CN106363306A - 一种喷油嘴喷孔的加工方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷油嘴喷孔加工***和方法，包括：激光器和旋光装置；激光器用于发射脉冲激光；旋光装置包括共旋转轴设置的棱镜组和聚焦镜；旋光装置的旋转轴与脉冲激光的光轴同轴；棱镜组用于使脉冲激光相对于光轴发生偏转和/或位移；聚焦镜用于将脉冲激光聚焦在待加工材料的表面；其中，旋光装置绕旋转轴旋转，使形成的聚焦光斑在待加工材料的表面作圆周运动。本发明实施例提供的技术方案，为高质量高效率加工喷油嘴喷孔提供了一种新的思路，可加工出孔径、锥度可变的孔型，可以设计加工出倒锥形高质量孔，以提高喷油嘴喷孔的雾化效果。

Description

一种喷油嘴喷孔的加工方法及***

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种喷油嘴喷孔的加工方法及***。

背景技术

随着全球环保呼声的越来越高，机动车尾气排放标准越来越严格。自2005年起，欧洲已开始实施欧IV标准，2008年全面实施欧V标准。2006年，欧盟又制定了欧Ⅵ标准，预计在2014年开始执行。我国计划在2007年和2010年分别实施国家第三、四阶段机动车排放标准(相当于欧III和欧IV标准)，北京、上海等大城市于2005年12月30日执行国家第三阶段标准。这些标准对机动车尾气中的氮氧化合物和颗粒物等的含量作了越来越严格的要求。

发动机作为机动车辆的核心部件，对尾气排放起着决定性作用。在发动机中，柴油发动机具有低油耗、强动力、耐用性、高热效率等特点，使它在各类发动机中所占的比重呈逐年上升趋势。对于柴油发动机，燃油喷射***性能的高低直接影响着柴油机性能的高低和尾气中有害物质成分的多少。作为燃油喷射***的重要组成部分，喷油嘴喷孔的尺寸、形状、入口圆角和内表面形貌对喷孔的流量系数、喷雾射程、雾滴的直径均匀性和燃油与空气混合的均匀性有着非常显著的影响。

当前，国外多家主要的喷油嘴生产厂家生产的满足欧Ⅳ标准的喷孔直径范围在100μm到200μm之间，所采用的喷孔燃油进出口的直径之差在0μm到30μm之间，通孔深度为1到2mm之间。由于柴油发动机喷油嘴材料多为不锈钢(如18CrNi8)。发动喷油孔的制造具有以下趋势：1)孔径微细化：传统喷孔孔径在0.2mm，现在超多喷孔的孔径0.09mm甚至更小。2)品质要求不断推向新的极端：微孔尺寸、形状、定位精度、圆度、锥度、深径比、位置精度、腔内加工残留物以及内外表面粗糙度等参数的要求都很高，小孔加工热影响区、可靠性、寿命、能量密度、重复性、均匀性的要求在不断提高；3)高效率：不同发动机的喷油嘴，孔型和孔位置不确定，需要在每个喷嘴上加工六到十几个个孔，这些孔加工过程中如何保证效率是量产的关键。

针对这些挑战，传统的喷孔的制造方式在加工精度以及加工效率上都难以适应这种要求，实施起来十分困难，有的甚至无法加工。而目前，国内用于喷油嘴喷孔加工方法有：手工钻削；数控三轴钻床钻喷孔；电火花喷孔机床加工喷孔。手工转孔，精度低、效率低，无法进行多喷孔加工。数控三轴钻床钻喷孔和手工转孔方法无法加工倒锥度孔。电火花加工把喷油孔加工提高到一个新的水平，孔径尺度和精度大大提高，但是其精度受电极丝，去离子水、放电程序的影响，效率受到制约。另外，用传统加工方法加工的喷孔还需要后续加工，如喷孔挤压研磨工艺和电解去压力室喷孔毛刺工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效率高品质的喷油嘴喷孔加工***。

为此目的，本发明实施例提供了一种喷油嘴喷孔加工***，该***包括：激光器和旋光装置；所述激光器用于发射脉冲激光；所述旋光装置包括共旋转轴设置的棱镜组和聚焦镜；所述旋光装置的旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；

所述棱镜组用于使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转和/或位移；

所述聚焦镜用于将经过所述棱镜组的脉冲激光聚焦在待加工材料的表面；

其中，所述旋光装置绕所述旋转轴旋转，使形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

优选的，所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔和第二光楔，所述脉冲激光从所述第一光楔的主截面进入所述第一光楔，穿过所述第一光楔和第二光楔，从所述第二光楔的主截面射出；

其中，所述第一光楔和所述第二光楔设置为通过改变所述第一光楔和第二光楔之间的相对距离使所述脉冲激光相对所述光轴发生位移。

优选的，所述棱镜组还包括第三光楔和第四光楔；所述脉冲激光从所述第二光楔的主截面射出后穿过所述第三光楔，从所述第三光楔的主截面射出，并从所述第四光楔的主截面进入所述第四光楔，并穿过所述第四光楔后射出；

其中，所述第三光楔和所述第四光楔设置为通过改变所述第三光楔和第四光楔之间的相对角度使所述脉冲激光相对所述光轴发生偏转。

优选的，所述激光器的输出端设置有光闸；所述光闸的输出端设置有第一反射镜；所述第一反射镜的输出端衔接有扩束镜；所述扩束镜的输出端衔接有第二反射镜；所述第二反射镜的输出端衔接所述旋光装置。

优选的，所述激光器为皮秒绿光脉冲激光器。

优选的，该***还包括：吹气装置；所述充气装置用于向所述待加工材料的表面吹压缩空气。

本发明实施例还提供了一种采用上述任意一种所述的喷油嘴喷孔加工***进行喷油嘴喷孔加工的方法，该方法包括：

通过所述激光器发射脉冲激光；

通过所述棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转和/或位移；

通过所述聚焦镜将经过所述棱镜组的脉冲激光聚焦在待加工材料的表面；其中，形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

优选的，所述通过棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生位移，具体包括：

所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔和第二光楔，所述脉冲激光从所述第一光楔的主截面进入所述第一光楔，穿过所述第一光楔和第二光楔，从所述第二光楔的主截面射出；

通过改变所述第一光楔和第二光楔之间的相对距离使所述脉冲激光相对所述光轴发生位移。

优选的，所述通过棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转，具体包括：

所述棱镜组还包括第三光楔和第四光楔；所述脉冲激光从所述第二光楔的主截面射出后穿过所述第三光楔，从所述第三光楔的主截面射出，并从所述第四光楔的主截面进入所述第四光楔，并穿过所述第四光楔后射出；

通过改变所述第三光楔和第四光楔之间的相对角度使所述脉冲激光相对所述光轴发生偏转。

优选的，该方法还包括：

通过依次设置的光闸、第一反射镜、扩束镜、第二反射镜，将所述激光器发射的脉冲激光射入所述旋光装置。

本发明实施例提供的喷油嘴喷孔加工***和方法，为高质量高效率加工喷油嘴喷孔提供了一种新的思路，通过旋光装置内的棱镜组使脉冲激光相对于光轴发生偏转和/或位移，可加工出孔径、锥度可变的孔型，并且旋转装置绕光轴旋转进而实现了旋切打孔，可以设计加工出倒锥形高质量孔，以提高喷油嘴喷孔的雾化效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种喷油嘴喷孔加工***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋光装置的结构示意图；

图3A-图3D为加工出不同孔型的喷油嘴喷孔的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种喷油嘴喷孔加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种喷油嘴喷孔加工***，该***包括：激光器1和旋光装置6；所述激光器用于发射脉冲激光11；所述旋光装置6包括共旋转轴设置的棱镜组和聚焦镜65；所述旋光装置6的旋转轴与所述脉冲激光11的光轴同轴；

所述棱镜组用于使所述脉冲激光11相对于所述光轴发生偏转和/或位移；所述聚焦镜65用于将经过所述棱镜组的脉冲激光11聚焦在待加工材料的表面；其中，所述旋光装置6绕所述旋转轴旋转，使形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

具体的，所述激光器1可以为皮秒绿光脉冲激光器。皮秒绿光脉冲激光器输出波长为532nm绿色超短脉冲激光束，金属物质对于此波段的光束具有较高的吸收率，从而使聚焦光斑处能量得到充分利用，可减少加工时的热效应。激光的脉冲宽度为皮秒级，其单脉冲功率是纳秒脉冲功率的1000倍，加工材料时接近冷加工，材料直接被气化而不经过熔融态，所以加工出的微孔表面飞溅残留物少，热影响区小，几乎没有重铸层形成，从而使小孔边缘光滑，内壁无毛刺等残留，是一种兼具加工效率和加工质量的应用激光。

如图1所示，激光器1的输出端设置有光闸2；所述光闸2的输出端设置有第一反射镜3；所述第一反射镜3的输出端衔接有扩束镜4；所述扩束镜4的输出端衔接有第二反射镜5；所述第二反射镜5的输出端衔接所述旋光装置6。光路传输中光闸2起到激光通断的外部控制，不处于加工状态时可对激光进行阻拦，也起到一定的保护作用，防止操作人员受到意外伤害。扩束镜4的放大倍率从3～10倍可调，其作用是将激光光束的直径扩大并进行准直，使出射光束的平行度更佳，有利于将光束在后续的***中进行聚焦。反射镜主要起到光路偏转的作用，反射镜与扩束镜4之间的距离没有特定的限制，但是其位置在机械设计时镜片的中心尽量保持水平一致或是垂直一致(图1中光路转角为直角)，以方便光路的调节。

具体的，脉冲激光11从激光器1辐射出来，经过光闸2和第一反射镜3，在经过扩束镜4矫正后获得准直均匀的光束，经过第二反射镜5反射后进入旋光装置6内，再由旋光装置6内的聚焦镜65将光束聚焦，作用到被加工材料上，打孔时激光焦点位于被材料表面，并随着孔深的增加逐渐给进，通过调节被加工材料与旋光装置6的相对高度，可以使激光焦点始终处于被加工材料的表面。旋光装置6的旋转轴与光轴同轴，加工时可以通过电机带动旋光装置6绕光轴旋转，使经过聚焦镜65聚焦的光斑绕光轴在被加工材料表面作高速圆周运动，形成激光环切。在加工过程中，通过实时调整旋光装置6内部的棱镜位置与角度，就可以使脉冲激光11相对于光轴发生偏转和/或位移，即可加工出孔径、锥度可变的孔型。

本发明实施例提供的喷油嘴喷孔加工***，为高质量高效率加工喷油嘴喷孔提供了一种新的思路，通过旋光装置内的棱镜组使脉冲激光相对于光轴发生偏转和/或位移，可加工出孔径、锥度可变的孔型，并且旋转装置绕光轴旋转进而实现了旋切打孔，可以设计加工出倒锥形高质量孔，以提高喷油嘴喷孔的雾化效果。

如图2所示，为了使所述脉冲激光11相对于光轴发生位移，在上述实施例的基础上，所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔61和第二光楔62，所述脉冲激光11从所述第一光楔61的主截面进入所述第一光楔61，穿过所述第一光楔61和第二光楔62，从所述第二光楔62的主截面射出；

其中，所述第一光楔61和所述第二光楔62设置为通过改变所述第一光楔61和第二光楔62之间的相对距离使所述脉冲激光11相对所述光轴发生位移。

具体的，通过调整第一光楔61和第二光楔62之间的距离，可以使经过第一光楔61和第二光楔62出射的光束相对光轴位移一定距离，而不改变激光光束与光轴之间的夹角，即不改变光束的传播方向，进而可以控制聚焦后激光的传播方向，间接控制激光打出孔的锥度。因此，通过调整第一光楔61和第二光楔62之间距离，可以控制喷油嘴喷孔的锥度。

如图2所示，为了使所述脉冲激光11相对于光轴发生位移和偏转，所述棱镜组还包括第三光楔63和第四光楔64；所述脉冲激光11从所述第二光楔62的主截面射出后穿过所述第三光楔63，从所述第三光楔63的主截面射出，并从所述第四光楔64的主截面进入所述第四光楔64，并穿过所述第四光楔64后射出；

其中，所述第三光楔63和所述第四光楔64设置为通过改变所述第三光楔63和第四光楔64之间的相对角度使所述脉冲激光11相对所述光轴发生偏转。

具体的，图2中所示第三光楔63和第四光楔64的主截面平行且异向设置，通过使第三光楔63(或第四光楔64)顺时针或逆时针水平旋转一定角度就可以改变第三光楔63和第四光楔64之间的相对角度，从而经过第三光楔63和第四光楔64的脉冲激光11相对光轴发生偏转，即与光轴之间的夹角发生变化，进而可以改变聚焦后焦点与光轴之间的距离，从而控制打出孔孔径的大小。即调整第三光楔63和第四光楔64的相对角度，可以改变打出孔的孔径的大小，可加工直径范围为数十到数百微米的喷孔。

如图3A-图3D所示，在具体加工过程中，实时调整第一光楔61和第二光楔62的距离以及第三光楔63和第四光楔64的相对角度，可以改变光束传播角度，从而加工出孔径、锥度可变的孔型。图3A-图3D中距离a即表示孔径(锥度图中未标示)。

需要说明的是，根据需要，可以仅设置第一光楔61和第二光楔62，通过改变第一光楔61和第二光楔62之间的距离，使脉冲激光11相对光轴发生位移，改变喷油嘴喷孔的锥度，从而形成孔径固定的锥度可变的喷孔。根据需要，也可以仅设置第三光楔63和第四光楔64，通过改变第三光楔63和第四光楔64的相对角度，使脉冲激光11相对光轴发生偏转，改变喷油嘴喷孔的孔径，从而形成锥度固定孔径可变的喷孔。为了可以同时控制孔径和锥度，则需同时设置第一光楔61、第二光楔62、第三光楔63和第四光楔64，使脉冲激光11相对光轴发生位移和偏转。

进一步的，为了及时去除材料表面的碎屑和蒸汽，以免影响后续的加工，本发明实施例提供的喷油嘴喷孔加工***还包括：吹气装置；所述充气装置用于向所述待加工材料的表面吹压缩空气，从而可以及时带走材料表面的碎屑和蒸汽。

另一方面，如图4所示，本发明实施例还提供了一种采用上述实施例提供的喷油嘴喷孔加工***进行喷油嘴喷孔加工的方法，该方法包括：

S1：通过所述激光器1发射脉冲激光11；

S2：通过所述棱镜组使所述脉冲激光11相对于所述光轴发生偏转和/或位移；

S3：通过所述聚焦镜65将经过所述棱镜组的脉冲激光11聚焦在待加工材料的表面；其中，形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

本发明实施例提供的喷油嘴喷孔加工方法，为高质量高效率加工喷油嘴喷孔提供了一种新的思路，通过旋光装置内的棱镜组使脉冲激光相对于光轴发生偏转和/或位移，可加工出孔径、锥度可变的孔型，并且聚焦光斑绕光轴旋转进而实现了旋切打孔，可以设计加工出倒锥形高质量孔，以提高喷油嘴喷孔的雾化效果。

进一步的，所述通过棱镜组使所述脉冲激光11相对于所述光轴发生位移，具体包括：

所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔61和第二光楔62，所述脉冲激光11从所述第一光楔61的主截面进入所述第一光楔61，穿过所述第一光楔61和第二光楔62，从所述第二光楔62的主截面射出；

通过改变所述第一光楔61和第二光楔62之间的相对距离使所述脉冲激光11相对所述光轴发生位移，从而可以改变喷油嘴喷孔的锥度。

进一步的，所述通过棱镜组使所述脉冲激光11相对于所述光轴发生偏转，具体包括：

所述棱镜组还包括第三光楔63和第四光楔64；所述脉冲激光11从所述第二光楔62的主截面射出后穿过所述第三光楔63，从所述第三光楔63的主截面射出，并从所述第四光楔64的主截面进入所述第四光楔64，并穿过所述第四光楔64后射出；

通过改变所述第三光楔63和第四光楔64之间的相对角度使所述脉冲激光11相对所述光轴发生偏转，从而可以改变喷油嘴喷孔的孔径。

进一步的，本发明实施例提供的喷油嘴喷孔加工的方法，还包括：

通过依次设置的光闸2、第一反射镜3、扩束镜4、第二反射镜5，将所述激光器1发射的脉冲激光11射入所述旋光装置6。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种喷油嘴喷孔加工***，其特征在于，包括：激光器和旋光装置；所述激光器用于发射脉冲激光；所述旋光装置包括共旋转轴设置的棱镜组和聚焦镜；所述旋光装置的旋转轴与所述脉冲激光的光轴同轴；

所述棱镜组用于使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转和/或位移；

所述聚焦镜用于将经过所述棱镜组的脉冲激光聚焦在待加工材料的表面；

其中，所述旋光装置绕所述旋转轴旋转，使形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔和第二光楔，所述脉冲激光从所述第一光楔的主截面进入所述第一光楔，穿过所述第一光楔和第二光楔，从所述第二光楔的主截面射出；

其中，所述第一光楔和所述第二光楔设置为通过改变所述第一光楔和第二光楔之间的相对距离使所述脉冲激光相对所述光轴发生位移。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述棱镜组还包括第三光楔和第四光楔；所述脉冲激光从所述第二光楔的主截面射出后穿过所述第三光楔，从所述第三光楔的主截面射出，并从所述第四光楔的主截面进入所述第四光楔，并穿过所述第四光楔后射出；

其中，所述第三光楔和所述第四光楔设置为通过改变所述第三光楔和第四光楔之间的相对角度使所述脉冲激光相对所述光轴发生偏转。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光器的输出端设置有光闸；所述光闸的输出端设置有第一反射镜；所述第一反射镜的输出端衔接有扩束镜；所述扩束镜的输出端衔接有第二反射镜；所述第二反射镜的输出端衔接所述旋光装置。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光器为皮秒绿光脉冲激光器。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：吹气装置；所述充气装置用于向所述待加工材料的表面吹压缩空气。

7.一种采用权利要求1-6任意一项所述的喷油嘴喷孔加工***进行喷油嘴喷孔加工的方法，其特征在于，该方法包括：

通过所述激光器发射脉冲激光；

通过所述棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转和/或位移；

通过所述聚焦镜将经过所述棱镜组的脉冲激光聚焦在待加工材料的表面；其中，形成的聚焦光斑在所述待加工材料的表面作圆周运动。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生位移，具体包括：

所述棱镜组包括主截面平行的第一光楔和第二光楔，所述脉冲激光从所述第一光楔的主截面进入所述第一光楔，穿过所述第一光楔和第二光楔，从所述第二光楔的主截面射出；

通过改变所述第一光楔和第二光楔之间的相对距离使所述脉冲激光相对所述光轴发生位移。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过棱镜组使所述脉冲激光相对于所述光轴发生偏转，具体包括：

所述棱镜组还包括第三光楔和第四光楔；所述脉冲激光从所述第二光楔的主截面射出后穿过所述第三光楔，从所述第三光楔的主截面射出，并从所述第四光楔的主截面进入所述第四光楔，并穿过所述第四光楔后射出；

通过改变所述第三光楔和第四光楔之间的相对角度使所述脉冲激光相对所述光轴发生偏转。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

通过依次设置的光闸、第一反射镜、扩束镜、第二反射镜，将所述激光器发射的脉冲激光射入所述旋光装置。