基于水輪發(fā)電機(jī)鏡板鏡面加工中非材質(zhì)缺陷導(dǎo)致拖尾現(xiàn)象的解決方案

鄒銀行， 劉甲元

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

1 鏡板的作用及加工過(guò)程簡(jiǎn)述

鏡板是水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的關(guān)鍵部件之一，機(jī)組運(yùn)行中它與推力瓦進(jìn)行摩擦，并承受整臺(tái)機(jī)組軸向負(fù)荷。鏡板油膜厚度一般只有0.03～0.05 mm，如果鏡面有刮痕、高點(diǎn)、毛刺等缺陷，則可能破壞油膜及推力瓦面，甚至造成燒瓦事故；而鏡面的平面度和表面粗糙度若達(dá)不到要求（Ra 0.1～0.3 μm），則軸承的承載能力下降，摩擦損耗增加，因此對(duì)鏡板的材質(zhì)、加工精度和表面粗糙度都有較高要求。鏡板鏡面主要是利用立車加工，主要工藝包括粗車、時(shí)效、半精車、精車、砂輪磨削、研磨、拋光等，使鏡面的平面度、平行度及表面粗糙度得到可靠保證。粗車主要是檢查加工余量，去除多余的加工量。時(shí)效是鏡板粗車后在露天放置1 個(gè)月，釋放應(yīng)力，以防止在精車過(guò)程中變形。半精車是為精車做準(zhǔn)備，在半精車過(guò)程中，鏡板的平面度、平行度等形位公差要基本得到保證，同時(shí)鏡板每個(gè)面留0.20 mm 加工余量。精車時(shí)將各重要加工面的粗糙度加工至Ra 0.8～1.6 μm。砂輪磨削階段是精修鏡面與把合面的平行度及2 個(gè)重要面各自的平面度，同時(shí)將粗糙度提高至Ra 0.8 μm 以上。研磨是利用W20、W10 磨料將鏡板鏡面粗糙度加工至Ra 0.1～0.3 μm，以滿足設(shè)計(jì)要求。圖1 為研磨過(guò)程，拋光是將鏡面研磨后拋光，以保證整個(gè)鏡面無(wú)色差，表現(xiàn)出鏡面發(fā)光的特征[1]。

圖1 鏡板鏡面研磨

2 目前鏡板加工存在的問(wèn)題

幾乎在同一段時(shí)間，公司承擔(dān)的A 電站5 號(hào)、B 電站1 號(hào)、C電站1 號(hào)及2 號(hào)鏡板鏡面加工結(jié)束后,表面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，多則千余處，少則百余處?！巴衔病鳖^部有一針孔，后部是一扇形拖尾，針孔及拖尾脈絡(luò)清晰，手觸摸時(shí)有明顯的峰谷，拖尾方向與鏡板加工時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向相反（如圖2），此“拖尾”嚴(yán)重影響了鏡面的表面質(zhì)量。在技術(shù)層面講，不處理鏡板鏡面“拖尾”會(huì)影響鏡板耐磨性、配合穩(wěn)定性、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度[2]，甚至?xí)?duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能產(chǎn)生不良影響，后續(xù)處理成本極高，甚至對(duì)公司的質(zhì)量信譽(yù)度產(chǎn)生不可挽回的影響。從生產(chǎn)層面講，鏡板如此集中地出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品機(jī)加齊套形成了制約，影響了產(chǎn)能的充分釋放，甚至對(duì)其它任務(wù)及時(shí)排產(chǎn)形成擠壓，嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)的順利進(jìn)行[3]。因此，分析鏡板鏡面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因并提出了解決方案勢(shì)在必行。

圖2 鏡面大面積拖尾

3 原因分析

3.1 人的因素

鏡面加工后出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的鏡板加工時(shí)，操作者為固定操作者，與之前沒(méi)有“拖尾”現(xiàn)狀的鏡板加工操作者人員及其搭配結(jié)構(gòu)、班次等均無(wú)變化。因此，可以排除造成鏡板鏡面加工后出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的人為因素。

3.2 環(huán)境因素

鏡板鏡面集中出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的加工時(shí)間為12 月份左右，在四川地區(qū)最低溫度大約在4 ℃左右，不足以影響階段加工質(zhì)量。加工設(shè)備所在廠房環(huán)保措施到位，根據(jù)廠房管理經(jīng)驗(yàn)，可以確定環(huán)境因素不是導(dǎo)致鏡板鏡面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因。

3.3 設(shè)備精度因素

鏡板鏡面加工所使用的設(shè)備為立車車床，根據(jù)歷史加工效果，對(duì)鏡板加工排產(chǎn)為3 臺(tái)固定立車，本次出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的鏡板也分別在這3 臺(tái)立車加工。經(jīng)專業(yè)設(shè)備檢測(cè)，機(jī)床精度滿足加工鏡板要求,且在鏡板鏡面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象之前，其它鏡板都在此3 臺(tái)立車上加工，沒(méi)有出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，因此造成鏡板鏡面加工后出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因中，可以排除設(shè)備精度因素。

3.4 加工工藝流程

鏡板鏡面的加工工藝流程為粗車、時(shí)效、半精車、精車、砂輪磨削、研磨、拋光等，此工藝流程已固化，比較成熟。本次鏡板鏡面加工工藝流程與之前鏡板鏡面的加工工藝流程相同，可以排除加工流程是造成鏡面“拖尾”現(xiàn)象的原因。

3.5 加工用研磨工具

鏡面加工流程中所使用的研磨工具為研磨盤(pán)，研磨盤(pán)為圓柱形結(jié)構(gòu)，其作用面叫研磨面，其面積比鏡板環(huán)帶面積大，即研磨面可以完全覆蓋鏡板鏡面，研磨面由環(huán)型和徑向槽構(gòu)成，研磨盤(pán)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)研磨面槽的質(zhì)量產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)之前鏡板加工的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，研磨面槽變淺加工出的鏡面會(huì)出現(xiàn)粗糙度達(dá)不到要求的現(xiàn)象，所以研磨盤(pán)使用一段時(shí)間后會(huì)對(duì)其研磨面槽加深處理。對(duì)此，通過(guò)對(duì)研磨盤(pán)研磨面的槽及面重新銑修，并對(duì)研磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸承重新打磨、潤(rùn)滑后，對(duì)試樣研磨加工，鏡面仍出現(xiàn)大量“拖尾”，因此造成鏡板鏡面加工后出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因中，可以排除研磨工具的影響。

3.6 研磨磨料

通過(guò)分析論證，上述幾個(gè)環(huán)節(jié)中人、環(huán)境因素、設(shè)備精度、加工工藝流程、研磨工具都不是鏡板鏡面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因。研磨磨料在此工藝系統(tǒng)中充當(dāng)“刀具”的角色，研磨磨料為W20、W10 白剛玉磨料。針對(duì)W20、W10磨料，其使用特性為先用W20 白剛玉磨料研磨后粗糙度為Ra0.3～0.4 μm，再用W10 白剛玉磨料繼續(xù)研磨后粗糙度Ra≤0.3 μm。本次出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象鏡板鏡面粗糙度都是Ra≤0.3 μm，即研磨前工藝流程結(jié)束后，先使用W20磨料后繼續(xù)使用W10 磨料才可以研磨至圖樣要求。首先假設(shè)白剛玉磨料存在問(wèn)題，如果存在，則要判斷W20 出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題還是W10，或者兩者都出現(xiàn)問(wèn)題，下面將通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以留有加工余量的鏡板作為試件，加工至研磨前狀態(tài)，用出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的同批次W20、W10 磨料作為研磨磨料。首先用W20 磨料研磨后鏡面沒(méi)有“拖尾”現(xiàn)象，繼續(xù)使用W10 磨料研磨鏡面出現(xiàn)大量“拖尾”現(xiàn)象，且特征及數(shù)量與產(chǎn)品鏡板“拖尾”很相似，此試驗(yàn)證明，W10 磨料存在質(zhì)量問(wèn)題,但W20 是否與W10 存在關(guān)聯(lián)因素，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。針對(duì)此，采購(gòu)不同廠家W20、W10 磨料，簡(jiǎn)稱新W201磨料、W101磨料，為了排除采購(gòu)一家W20 及W10帶來(lái)的不確定性，決定從另一家采購(gòu)W20 及W10 磨料,簡(jiǎn)稱新W202磨料、W102磨料。下面將舊W20 磨料、舊W10 磨料、新采購(gòu)的W201磨料、W101磨料、W202磨料、W102磨料采用正交法試驗(yàn)，具體如表1 所示。

表1 舊、新磨料組合正交表

說(shuō)明：表中數(shù)據(jù)已做處理。

通過(guò)表1 進(jìn)一步分析論證得出結(jié)論：不管是舊W20磨料還是新W20 磨料，與舊W10 磨料組合都會(huì)使鏡板鏡面出現(xiàn)大量“拖尾”現(xiàn)象，而新W10 磨料不管是與舊W20磨料還是新W20 磨料組合鏡板鏡面“拖尾”數(shù)量明顯大幅減少，證實(shí)了W20 磨料與W10 磨料沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系，又進(jìn)一步證實(shí)W10 磨料原材料質(zhì)量是影響本次鏡板鏡面集中出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因。但是，即使更換W10 磨料，鏡板表面仍出現(xiàn)10 余處“拖尾”，只是數(shù)量上比使用舊W10 磨料少很多倍，如圖3 所示。

圖3 鏡面少量“拖尾”

對(duì)于磨料采購(gòu)，目前沒(méi)有絕對(duì)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)于磨料是否完全滿足鏡面加工質(zhì)量無(wú)法下結(jié)論。僅僅依靠從多家廠家采購(gòu)W10 磨料，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可加工性，對(duì)于以營(yíng)利為目的企業(yè)此方法顯然不可取。

確定了本次鏡板鏡面集中出現(xiàn)大面積“拖尾”現(xiàn)象的環(huán)節(jié)是研磨環(huán)節(jié)，下面從研磨環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)上加以分析，在研磨環(huán)節(jié)中切削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)是立車主軸帶動(dòng)鏡板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，研磨盤(pán)面積比鏡板面面積大，工作時(shí)鏡板鏡面與整個(gè)研磨盤(pán)面完全接觸，靠磨料的摩擦帶動(dòng)研磨盤(pán)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，主軸轉(zhuǎn)速快，研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速相應(yīng)加快。工作中無(wú)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)吃刀量及進(jìn)給量。從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，鏡板加工中的轉(zhuǎn)速是切削三要素中的單因素變量，接下來(lái)考慮是否通過(guò)工藝參數(shù)上的改進(jìn)措施，讓鏡板鏡面“拖尾”在數(shù)量上已經(jīng)出現(xiàn)大幅減少的情況下完全消失[4]。

5 改進(jìn)措施

在選擇W101磨料、W102磨料已經(jīng)將鏡板鏡面“拖尾”數(shù)量減少到10 余處左右的基礎(chǔ)上，考慮是否采用優(yōu)化鏡板加工速度的方法從工藝上進(jìn)一步進(jìn)行解決，以便完全消除鏡板鏡面“拖尾”現(xiàn)象。假設(shè)此方法可行，對(duì)此假設(shè)，選取5 組切削速度利用新采購(gòu)的W101磨料、W102磨料在試件做試驗(yàn)，具體如表2 所示。表2 中的第2 個(gè)切削速度“3.5 m/min≤r≤5 m/min”是根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)，即之前加工鏡板所使用的切削速度，以此切削速度為參照[5]，左右各選擇切削速度，得出結(jié)論。

表2 不同廠家生產(chǎn)W10磨料與切削速度正交試驗(yàn)表

從表2 可以得出，針對(duì)兩家不同廠家生產(chǎn)的W101磨料、W102磨料與選取的5 組切削速度做正交試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同磨料對(duì)應(yīng)的速度不同，其表面“拖尾”的數(shù)量不同，但W101磨料、W102磨料分別對(duì)應(yīng)一種切削速度，使鏡板鏡面不再有“拖尾”現(xiàn)象出現(xiàn)，鏡面表面質(zhì)量合格如圖4所示。充分論證上述假設(shè)的正確性。將實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)固化，如表3所示。

圖4 鏡面沒(méi)有“拖尾”

采用新采購(gòu)的W10，鏡板鏡面表面“拖尾”數(shù)量由之前千百余處下降至10 幾處，接著通過(guò)優(yōu)化調(diào)整切削速度使鏡面“拖尾”完全消失。接下來(lái)，運(yùn)用此新采購(gòu)的W10 磨料按照試驗(yàn)出的相對(duì)應(yīng)的切削速度（如表3）依照之前的加工設(shè)備、人員、研磨工具，用相同的加工工藝流程加工之前出現(xiàn)“拖尾”的鏡板，鏡板鏡面沒(méi)有出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，滿足表面質(zhì)量設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)其它電站鏡板鏡面加工過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)用已固化的參數(shù)，鏡面沒(méi)有出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。

表3 磨料與切削速度匹配關(guān)系

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)幾個(gè)電站鏡板鏡面加工中出現(xiàn)的大面積“拖尾”現(xiàn)象，從幾個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、論證、試驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化改進(jìn)，從而得出以下結(jié)論：

1）之前公司使用的舊W10 白剛玉磨料存在原材料質(zhì)量問(wèn)題，是導(dǎo)致鏡面出現(xiàn)大面積“拖尾”現(xiàn)象的原因，更換W10 磨料后，鏡板鏡面“拖尾”數(shù)量大幅減少，只有10 余處左右。

2）再通過(guò)工藝上調(diào)整鏡板加工中的工藝參數(shù)切削速度找到了與新采購(gòu)的W101磨料、W102磨料分別匹配的最優(yōu)切削速度，進(jìn)而達(dá)到了鏡板鏡面“拖尾”完全消除的目的，鏡面質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)也順利進(jìn)行。

3）在生產(chǎn)環(huán)節(jié)遇到鏡板鏡面集中突發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)從不同廠家采購(gòu)W10 磨料，再加上工藝參數(shù)優(yōu)化的方法解決了鏡板鏡面加工出現(xiàn)“拖尾”的現(xiàn)象，通過(guò)固化W10 磨料廠家、批次及對(duì)應(yīng)的切削速度，后期鏡板加工中可保持鏡板鏡面加工的穩(wěn)定性。

4）通過(guò)此方法雖然解決了當(dāng)下鏡板鏡面加工的困境，但是公司采購(gòu)流程、磨料價(jià)格等因素影響，磨料生產(chǎn)廠家會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)變動(dòng)，進(jìn)而帶來(lái)磨料質(zhì)量的不確定性。所以從公司發(fā)展的前瞻性來(lái)講，要從根本上解決“拖尾”，需要從磨料物理特性入手，因此后期團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)白剛玉磨料體積、與煤油相配密度及加工速度等方面細(xì)致分析，提出磨料采購(gòu)驗(yàn)收、檢驗(yàn)、使用標(biāo)準(zhǔn)，以期從研磨磨料源頭上解決導(dǎo)致鏡板鏡面出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象的原因。