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小于150μm的微细加工,用什么方法高效可靠?

发布时间:2020-06-23
来源:GF加工方案
阅读量:4088

新一代缸内直喷技术是汽车发动机领域的主流技术,它将燃油通过喷油器精准地喷入气缸内并与进气充分混合,发挥每一滴燃油的功效。


从下图可以看到,喷油器上分布着微孔,微孔的直径小于150微米。孔径、表面粗糙度、位置、形状等都会直接影响喷油器的性能,因此都有严苛的加工要求,同时为了达到成本效益,还要求每个微孔的加工时间控制在几秒之内。


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那么问题来了,喷油器微孔的加工要求已远远超出传统机械钻孔技术的能力,用什么工艺来精确加工这些微孔呢?


一、传统加工方法VS创新微孔加工技术


目前常见的喷油器微孔加工方法主要包括机械钻孔、电火花加工、飞秒激光加工三种。


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,直接影响微孔加工的一致性和产品良率,且耗材成本高。


电火花加工虽然在尺寸上比机械钻孔稍灵活,但加工效率较低,表面粗糙度不够理想,尤其是加工表面会存在重熔层,同时我们还必须考虑到电极成本以及工艺的稳定性。


而飞秒激光由于在加工过程中不产生热量,加工出的微孔没有重熔层、毛刺,可以获得更清晰的锐边和更优异的表面质量,从而延长喷嘴寿命。


以直径150 μm,深度 0.5 mm 的孔为例,对比电火花加工和飞秒激光的加工结果:



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图左为电火花加工微孔,图右为飞秒激光加工微孔


值得一提的是,大家对于激光加工并不陌生。那么,飞秒激光与我们常听到的纳秒激光、皮秒激光有什么区别呢?


我们先来搞清楚时间单位换算:


1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒 

1μs (微秒)=0.000001=10-6秒 

1ns (纳秒)=0.0000000001秒=10-9秒 

1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒 

1fs (飞秒)=0.000000000000001秒=10-15秒 


搞清楚了时间单位,我们就知道了飞秒激光是一种极其超短脉冲的激光加工,所以只有它才能真正胜任高精密加工。


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分别为纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光加工的微孔


现今,随着国内外汽车行业排放标准的逐步升级,对于喷油器厂商及其OEM的挑战也越来越大,传统加工的圆孔已经无法满足客户的需求,生产商不断寻求并开发特殊而新颖的喷孔形状来试图达到要求,飞秒激光加工的灵活性及优势就愈发明显。


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特殊而新颖的喷孔形状


二、汽车行业喷油器微孔加工解决方案


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。摆脱了钻孔和电火花加工等方法的工艺束缚,从而快速制作喷油器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。


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GF加工方案五轴飞秒激光机 ML-5(左)、MLDS(右)


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GF加工方案在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,这些超快激光微孔加工解决方案正在世界各地的工厂工作,协助汽车制造商生产出高效的喷油器,提高发动机性能,并满足政府严格的排放要求。


三、应对各行业的微细加工挑战


不仅仅是汽车行业的喷油器微孔,微细小型化是当下的一个明显趋势,迫使各行业的制造商去挑战精密微细零件的生产,并有效控制每个零件的生产成本。


1)工作空间的极致利用:航空航天应用的理想选择


高成本效益的发动机叶片和燃烧室内衬的钻孔和成型是 Microlution ML-10 的特长领域,该解决方案是根据航空航天业的需求而设计的。其占地面积小,可以大大降低每平方米的生产成本。该机床内嵌光学相干断层成像(OCT)系统,允许非接触式测量、穿透检测/深度跟踪、形状分析和烧蚀实时监测,众多益处触手可得。


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2)简化医用管材切割的复杂加工过程


使用超快 MLTC 激光管材切割平台可以消除大部分甚至所有的后续加工步骤。这一用于医疗设备行业及其他应用的解决方案的特点是能够以极高的精度快速精准地加工金属和聚合物管材。


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3)实现优异的边缘和表面质量以及笔直的侧壁


创造独特的形状,如负锥度孔、变形孔(包括圆形入口和椭圆形出口)、星形图案等。由于该解决方案采用五轴扫描测头,可以加工出在机械设备上不可能实现的形状。 


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如果您在进行微细零件加工时,希望获得更多的灵活性和技术储备,在降低成本的同时,希望用更快的加工速度获得更好的表面质量,那么GF加工方案领先的激光微细加工方案无疑是您的不二之选。

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