An Innovative Pressing Process by Mechanical Interference Fit for Assembly and Calibration of Fuel Injector

The production processes of fuel injectors can be significantly improved by a more accurate positioning control in the assembly of key components by interference fit. This thesis presents an innovative press-fitting station in the assembly line, that combines a hydraulic cylinder and a piezoelectric actuator to reach micrometric accuracy in axial positioning. The hydraulic cylinder permits a long operational range, while the piezo actuator provides dynamic action and micrometric accuracy. The experimental characterization of the prototype press is presented together with the physical phenomena influencing the overall system performance. The tests are done using cylindrical plugs and sleeves to replicate the insertion of shafts into holes. The test samples are designed and machined to obtain a predefined interference fit. The presented new press-fit station can overcome these limits thanks to the developed advanced control strategy: when the piezo actuator is driven by an amplitude modulated sinusoidal signal, final positioning of ±2 μm is reached insertion forces up to 20 kN. The remarkable performances obtained using dedicated samples have been then tested for real components in two different use cases: dry calibration process for GDI injector and assembly of a solenoid control valve for state of the art common rail diesel injector. The first is a cleaner process for calibration of GDI injector in the ballistic region, that uses Nitrogen instead of a liquid working fluid. With this approach a substantially lower error for the injected quantity in the low quantity region can be accomplished. The second application case is an assembly between the pin and the armature of the solenoid control valve of a common rail diesel injector. These studies have confirmed the possibilities of the press prototype in real application cases; thus, the press can be inserted in real industrial process, achieving the scope of the research.

Il processo produttivo degli iniettori di combustibile può essere significativamente migliorato con un accurato controllo di posizionamento durante l’assemblaggio per interferenza di componenti sensibili. Il lavoro di tesi presenta un’innovativa stazione di assemblaggio che combina un cilindro idraulico ed un attuatore piezoelettrico, per raggiungere accuratezze micrometriche nel posizionamento assiale. Il cilindro idraulico esegue grandi corse mente l’attuatore piezoelettrico fornisce l’azione dinamica e l’elevata accuratezza necessaria. La caratterizzazione sperimentale del prototipo di pressa viene presentata, insieme con i fenomeni fisici che ne influenzano le prestazioni. I campioni di prova sono progettati e realizzati per ottenere un’interferenza nota. I sistemi di assemblaggio tradizionali non sono in grado di realizzare accuratezze micrometriche, mentre la nuova stazione di assemblaggio presentata può superare questi limiti grazie all’avanzato algoritmo di controllo sviluppato: quando l’attuatore piezoelettrico è alimentato da un segnale sinusoidale modulato in ampiezza, è possibile raggiungere un’accuratezza di posizionamento di ± 2 μm per forze di inserimento fino a 20 kN. Le performance ottenute con provini dedicati sono state testate su due casi applicativi reali: un processo di calibrazione a secco di iniettori GDI, nella regione balistica, usando azoto invece di un liquido di test ed il processo di assemblaggio della valvola di controllo a solenoide di un iniettore diesel common rail, che necessita di un’elevata accuratezza geometrica. Questi studi hanno dimostrato le possibilità del prototipo di stazione di assemblaggio presentato in casi applicativi reali; perciò la pressa può essere inserita in contesti industriali reali, raggiungendo lo scopo della ricerca.