郭明月，樓洪梁，李興林，姚敏雅，陳炳順

(1.中國計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州軸承試驗(yàn)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(gè)軸承加工過程中復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，是軸承生產(chǎn)中至關(guān)重要的一步[1]。對(duì)磨削工藝進(jìn)行改進(jìn)是降低成本，提高質(zhì)量的保證[2-3]。針對(duì)軸承套圈磨削工藝，國內(nèi)外學(xué)者在磨削工序的改進(jìn)、精簡以及磨削設(shè)備更新方面做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[4]針對(duì)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(xiàn)[5]采用正交試驗(yàn)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)軸承套圈工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]對(duì)軸承套圈磨削加工工藝的工序以及使用設(shè)備進(jìn)行多次改進(jìn)，縮短了生產(chǎn)、檢驗(yàn)及工序周轉(zhuǎn)周期。但傳統(tǒng)的改進(jìn)方法尚缺乏對(duì)影響磨削質(zhì)量各個(gè)因素的綜合分析，沒有形成系統(tǒng)的改進(jìn)管理辦法。因此，提出用6σ方法對(duì)影響磨削質(zhì)量的各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)軸承套圈磨削工藝的改進(jìn)，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(jìn)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(zé)任風(fēng)險(xiǎn)，降低成本，以提高顧客滿意度并減少浪費(fèi)。6σ以數(shù)據(jù)和事實(shí)為基礎(chǔ)，通過對(duì)現(xiàn)有過程進(jìn)行定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制，找出產(chǎn)生問題的根本原因，并提出改進(jìn)方法，從而達(dá)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(jìn)方法相比，6σ法的運(yùn)用使改進(jìn)更具系統(tǒng)性，更有利于改進(jìn)的持續(xù)進(jìn)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(duì)軸承在質(zhì)量安全方面的要求相對(duì)較嚴(yán)格，特別是在軸承套圈的檢驗(yàn)上，要求更高，這也使軸承的檢驗(yàn)成本增加。為提高軸承套圈加工工序的穩(wěn)定性，降低檢驗(yàn)成本，采用6σ方法對(duì)軸承套圈的磨削工藝進(jìn)行改進(jìn)。

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(shí)也是下道工序加工的定位基準(zhǔn)，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(duì)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(shí)際被測(cè)輪廓相對(duì)其理想圓的變動(dòng)量。機(jī)械零件回轉(zhuǎn)表面正截面輪廓的圓度誤差對(duì)設(shè)備的功能有直接影響。因此，選擇圓度誤差為評(píng)定外圓磨削質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。以7326BM型軸承為研究對(duì)象，根據(jù)使用要求，規(guī)定粗磨外圓時(shí)圓度誤差為0～20 μm為合格。通過6σ法改進(jìn)，在為下道工序留足磨削余量的前提下，期望達(dá)到的目標(biāo)為：粗磨外圓時(shí)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(dá)到1.33以上。

2 測(cè)量階段

在磨削加工后的產(chǎn)品中，隨機(jī)抽取15個(gè)樣本，測(cè)量其圓度誤差，其中每個(gè)樣本測(cè)量4次。運(yùn)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(biāo)代表圓度誤差落入各個(gè)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(zhǔn)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)生異常現(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(yùn)用Minitab軟件計(jì)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(píng)價(jià)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(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)。

圖3 改進(jìn)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(dǎo)輪傾斜角過大；(3)磨削砂輪不平衡[8]。

3.1 工件中心高對(duì)圓度誤差的影響

在無心磨削中，如果布局不當(dāng)，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的表面誤差——圓度誤差[9]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)于尺寸大于80 mm的工件，粗磨時(shí)工件中心高應(yīng)為25～30 mm。文中試驗(yàn)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(cè)量其圓度誤差，并運(yùn)用Excel進(jìn)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(jì)量，當(dāng)F大于臨界值Fcrit或者P值小于0.05時(shí)，說明所檢驗(yàn)的因素對(duì)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(dǎo)輪傾斜角對(duì)圓度誤差的影響

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

3.3 磨削砂輪平衡對(duì)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(duì)圓度誤差的影響，在其進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段和磨削800個(gè)套圈后達(dá)到劇烈磨損階段時(shí)分別抽取10組樣本并測(cè)量圓度誤差，由單因素方差分析來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，P值為0.012<0.05，磨削砂輪平衡狀況對(duì)圓度誤差的影響顯著，故磨削砂輪平衡為重要因素。

4 改進(jìn)與控制階段

在確定影響圓度誤差的3個(gè)關(guān)鍵因素后，對(duì)每個(gè)因素取3個(gè)水平，運(yùn)用Minitab中的田口正交法進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]，試驗(yàn)方案及圓度誤差測(cè)量結(jié)果見表3。運(yùn)用Minitab對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后，得到了均值響應(yīng)表(表4)和均值主效應(yīng)圖(圖4)。

表3 試驗(yàn)方案及圓度誤差測(cè)量結(jié)果

表4 圓度誤差的均值響應(yīng)表 μm

圖4 均值主效應(yīng)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(dǎo)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(gè)因素最大與最小平均值之差。

為了證實(shí)改進(jìn)的有效性，改進(jìn)后抽取15個(gè)軸承樣本，每個(gè)樣本的圓度誤差測(cè)量4次，共得到60個(gè)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(yàn)改進(jìn)是否有效、可行。由直方圖可得，改進(jìn)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(diǎn)處于異常狀態(tài)，即該過程處于統(tǒng)計(jì)過程受控狀態(tài)。經(jīng)Minitab計(jì)算得，改進(jìn)后的過程能力指數(shù)Cpk=1.43>1.33，達(dá)到了改進(jìn)的目標(biāo)。

圖5 改進(jìn)后圓度誤差直方圖

圖6 改進(jìn)后的圓度誤差X-R控制圖

5 改進(jìn)效果

軸承的圓度誤差是衡量軸承質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，通過6σ法和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，確定了工件中心高、導(dǎo)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(guān)鍵因素，并對(duì)其采取了有效的改進(jìn)措施，改進(jìn)后提高了軸承套圈外圓磨削工序的穩(wěn)定性，圓度誤差達(dá)到了設(shè)計(jì)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(yàn)成本，為后工序的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保證，達(dá)到了改進(jìn)的效果。