直径150μm的孔,1秒1个,超快激光加工技术的威力

2020-05-20 机械工程师

我们都知道发动机是汽车的核心,买车时无论懂不懂车都会很在意发动机的情况。而缸内直喷技术(GDI)就是被广泛应于汽油发动机领域的主流技术,你可以简单的将它理解为一种直接将燃油精准地喷入气缸内并与进气进行充分混合的技术。

那么,这种技术有什么好处呢?它与超快激光加工技术又有什么关系呢?

从上图我们可以看出,新一代缸内直喷(GDI)喷油器现在可以更有效地向气缸喷射燃油,以更少的燃油和更低的排放实现目标发动机性能。要做到这一点,我们必须在喷油嘴(见下图)上进行精确的钻孔,以控制燃油的液滴大小和喷射模式,并将其引导到能够以最大效率燃烧的位置。

这些微孔必须具有近乎完美的表面质量,且直径小于150微米。其长度、直径、位置、形状等加工质量又会直接影响喷油嘴的雾化性能、喷射压力、流量变化和燃烧性能,从而最终影响发动机的成本、动力性能和排放指标。为了达到成本效益,每个钻孔必须在几秒钟内完成并保证可靠的重复精度,这已远远超出传统机械钻孔技术的能力。

目前常见的喷油器喷孔加工方式主要包括机械钻孔、电火花打孔、飞秒超快激光微细打孔三种。

机械钻孔成本最高,由于钻小孔的刀具价格昂贵,加工过程中易磨损且刀具有断裂风险,直接影响喷孔一致性和产品良率,且耗材成本高。

电火花打孔虽然在加工小孔的尺寸上比机械钻孔稍灵活,但加工时间和光洁度表现均不如飞秒激光(见下方对比),同时我们还必须考虑到电极丝等耗材的成本以及工艺的稳定性。

以直径150 μm,深度 0.5 mm 的孔为例

而飞秒激光由于在加工过程中不产生热量,使得加工出的产品没有毛刺、热变形或重熔层,让我们获得更精确的加工结果和更优异的表面质量,从而实现最小的喷射流量变化。同时,清晰的锐边和高光洁度也能帮助减少孔壁焦化从而延长喷嘴寿命。

现在,随着国内外入排放标准的逐步升级,对于喷油嘴厂商及其OEM的挑战也越来越大。厂商们只能通过寻求并开发特殊而新颖的喷孔形状来试图达到要求。传统加工出的圆孔已经无法满足客户的需求,因此激光打孔在孔型加工的灵活性上的优势就愈发明显。

GF加工方案旗下的子品牌Microlution开创了全球第一个工业级超快激光微加工平台,只需简单装夹即可满足对于单个喷油嘴上多个不同尺寸喷孔的需求。设计人员可以轻松改变各个孔的直径来微调每个喷孔所产生的喷雾。同时摆脱刀具和电极丝等加工手段的束缚从而快速制作喷油嘴设计原型并测试新的燃烧方案。

全球顶级GDI喷油嘴厂商多年前就已经开始采用GF加工方案的这一先进制造方案,并通过多次检测证明通过此方案生产的喷油嘴流量误差可以控制在1%以内。相较其他加工技术流量误差在3%以上,GF加工方案的飞秒激光技术所带来的稳定性优势尤为明显。

GF加工方案的明星机型——五轴飞秒激光机ML-5 正是在2011年特别为GDI喷嘴加工这个行业而研发的,该机型适合研发、小批量多品种生产。如今全球装机已经超过40台。

MLDS 是2014年研发成功的批量生产机型,微孔检测+激光钻喷孔或机械钻盲孔+激光钻喷孔是该机型的两款衍生机型,满足客户的各种工艺需求,是专为GDI 大批量生产提供的全自动化的交钥匙解决方案。

目前,这些超快激光微孔钻孔解决方案目前正在世界各地的工厂工作,协助汽车制造商生产出最高效的喷油器,提高发动机性能,并满足严格的政府排放要求。


关键词:微孔;激光加工