小于150μm的微细加工，用什么方法高效可靠？_【前沿数控技术】

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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。

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？

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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：

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。

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。

特殊而新颖的喷孔形状

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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。

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。

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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。