大型鍛件拱形外表面車削加工擠屑風險研究

崔振海，關浩洋，張志強，王偉波，呂國富

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

0 引言

核島主設備大型鍛件從投料到成品出廠，要經過煉鋼、真空澆注、多火次錘鍛、多次性能熱處理、性能試驗、無損探傷等工序，由于鍛件超過百噸，導致工藝難度大、成本高、制造周期長，一直以來核島主設備鍛件都是我國核電設備國產化的主要瓶頸[1]。因此，經過千錘百煉而獲得的性能合格的大型鍛件可謂來之不易。這也決定了，在鍛件最后的機械加工階段加工質量的重要性，因為一旦由于加工失誤導致鍛件最終尺寸超差報廢，造成的損失無法彌補。因而對事件教訓進行總結并進行經驗反饋，防止同類質量事件重發的意義則變得至關重要。

1 典型質量事件

國內某核電設備制造廠在加工核島蒸汽發生器下封頭鍛件（材質18MnD5）過程中，在進入精加工工序時出現非正常走刀，造成該封頭鍛件球頂外表面距中心半徑169～189 mm范圍整周誤切削，形成寬20 mm，深度 5 mm的溝槽，球頂挖刀區域再無加工余量，造成重大制造類不符合項。封頭鍛件及其誤切削部位分別如圖1、圖2所示。

圖1 封頭

圖2 誤切削部位剖視圖

2 事件過程追溯

數控車床操作者在加工外球頂時首先將球頂加工成一個平面，總高符合圖紙要求后，開始加工球面，按照加工工藝要求（單次切深量需小于12 mm），操作者設置第一刀加工切深量10 mm，預留余量10 mm；第二刀加工切深量 5 mm，預留余量5 mm；至第二切削軌跡完成，滿足工藝要求，未出現問題；第三刀進刀切深為4.2 mm，余量8 mm，如圖3所示，當走刀在距封頭邊緣180 mm位置時，刀桿偏離夾具位置超過2 min，隨著車床刀具按既定程序沿水平與垂直方向的不斷進給，造成本次誤加工質量事件，本應平滑的鍛件球形外表面，多加工了一道環形溝槽，嚴重不滿足鍛件交貨外形尺寸。

圖3 加工過程示意

3 質量事件發生機理

刀具從夾具中發生偏轉，必然是由于刀具受力狀態發生畸變所致。因此進行其加工過程的受力分析。

3.1 車床刀具切削過程的受力分析

圖4所示為實際刀具裝夾的實際狀態，圖5為刀具正常加工過程中的受力分析，其中Fc為主切削力，Fp為切深抗力，Ff為進給抗力（橫向與縱向進給的合力）。

依據重型工藝臥式車削計算公式：

上述公式中，CFZ、CFY、CFX為被加工金屬和特定切削條件系數；XFX、XFY、XFZ、YFX、YFY、YFZ、nFX、nFY、nFZ為ap（切深）、f（進給量）、vc（切削速度）的指數；KFX、KFY、KFZ為修正系數。

經核實，上述加工過程中的各項參數為下表1所列。

表1 實際加工參數

根據實際加工狀態對相關參數賦值后，計算得出主切削力Fc、切深抗力Fp、進給抗力Ff分別為：

Fc=9 035.954 N；Fp=3 173.527 N；Ff=3 937.068 N；其中Fc在量值上處于主導地位，維持刀具對工件的正常進刀切削。

圖4 刀具裝卡

圖5 刀具受力

車削下來的鋼屑在正常加工狀態下會及時脫離工件，上述刀具的受力狀態保持動態的平衡。而一旦鋼屑未脫落而緾繞成球后，對刀具的擠壓力Fd與主切削力Fc疊加后集中作用在刀尖部位，隨著鋼屑的不斷積累，FD也隨之增大（此處僅做定性分析），直致Fc+Fd的合力超過刀桿的裝夾摩擦力，最終造成了刀具隨著刀桿的偏轉，如圖6所示。

圖6 擠屑示意圖

通過以上分析，工廠明確此次質量事件的直接原因就是由擠屑引發。

3.2 根本原因分析

工廠在確定質量事件的直接原因以后，按照質量管理原則，還要進行事件的根本原因分析。

工廠的工藝與質量專家在車間現場收集到相關車床、工件、鐵屑等全部原始資料數據，把所有可能對事件有影響的因素一一羅列，通過故障樹工具，逐一分析排除，根本原因為工藝方法存在問題，其中包括加工參數及加工方向不合理，操作者加工過程中也存在觀察不足、清理積屑不及時的問題。圖7為本次質量事件原因分析的故障樹推演。

圖7 原因分析故障樹

4 風險源分析

從上述事件發生的機理入手，回顧總結本次質量事件發生的原因，可知如下各必要因素共同構成了此次質量事件發生的充分條件：

（1）不合適的切深量，導致擠屑現象發生的物質來源；刀具裝夾力矩不足：決定擠后刀具發生偏轉的次要條件；

（2）自上而下的加工方向：決定金屬屑擠壓刀具的方向為在圓周方向上由外向內貼近已加工表面；

（3）操作者視線：車削加工過程中，因工件旋轉，封頭接管對球面加工過程中的刀具與金屬屑狀態不能適時監控和第一時間處置異常狀況[1]。

5 風險預防措施

基于上述風險點，在大型鍛件拱形外表面車削加工中，推薦采用如下措施加以防范：

（1）編制、執行自下而上的數控加工程序；

（2）根據工廠實際加工經驗，針對特定的18MnD5材質，精加工工序的單次切深量，根據工廠經驗建議控制在3 mm以下；

（3）按機床使用說明上限力矩夾緊刀具；

（4）車削加工過程中如因工件形狀影響操作者視線的情況，推薦利用必要的在線視頻設備，適時監控加工狀態，及時處理異常情況[2-3]。

6 結束語

本文誤加工質量事件的發生，并非由單一因素造成，而是由各必要因子疊加后共同構成了質量事件的充分條件。事發工廠在分析出直接的工藝技術原因后，又從質量管理角度，將根本原因歸結為機加工車間的質量管理存在缺欠，包括風險識別與加工前的技術交底未發揮應有作用，重要工序的主副、操作配置并未落實等等。該廠在后續的最終機械加工的工序中，已將防人因失誤作為一項重要的質量保證措施，在廠內各個車間推廣應用。