位时喷孔入口直径与出口直径差值的十分之一）。其中喷孔制造的几何精度包括位置度、圆度、孔壁表面粗糙度等，同时喷孔相贯圆角要求也会1.0 mm越来越高，如针阀体球头半径在不超过 的
1.6 μm空间内要求表面粗超度Ra ，带倒锥系数
K的喷孔越来越广泛应用[1]。燃油喷射系统为提升性能，喷孔需有较高的流量系数，同时排放一致性对喷油嘴制造过程能力提出了更高要求。喷油嘴在成型、热处理、精加工后喷油嘴针阀体加工喷孔，并通过液体挤压研
磨制成成品，其中针阀体喷孔是喷油嘴偶件制造
的核心工序，直接关系到喷油嘴偶件性能好坏。目前就加工方法而言，常规微小喷孔采用电火花，即在被加工件和电极之间施加脉冲电压形成放电通道，放电区域瞬时的高温将材料熔化、烧蚀、蒸发，并持续循环，期间电极不断进给，形状最终复制在被加工件上，形成所需要的加工表面，这也是目前油泵油嘴行业普遍使用的加工方法。结合国家科技支撑计划项目，探索飞秒激光加工喷油嘴喷孔的工艺技术，特别是微小空间的激光对壁保护技术攻关，以拓展激光加工的工业应用领域范围。2 飞秒激光技术
飞秒（10-15秒，fs）激光技术是通过对材料作用
而产生瞬时热量，材料表面吸收热量并向内部快速传递，由于极短脉冲时间和超高峰值功率能实现材料相对意义的“冷加工”，而材料不产生烧蚀，有热影响区域小、精度高的特点，再配合合理的加工工艺，理论上可实现高温合金材料的无热影响区、无重铸层、无微裂纹等精密加工，飞秒激光加
1
所示[2-3]
工工艺原理如图 。
Charge Coupled Device，ccd）是
电荷耦合器（一种特殊的半导体器件，CCD
由许多完全一样的感光元件组成，每个感光元件为一像素，起到将光线转换成电信号的作用，其性能直接影响激光加工性能。
由于飞秒激光对材料没有特殊的选择性，加工需要的脉冲能量阈值低，这决定了加工的低功耗。目前飞秒激光叶片气膜孔加工在航空制造领域已成为研究热点，并且逐步形成了商业应用[2]。飞秒激光进行微小孔加工时，由于在加工方向一定范围内仍有足够的激光能量可造成材料去除，因此，对腔体结构进行微孔加工时，会发生激光加工表层材料后继续进行加工，从而造成对面壁材料损伤，因而，利用飞秒激光加工时对一定腔体距离下对面壁无损伤保护是喷油嘴喷孔加工技术的核心，也是影响喷油嘴喷孔加工质量的关键因素。本研究中的喷油嘴针阀体，由于喷油嘴偶件控制腔非常狭小，空间距离通常在毫米级别，实际激光喷孔加工的对壁保护技术研究非常关键，这将影响后续飞秒激光是否能够经济批量在喷油嘴喷孔制造中应用。3 飞秒激光喷油嘴喷孔加工
2、图3
喷油器喷油嘴结构如图 所示。主体有针阀体和针阀组成，其中喷油嘴头部喷孔是最终燃油的喷射出口，燃油经过该喷孔直接进入发动d2
机燃烧室。这里定义喷孔内部 为喷孔入口，外d1
部 为喷孔出口，喷孔直径、喷孔数量及周向分布根据发动机燃烧性能开发的要求确定，根据发动机燃烧匹配的要求，喷孔通常加工为入口大、出口小的锥度形状，锥度值通过系数K来定义。
3.1 试验设备
激光加工系统由激光器、机械工作台系统、光学聚焦、观察系统、电源供电系统和冷却系统等
Light Conversion
五大组成部分。本试验采用 公
PHAROS 20W
司 型号激光器，最大功率 ，波长
1 030 nm，脉冲宽度300 fs。
3.2 试验平板零件
激光飞秒加工微孔时，由于材料特性和要求各不相同，需对激光加工的工艺参数进行优化才
能达到理想的喷孔加工质量。为优化飞秒加工的工艺参数，经过对飞秒激光功率、单层扫描时间、单层进给量、孔径角、光束偏移量等参数进行优化
4 100
和调试，图 给出在平板上进行 个微孔加工的
1。从测量结果
直径测量结果，激光参数设置如表
5μm
可见，实际微孔加工直径的离散度在 范围内，通过激光加工工艺参数的调整可形成出口端孔径大于入口端的孔径，即形成一定的锥度K系
数，以满足发动机性能匹配的要求。
3.3 试验喷油嘴喷孔加工
试验零件为喷孔未加工的针阀体，材料为
18Crni8 Ф0.18 mm
，所需加工的喷孔孔径 ，加工厚
0.75 mm。试验前先对零件进行超声波清洗，去
度除零件表面及内部的杂质。通过调整平行光组、反光镜、聚光镜及波片来保证所加工孔的圆度及锥度，同时通过循环程序精确寻找激光的焦点位置，调整好的加工位置如
5
图 所示。5通过调整，选用了优化的激光参数。在 个针8
阀体上进行喷孔加工，每个针阀体上加工 个喷孔，然后检测每个喷孔的孔径尺寸、角度偏差、流6所
量、表面粗糙度等，加工的喷孔直径结果如图示。3.4 喷孔加工流量检测
Mycrona
喷油嘴喷孔内外孔径采用 复合式三
7
坐标测量机，如图 所示。喷油嘴喷孔流量检测采
Extrudetest 10 MPA，
用 高压流量试验台，测试压力
40±2 ℃，如图8
无背压，测试温度 所示，流量检测
9
结果如图 所示。其中，油嘴的流量系数定义如下。
= /Qt （1） μ Qr f
式中，Qr 为实际流量，Qt为理论流量。理流量计算如下。
Qt = ( π/4)× d 2 × i × ( 2ΔP/Ρ)1/2 （2）
0
为喷孔数，ΔP式中，d 为喷孔直径，i 为试验用固
0
定压力，ρ为流体密度。
9可见，10
从图 只喷油嘴流量与平均值的偏差范围满足±3%的要求，一致性可满足后续喷油器匹
配发动机性能开发的要求。
从实际测量结果可见，经过优化后的飞秒激光参数加工的喷油嘴喷孔孔径散差与平板加工的
微孔散差接近（±0.001 mm），高于电火花加工精度（±0.003 mm），同时飞秒激光单孔贯穿φ0.18 mm、