冷挤压精加工技术在燃油喷嘴微孔加工中的应用

吴建华 伍文锋 游 江 严丽丽

冷挤压精加工技术在燃油喷嘴微孔加工中的应用

吴建华 伍文锋 游 江 严丽丽

（成都航利航空科技有限责任公司，成都 611936）

微孔是燃油喷嘴中控制流量的关键特征，孔的圆度、孔口棱边以及孔壁的表面质量等均对喷嘴流量性能有较大影响。针对微小节流孔加工尺寸精度低、易形成锥度、孔壁光洁度低、孔口易破损、加工效率低等加工问题，在常规孔加工技术的基础上，提出了冷挤压加工工艺，采用了新设计的挤压刀和夹具，可显著提高制孔精度和质量，并形成新的加工流线。结果表明：燃油喷嘴油柱喷射顺直无飞溅，稳定性显著提高，流量公差明显缩小，同时也提高了生产效率。

微孔；冷挤压；燃油喷嘴

1 引言

燃烧室的燃烧性能对发动机性能至关重要，而燃油喷嘴的性能参数直接影响燃烧性能，燃油流量是燃油喷嘴最重要的性能参数之一。燃油喷嘴中的限流嘴、旋流器、节流塞等零件是控制流量的关键部件，这些关键部件控制流量的特征大部分都是微孔，孔的尺寸主要分布在0.3～1.0mm之间，加工难度较大。

目前，有约50种加工方法可用于加工微孔[1]，不同的方法各具特色，适用于不同的材料、精度、光洁度以及孔尺寸。常用方法有：机械加工、电火花加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。此外还有超声振动、超声旋转、超声电加工、超声电化学、超声激光加工等复合加工方法等[2]。虽然小孔加工技术在日新月异的科技发展中，新技术层出不穷，但在燃油喷嘴微孔加工方面依然存在不小的难度，主要是难以达到尺寸、形状精度以及表面质量要求，最终产品性能指标不符合使用要求。

探讨如何在航空发动机燃油喷嘴类产品中实现高效率、高精度、高质量和低成本加工微孔，选定某典型的民用航空发动机直射式燃油喷嘴，该系列产品节流孔尺寸主要分布在0.5～0.8mm，孔深6～9mm，长径比约为10，孔尺寸精度为0.004mm，孔口需保持锐边，材料为奥氏体不锈钢，小孔需满足流量要求，且油路轨迹在80mm内发散锥角≯3°。

2 喷嘴孔技术要求及试验现状

2.1 喷嘴流量试验中容易出现的问题

直射式燃油喷嘴的流量控制精度非常高，若不施加外力，其喷射状态是一条油柱。如喷射的油柱状态不稳定，则会影响到雾化质量，从而影响燃烧效果，严重的会影响整个发动机的正常工作[3]。常见不稳定的油柱状态主要呈发散、飞溅状（见图1）。

图1 喷射油柱图

在航空发动机零部件中，燃油喷嘴中流量和喷雾锥角计算的基本方法是基于最大流量原理法和动量方程法，通过经验结果的修正而得到的半经验半分析方法，既主要根据试验结果的归纳总结出的经验关系式计算[4]，在设计图纸中控制影响性能指标的特征。如流量的关键尺寸一般会同时标注以最终试验合格为准，也说明了产品制造与理论设计值有差距。燃油喷嘴小孔的加工质量和精度如达不到设计要求，则试验数据将不会稳定，操作工人在做流量试验时，不得不频繁使用各种方法调节流量，影响生产效率，且容易造成产品报废。

喷嘴产品流量性能试验的合格与否由多项因素综合决定，理论上如果关键尺寸所决定的关键因素保持稳定，则最终试验数据将会更稳定，试验合格率也会大大提高。

2.2 问题分析

影响燃油流量大小的关键因素有孔的尺寸、形位公差、表面质量以及孔口质量等，其中孔的尺寸和形位变化规律基本可通过计算分析获得，而表面质量和孔口质量基本上依靠试验。

在制造行业中，锐边尺寸定为最大0.05mm，根据数十万件产品的加工经验，经大量的试验数据统计分析，在一定范围内，流量随孔口倒棱尺寸的增大而增大，在0.04mm以内，流量的变化率较大，0.04mm以上，流量的变化趋于稳定，如图2所示。

图2 燃油流量与棱边尺寸变化曲线

不规则的孔口棱边及较低表面质量（见图3、图4）会对油液的流动造成汇集加速、阻滞、分割等多种影响，形成多股紊流，影响射流的稳定性。

图3 常用加工方式加工的小孔孔口

图4 常用加工方式加工的小孔孔壁

2.3 问题总结

加工小孔方法各具优缺点，取决于孔的直径、深度、产品材料和设备要求。不同的加工方法适用不同的材料、不同的精度、不同的光洁度和不同的小孔尺寸，并且都有一定的适用范围。

钻削加工方式不可避免在孔口形成不规则缺口，一般在高精密数控车床上加工0.3～1mm小孔时，容易出现钻头打飘、磨损较快或折断的现象；研磨加工时易加工为喇叭口，无法改善射流发散的趋势[5]，生产效率低、对操作技能要求高、经济效益不佳；电火花加工容易在孔壁上形成重熔层，表面光洁度差[6]，加工深孔则常出现锥孔，且加工速度慢，精度最高；激光加工孔表面光洁度差、易形成喇叭口、设备较贵；电解加工精度较低、易腐蚀机床和夹具、局限性较大；超声波加工效率偏低、工具易磨损，精度低；电子束和离子束更适合加工0.02～0.3mm的微孔，设备较贵；其他特种加工的复合加工方式设备总体昂贵、技术尚不十分成熟、有局限性[7]。

3 解决方案

由于航空发动机零件的特殊性，采用机械加工技术，如钻削、镗削、拉削、冲孔、磨削、铰孔、珩磨、研磨、挤压等工艺技术制孔时，在使用效果和应用范围上受到众多限制[8]。单一的方式带来相应的局限性，同样如只实施具有独特成型原理的特种加工工艺方法，则也会表现出特种加工的弊端。现在不同小孔加工技术的复合化成为一个发展趋势,取长补短[9]，将其组合起来实施加工，使用效果、加工质量、经济性会有较好的改观。

3.1 常用孔加工与冷挤压加工相结合

挤压过程是一个综合弹性变形和塑性变形的过程。在金属受外力由弹性变形过渡到塑性变形中，金属中受挤压晶粒变细变长，表面层形成冷硬层，强化了表面，增加了耐磨性和抗腐蚀性。微观上观测，产品表面形成新的加工流线，光洁度大大提高[10]。

表面冷挤压加工的塑性变形量一般比较小，3～6mm的塑性变形量为0.02～0.05mm之间，针对0.6～1.0mm的孔，变形层厚度最大0.15mm，除了要考虑工艺装置所允许的塑性变形量外，还必须将挤压次数和加工余量统一考虑，当塑性变形量确定后，挤压次数的选定和加工余量的分配便是决定挤压孔精度的关键，从理论上计算出最佳的参数比较困难。经长期积累的生产经验，反复验证后确定0.6～1.0mm的孔塑性变形量为0.005～0.015mm。

3.2 合理设计挤压用刀具

冷挤压刀具的工作环境较恶劣，承受轴向的高载荷及径向挤压力，所以刀具的设计需考虑降低挤压载荷。

加工常使用推挤方式，通常情况下挤压刀设计为图5所示的前端带导向锥面，工作部位是圆弧面，后端带后导向的结构。但所研究的冷挤压孔尺寸为0.6～1.0mm之间，且挤压余量约为0.005mm，复杂的微型刀具抗拉、压强度较低，且制造难度大，成本高。根据实际生产经验，化繁为简设计如图6所示结构，使用效果较佳。刀具材料选用高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5CrV2，淬火硬度为HRC62～66。为增强其耐磨性，根据实际生产需要，可做涂层，如TiN系列。

图5 常规挤压刀结构

图6 新设计挤压刀结构

3.3 选用优良的润滑剂

冷挤压过程中的伴随有强力摩擦，且持续操作则会在加工部位聚集大量的热量，刀具和产品受热膨胀，增大了挤压加工量，容易导致刀具折断和刀具与产品粘连。因此，必须选用润滑性好、渗透性强的润滑剂。经过多项试验验证，最终选用钛合金切削的乳化液，混合机油和四氯化碳制成润滑剂。相较不使用润滑剂，挤压过程中所受阻力明显降低20%～30%，且孔壁质量较好。

3.4 设计专用的装夹夹具

图7 专用装夹夹具

在冷挤压加工操作产品时，因被挤压孔属微孔，为防止偏侧力矩折断挤压刀,并便于固定，则需设计新夹具（见图7）。新夹具结构主要是将安装零件的夹具体与底座设计为使用润滑油分割的浮动结构，操作工人可以在2s以内精确找正待挤压小孔，最终实现更好的加工精度、更高加工效率和最低的操作难度。

4 试验验证

根据提出的技术方案，从工艺路线、刀具、工装、润滑剂等方面优化调整，并经技能培训。通过选用APS发动机系列直射式工作燃油喷嘴5种节流孔，以每批次50件开展了工艺试验，分别从加工质量和流量试验两个方面统计分析。

图8 冷挤压加工孔口

图9 冷挤压加工孔壁

加工质量方面，冷挤压后微孔的质量较好，使用高精度OGP光学投影仪测量孔圆度≯0.0017mm，孔口棱边尺寸≯0.02mm（见图8），孔壁光洁度由钻削形成的R1.6μm提升到R0.4μm，尤为重要的是形成了冷硬面，轴向加工流线清晰可见（见图9），产品在工作中的耐磨性大幅提高。

图10 喷射油柱图

流量试验方面，装配了经冷挤压节流孔的5项燃油喷嘴喷射效果良好，油柱顺直无飞溅（见图10）。统计流量试验数据见表1，数据表明流量分布值均明显缩小，平均减少39.39%，流量稳定性大幅提高。在生产实践中，为客户稳定提供数万件喷嘴产品，产品加工质量获得较好评价。

表1 5项燃油喷嘴流量试验数据

5 结束语

提出采用冷挤压加工工艺，以APS发动机系列直射式工作燃油喷嘴5种节流孔为研究对象，开展了工艺试验，试验结果表明应用冷挤压精加工技术在加工0.5～0.8mm，深径比10以内的燃油喷嘴微孔时，具有生产效率高、制孔尺寸精度高、制孔孔口外观质量好、所需刀具和夹具简单、设备要求低、操作技能易掌握等多个优点，尤其是形成了强化且呈流线状的孔壁表面，对燃油喷嘴的喷射性能有良好的提升作用，经数万件产品的交付验证，无加工质量问题。

1 艾冬梅，贾志新. 小孔加工技术发展现状[J]. 机械工程师，2000(1)：8～10

2 唐英，崔华胜，崔咏琴，等. 微小孔加工技术现状及发展趋势[J]. 新技术新工艺，2007(2)：52～54

3 侯凌云，侯晓春，等. 喷嘴技术手册[M]. 北京：中国石化出版社，2007

4 甘晓华. 航空燃气轮机燃油喷嘴技术[M]. 北京：国防工业出版社，2006

5 韩永红，王春雪. 喷油杆射流发散分析研究[J]. 航天制造技术，2013(6)：24～27

6 郭洪勤，裴景玉，李五一. 电火花加工微小孔的工艺研究[J]. 航天制造技术，2005(5)：107～111

7 徐庆仁. 航空制造工程手册-机载设备精密加工[M]. 北京：航空工业出版社，1996

8 王世清. 深孔加工技术[M]. 西安：西北工业大学出版社，2003

9 庞滔. 超精密加工技术[M]. 北京：国防工业出版社，2000

10 杨煜. 国内外冷挤压技术发展综述[J]. 锻压机械，2001(1)：3～5

Application of Cold Extrusion Finishing Technology in Micropore Machining of Fuel Nozzle

Wu Jianhua Wu Wenfeng You Jiang Yan Lili

(Chengdu HOLY Aviation Science & Technology Co., Ltd., Chengdu 611936)

Micropore is the key feature to control the flow in the fuel nozzle. The roundness, edge and surface quality of the hole wall all have a great influence on the fuel flow of the nozzle. Aiming at the processing problems of low dimensional accuracy, taper, low hole wall finish, orifice damage and low processing efficiency of micro orifice processing, based on the conventional hole processing technology, the cold extrusion processing technology is proposed, and the newly designed extrusion knife and fixture are adopted, which can significantly improve the hole making accuracy and quality, and form a new streamline. The results show that the fuel jet is straight without splash, the stability is significantly improved, the flow tolerance is significantly reduced, and the production efficiency is also improved.

micropore；cold extrusion；fuel nozzle

TG372

A

流体及动力机械教育部重点实验室开放基金（szjj2015-043）。

吴建华（1984），高级工程师，机械设计制造及其自动化专业；研究方向：发动机燃油喷嘴制造技术。

2021-09-01