軸套內孔加工精度SPC分析與控制

樂崇年

（寧波市北侖職業高級中學，浙江 寧波315803）

1 軸套內孔加工過程中存在的問題

圖1、圖2所示分別為某汽車水泵葉輪塑件中軸套的二維圖及實物應用圖，材質為20鋼。批量生產中，為節省耗材及提高加工效率，軸套的毛坯采用φ18 mm×3 mm規格的無縫鋼管型材，經鋸床鋸割獲得，長度為（15±0.5）mm；軸套的內孔、端面、倒角、外圓等輪廓加工，采用兩臺數控車床經兩道工序完成（工序一為車削右端面、1×30°倒角、內孔；工序二為車削左端面、C0.5倒角、外圓）；軸套φ（17±0.1）mm外圓處的菱形滾花（深0.35 mm，節距1.5 mm），采用三輪滾絲機滾制完成。實際使用中，該軸套作為注塑嵌件固定在葉輪塑件中間處（如圖2），其內孔與水泵軸過盈聯接。為保證葉輪的注塑和使用性能，軸套的加工結果應符合相關尺寸要求（如圖1）。葉輪注塑生產時，軸套的內孔尺寸是能否準確定位并滿足葉輪動平衡要求的關鍵。軸套與水泵軸之間的過盈配合，可以傳遞轉矩，以滿足水泵正常使用性能。如果內孔尺寸太小，就會導致過盈配合時軸套開裂；如果內孔尺寸太大，就不能傳遞所需轉矩，從而影響水泵性能。因此，在軸套車削加工中，內孔尺寸的精度控制尤為重要。

圖1 軸套二維圖

圖2 軸套實物應用圖

實際生產中，由于受機床、刀具、工藝等因素影響，發現軸套的內孔加工尺寸呈現一定波動，部分因超出尺寸公差而報廢。針對以上情況，在對軸套內孔加工工序進行SPC分析的基礎上，提出了針對性的解決策略并加以改進，提高了軸套內孔加工的合格率，避免了因批量報廢而造成的生產浪費。

2 SPC基本原理

SPC（Statistical Process Control）是借助數理統計分析方法的過程控制理論。SPC理論認為，產品的過程質量特性值的波動具有一定的統計規律性：當過程中僅存在偶然波動時，過程質量特性值一般呈正態分布，此時系統處于受控狀態；當過程中除偶然波動外，還存在異常波動時，由于異常波動對偶然波動的疊加效應，過程質量特性值將偏離正態分布形態，即系統處于失控狀態。因此，可以根據分布形態是否偏離，來判斷異常波動是否發生。

分布形態的偏離與否，可以借助控制圖（如圖3）檢查得出?？刂茍D是帶有控制界限的圖形工具，用于分析和判斷過程是否處于穩定狀態，以檢查異常波動或過程變異，估計過程參數和能力。當出現數據失控時，可及時查找原因并采取有效手段改善產品質量[1]?？刂茍D可以看作由正態分布圖逆時針旋轉90°獲得，并將正態分布圖的u、u+3σ、u-3σ分別定義為控制圖的CL（Centrol Line，中心線）、UCL（Upper Control Line，控制上限）、LCL（Lower Control Line，控制下限），再將CL到UCL及LCL區間劃分為A區、B區、C區等3個區域[2]。

圖3 正態分布與SPC控制圖

通常情況下，當一個過程在開始實施控制圖時，不會恰巧處于統計受控狀態，一般都存在一定的異常波動。因此，當實施SPC時，應包括建立分析用控制圖和控制用控制圖兩個階段，SPC工作流程如圖4所示[3]。

圖4 SPC工作流程圖

3 SPC應用過程

機械加工精度主要指零件經過加工處理以后，其實際的幾何參數（如零件的位置、形狀和尺寸等）和理想的幾何參數之間偏離的程度[4]。機械加工精度的影響因素主要包括機床、刀具、夾具等誤差，以及加工過程中的受力變形、受熱變形等。此外，零件的測量、內應力、加工原理等也會影響到零件的加工精度。為了加工出尺寸精度符合要求、穩定性較好的軸套內孔，其工藝過程必須處于統計受控狀態。

3.1 原始數據收集

在軸套內孔加工工序處于相對穩定狀態后，在一個工作班次（10 h，產量約2500個）內，每隔30 min隨機抽取5個產品作為子組樣本（共20組），并采用氣動量儀進行內孔加工尺寸的數據采集（如表1）。

表1 內孔加工尺寸數據采集表 mm

3.2 分析用控制圖的生成與分析

將以上數據導入Minitab軟件工作表中，點擊工具欄“統計”，在彈出的菜單欄中依次點擊“質量圖”→“子組的質量控制圖”→“Xbar-R”，可生成如圖5所示的樣本“均值-極差控制圖”。

由圖5可見，子組樣本的極差變化始終處在上下界限之間，過程穩定，故內孔加工工序處于統計受控狀態；而此時子組5、9的樣本均值超出上限尺寸，子組19、20的樣本均值超出下限尺寸，可見工序過程存在異常波動，處于非穩定狀態。

圖5 “均值-極差”控制圖

將子組樣本均值的波動情況，按照加工的時間區間進行分段統計，可得到如圖6所示的均值時間序列圖。由圖可見，工序開始4 h 之 后，樣本均值呈趨勢性減小。

圖6 樣本均值時間序列圖

綜合以上信息，可以初步判斷引起內孔加工尺寸異常波動的原因如下：一是數控車床X軸進給方向存在竄動，導致子組5、9的樣本均值超出上限尺寸；二是存在刀具磨損，導致工序開始4 h之后，樣本均值呈趨勢性減小。以上判斷同“刀具磨損后，由于加工阻力增大，可阻礙竄動發生”的經驗相一致?；谝陨戏治觯扇∫韵陆鉀Q策略：1）消除X軸傳動系統間隙，避免竄動發生；2）改進采用一把車刀連續完成右端面、1×30°倒角、內孔加工的工藝方法，單獨配置一把內孔加工車刀，以減少刀具磨損并保證內孔表面質量；3）根據內孔刀具的磨損程度，及時進行X向磨耗補償，必要時更換刀片。

3.3 控制用控制圖的生成與分析

依據上述解決策略進行改進后，重新收集一個班次加工的20組樣本數據，并導入Minitab軟件，生成圖7所示的改進后“均值-極差”控制圖。

圖7 改進后“均值-極差”控制圖

由圖7可知，經改進后，內孔加工的異常波動因素得以排除，加工過程穩定并處于受控狀態，內孔加工尺寸精度得到有效控制和提升。此外，利用Minitab軟件，可生成如圖8所示的軸套內孔加工工序過程能力分析圖。

圖8 工序過程能力分析圖

觀察圖8所示結果，并對照過程能力指數CP評價標準（如表2[5]）?？芍?，改進后的內孔加工工序CP=1.60＞1.33，說明工序過程能力充分，技術管理能力較好，應繼續保持。故可將改進后的控制圖轉化為控制用控制圖，以監控工序過程質量。

表2 過程能力指數CP評價標準

4 結 語

通過應用SPC 質量管理工具，對內孔加工工序進行過程分析與控制，使軸套內孔加工尺寸異常波動的現象得到及時預警和有效排除，避免了因產品批量報廢而造成的生產浪費。實踐表明，SPC對穩定生產過程、提高產品質量、實施現代化質量管理等，具有重要的實踐意義。