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節之一，是軸承生產中至關重要的一步[1]。對磨削工藝進行改進是降低成本，提高質量的保證[2-3]。針對軸承套圈磨削工藝，國內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，對軸承套圈工藝參數進行了優化。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、檢驗及工序周轉周期。但傳統的改進方法尚缺乏對影響磨削質量各個因素的綜合分析，沒有形成系統的改進管理辦法。因此，提出用6σ方法對影響磨削質量的各個因素進行綜合分析，實現軸承套圈磨削工藝的改進，提高磨削工序的Cpk值，提升產品質量。

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

某軸承公司所生產的軸承主要定位于高端市場，因此對軸承在質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、內圓等)的加工質量。相對于磨削加工的其他工序，外圓磨削更易出現廢品。

圓度誤差是指回轉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量的標準。以7326BM型軸承為研究對象，根據使用要求，規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Cpk達到1.33以上。

2 測量階段

在磨削加工后的產品中，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間，縱坐標代表圓度誤差落入各個區間的樣本數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

根據控制圖的判異準則:各數據均在控制范圍內，說明該過程穩定，沒有發生異常現象。由直方圖可知，圓度誤差近似呈正態分布，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，結果如圖3所示。根據過程能力指數評價表，可以得到結論：Cpk=0.88<1.00,粗磨外圓過程能力不足，需要進行質量改進。

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，往往會產生嚴重的表面誤差——圓度誤差[9]。根據以往的經驗可知，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，數據及分析結果見表1和表2。其中，SS為離差平方和，df為自由度，MS為均方，F和P均為衡量因素是否顯著的統計量，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%的置信區間內，其影響顯著，故工件中心高為重要因素。

表1 中心高方差分析數據

表2 中心高方差分析結果

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，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據進行處理。試驗結果顯示，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歷跑合階段(初期)、穩定磨損階段(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據處理。試驗結果表明，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果見表3。運用Minitab對試驗結果進行分析后，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分布，即圓度誤差的分布處于正常狀態。根據控制圖可以看出，沒有點處于異常狀態，即該過程處于統計過程受控狀態。經Minitab計算得，改進后的過程能力指數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定性，圓度誤差達到了設計要求，并使磨削過程能力指數從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，為后工序的穩定生產提供了保證，達到了改進的效果。