6σ在軸承套圈磨削工藝改進中的應用

郭明月，樓洪梁，李興林，姚敏雅，陳炳順

(1.中國計量學院 質(zhì)量與安全工程學院，杭州 310018；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司 博士后科研工作站，杭州 310022；3.杭州誠信汽車軸承有限公司，杭州 310024)

軸承套圈磨削加工是整個軸承加工過程中復雜的環(huán)節(jié)之一，是軸承生產(chǎn)中至關重要的一步[1]。對磨削工藝進行改進是降低成本，提高質(zhì)量的保證[2-3]。針對軸承套圈磨削工藝，國內(nèi)外學者在磨削工序的改進、精簡以及磨削設備更新方面做了大量的研究工作。文獻[4]針對溝道磨削加工中易出現(xiàn)的幾種情況，提出了正確選擇砂輪寬度和合理修整砂輪的措施。文獻[5]采用正交試驗法和模糊綜合評價法，建立了多目標函數(shù)，對軸承套圈工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。文獻[6]對軸承套圈磨削加工工藝的工序以及使用設備進行多次改進，縮短了生產(chǎn)、檢驗及工序周轉(zhuǎn)周期。但傳統(tǒng)的改進方法尚缺乏對影響磨削質(zhì)量各個因素的綜合分析，沒有形成系統(tǒng)的改進管理辦法。因此，提出用6σ方法對影響磨削質(zhì)量的各個因素進行綜合分析，實現(xiàn)軸承套圈磨削工藝的改進，提高磨削工序的Cpk值，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

6σ是迄今為止開發(fā)的最為完善和先進的質(zhì)量管理系統(tǒng)，其核心是改善企業(yè)經(jīng)營流程，提高效率，追求零缺陷生產(chǎn)，防范產(chǎn)品責任風險，降低成本，以提高顧客滿意度并減少浪費。6σ以數(shù)據(jù)和事實為基礎，通過對現(xiàn)有過程進行定義、測量、分析、改進和控制，找出產(chǎn)生問題的根本原因，并提出改進方法，從而達到提高客戶滿意度和企業(yè)競爭力的目的。與傳統(tǒng)的軸承工藝改進方法相比，6σ法的運用使改進更具系統(tǒng)性，更有利于改進的持續(xù)進行[7]。

某軸承公司所生產(chǎn)的軸承主要定位于高端市場，因此對軸承在質(zhì)量安全方面的要求相對較嚴格，特別是在軸承套圈的檢驗上，要求更高，這也使軸承的檢驗成本增加。為提高軸承套圈加工工序的穩(wěn)定性，降低檢驗成本，采用6σ方法對軸承套圈的磨削工藝進行改進。

1 定義階段

外圈外圓是軸承與軸承座配合和安裝的定位面，同時也是下道工序加工的定位基準，外圓精度直接影響下道工序(磨削溝道、內(nèi)圓等)的加工質(zhì)量。相對于磨削加工的其他工序，外圓磨削更易出現(xiàn)廢品。

圓度誤差是指回轉(zhuǎn)體在同一正截面上實際被測輪廓相對其理想圓的變動量。機械零件回轉(zhuǎn)表面正截面輪廓的圓度誤差對設備的功能有直接影響。因此，選擇圓度誤差為評定外圓磨削質(zhì)量的標準。以7326BM型軸承為研究對象，根據(jù)使用要求，規(guī)定粗磨外圓時圓度誤差為0～20 μm為合格。通過6σ法改進，在為下道工序留足磨削余量的前提下，期望達到的目標為：粗磨外圓時圓度誤差控制在7～20 μm，最佳值為11 μm左右，并使過程能力指數(shù)Cpk達到1.33以上。

2 測量階段

在磨削加工后的產(chǎn)品中，隨機抽取15個樣本，測量其圓度誤差，其中每個樣本測量4次。運用Minitab軟件繪制圓度誤差的控制圖與直方圖，如圖1和圖2所示。圖2中，Minitab將樣本的圓度誤差劃分為許多區(qū)間，縱坐標代表圓度誤差落入各個區(qū)間的樣本數(shù)量占樣本總量的百分比(圖5同)。

圖1 圓度誤差的X-R控制圖

根據(jù)控制圖的判異準則:各數(shù)據(jù)均在控制范圍內(nèi)，說明該過程穩(wěn)定，沒有發(fā)生異?，F(xiàn)象。由直方圖可知，圓度誤差近似呈正態(tài)分布，即該軸承圓度誤差的分布處于正常情況。運用Minitab軟件計算過程能力指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)過程能力指數(shù)評價表，可以得到結(jié)論：Cpk=0.88<1.00,粗磨外圓過程能力不足，需要進行質(zhì)量改進。

圖3 改進前的過程能力圖

3 分析階段

分析確定粗磨外圓可能影響圓度誤差的因素為：(1)工件中心高不合適；(2)導輪傾斜角過大；(3)磨削砂輪不平衡[8]。

3.1 工件中心高對圓度誤差的影響

在無心磨削中，如果布局不當，往往會產(chǎn)生嚴重的表面誤差——圓度誤差[9]。根據(jù)以往的經(jīng)驗可知，對于尺寸大于80 mm的工件，粗磨時工件中心高應為25～30 mm。文中試驗軸承外圈外徑為280 mm，在中心高合適和不合適2種情況下，分別抽取10組樣本，測量其圓度誤差，并運用Excel進行單因素方差分析，數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表1和表2。其中，SS為離差平方和，df為自由度，MS為均方，F(xiàn)和P均為衡量因素是否顯著的統(tǒng)計量，當F大于臨界值Fcrit或者P值小于0.05時，說明所檢驗的因素對觀察值有顯著影響。由表2可知，P值為0.03<0.05，即在95%的置信區(qū)間內(nèi)，其影響顯著，故工件中心高為重要因素。

表1 中心高方差分析數(shù)據(jù)

表2 中心高方差分析結(jié)果

3.2 導輪傾斜角對圓度誤差的影響

導輪的傾斜角決定了一次貫穿磨削時間及磨削的圈數(shù)，與圓度的關系極為密切。一般粗磨外圓時，導輪傾斜角不宜過大，2°為分界點。將傾斜角分別調(diào)至2°30′和1°30′，各抽取10組軸承樣本測量其圓度誤差，用單因素方差分析法對數(shù)據(jù)進行處理。試驗結(jié)果顯示，P值為0.045<0.05，導輪傾斜角對圓度誤差的影響顯著，故導輪傾斜角為重要因素。

3.3 磨削砂輪平衡對圓度誤差的影響

磨削砂輪在磨削過程中要經(jīng)歷跑合階段(初期)、穩(wěn)定磨損階段(中期)和劇烈磨損階段(末期)。為了確定磨削砂輪平衡對圓度誤差的影響，在其進入穩(wěn)定磨損階段和磨削800個套圈后達到劇烈磨損階段時分別抽取10組樣本并測量圓度誤差，由單因素方差分析來進行數(shù)據(jù)處理。試驗結(jié)果表明，P值為0.012<0.05，磨削砂輪平衡狀況對圓度誤差的影響顯著，故磨削砂輪平衡為重要因素。

4 改進與控制階段

在確定影響圓度誤差的3個關鍵因素后，對每個因素取3個水平，運用Minitab中的田口正交法進行正交試驗設計[10]，試驗方案及圓度誤差測量結(jié)果見表3。運用Minitab對試驗結(jié)果進行分析后，得到了均值響應表(表4)和均值主效應圖(圖4)。

表3 試驗方案及圓度誤差測量結(jié)果

表4 圓度誤差的均值響應表 μm

圖4 均值主效應圖

表4中第2列代表工件中心高在水平1(25 mm)，2(28 mm)，3(31 mm)情況下樣本圓度誤差的平均值；第3列代表導輪傾斜角在水平1(1°30′)，2(1°45′)，3(2°00′)情況下，樣本圓度誤差的平均值；第4列代表磨削砂輪平衡在水平1(初期)、2(中期)、3(末期)情況下，樣本圓度誤差的平均值；δ為每個因素最大與最小平均值之差。

為了證實改進的有效性，改進后抽取15個軸承樣本，每個樣本的圓度誤差測量4次，共得到60個圓度誤差值。繪制圓度誤差的直方圖(圖5)與控制圖(圖6)，以檢驗改進是否有效、可行。由直方圖可得，改進后的圓度誤差近似呈正態(tài)分布，即圓度誤差的分布處于正常狀態(tài)。根據(jù)控制圖可以看出，沒有點處于異常狀態(tài)，即該過程處于統(tǒng)計過程受控狀態(tài)。經(jīng)Minitab計算得，改進后的過程能力指數(shù)Cpk=1.43>1.33，達到了改進的目標。

圖5 改進后圓度誤差直方圖

圖6 改進后的圓度誤差X-R控制圖

5 改進效果

軸承的圓度誤差是衡量軸承質(zhì)量的關鍵因素之一，通過6σ法和正交試驗設計方法，確定了工件中心高、導輪傾斜角以及磨削砂輪平衡是影響軸承套圈圓度誤差的關鍵因素，并對其采取了有效的改進措施，改進后提高了軸承套圈外圓磨削工序的穩(wěn)定性，圓度誤差達到了設計要求，并使磨削過程能力指數(shù)從0.88提高到了1.43，有效提高了套圈尺寸的一致性，減少了檢驗成本，為后工序的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保證，達到了改進的效果。