6σ在轴承套圈磨削工艺改进中的应用

郭明月，楼洪梁，李兴林，姚敏雅，陈炳顺

(1.中国计量学院 质量与安全工程学院，杭州 310018；2.杭州轴承试验研究中心有限公司 博士后科研工作站，杭州 310022；3.杭州诚信汽车轴承有限公司，杭州 310024)

轴承套圈磨削加工是整个轴承加工过程中复杂的环节之一，是轴承生产中至关重要的一步[1]。对磨削工艺进行改进是降低成本，提高质量的保证[2-3]。针对轴承套圈磨削工艺，国内外学者在磨削工序的改进、精简以及磨削设备更新方面做了大量的研究工作。文献[4]针对沟道磨削加工中易出现的几种情况，提出了正确选择砂轮宽度和合理修整砂轮的措施。文献[5]采用正交试验法和模糊综合评价法，建立了多目标函数，对轴承套圈工艺参数进行了优化。文献[6]对轴承套圈磨削加工工艺的工序以及使用设备进行多次改进，缩短了生产、检验及工序周转周期。但传统的改进方法尚缺乏对影响磨削质量各个因素的综合分析，没有形成系统的改进管理办法。因此，提出用6σ方法对影响磨削质量的各个因素进行综合分析，实现轴承套圈磨削工艺的改进，提高磨削工序的Cpk值，提升产品质量。

6σ是迄今为止开发的最为完善和先进的质量管理系统，其核心是改善企业经营流程，提高效率，追求零缺陷生产，防范产品责任风险，降低成本，以提高顾客满意度并减少浪费。6σ以数据和事实为基础，通过对现有过程进行定义、测量、分析、改进和控制，找出产生问题的根本原因，并提出改进方法，从而达到提高客户满意度和企业竞争力的目的。与传统的轴承工艺改进方法相比，6σ法的运用使改进更具系统性，更有利于改进的持续进行[7]。

某轴承公司所生产的轴承主要定位于高端市场，因此对轴承在质量安全方面的要求相对较严格，特别是在轴承套圈的检验上，要求更高，这也使轴承的检验成本增加。为提高轴承套圈加工工序的稳定性，降低检验成本，采用6σ方法对轴承套圈的磨削工艺进行改进。

1 定义阶段

外圈外圆是轴承与轴承座配合和安装的定位面，同时也是下道工序加工的定位基准，外圆精度直接影响下道工序(磨削沟道、内圆等)的加工质量。相对于磨削加工的其他工序，外圆磨削更易出现废品。

圆度误差是指回转体在同一正截面上实际被测轮廓相对其理想圆的变动量。机械零件回转表面正截面轮廓的圆度误差对设备的功能有直接影响。因此，选择圆度误差为评定外圆磨削质量的标准。以7326BM型轴承为研究对象，根据使用要求，规定粗磨外圆时圆度误差为0～20 μm为合格。通过6σ法改进，在为下道工序留足磨削余量的前提下，期望达到的目标为：粗磨外圆时圆度误差控制在7～20 μm，最佳值为11 μm左右，并使过程能力指数Cpk达到1.33以上。

2 测量阶段

在磨削加工后的产品中，随机抽取15个样本，测量其圆度误差，其中每个样本测量4次。运用Minitab软件绘制圆度误差的控制图与直方图，如图1和图2所示。图2中，Minitab将样本的圆度误差划分为许多区间，纵坐标代表圆度误差落入各个区间的样本数量占样本总量的百分比(图5同)。

图1 圆度误差的X-R控制图

根据控制图的判异准则:各数据均在控制范围内，说明该过程稳定，没有发生异常现象。由直方图可知，圆度误差近似呈正态分布，即该轴承圆度误差的分布处于正常情况。运用Minitab软件计算过程能力指数，结果如图3所示。根据过程能力指数评价表，可以得到结论：Cpk=0.88<1.00,粗磨外圆过程能力不足，需要进行质量改进。

图3 改进前的过程能力图

3 分析阶段

分析确定粗磨外圆可能影响圆度误差的因素为：(1)工件中心高不合适；(2)导轮倾斜角过大；(3)磨削砂轮不平衡[8]。

3.1 工件中心高对圆度误差的影响

在无心磨削中，如果布局不当，往往会产生严重的表面误差——圆度误差[9]。根据以往的经验可知，对于尺寸大于80 mm的工件，粗磨时工件中心高应为25～30 mm。文中试验轴承外圈外径为280 mm，在中心高合适和不合适2种情况下，分别抽取10组样本，测量其圆度误差，并运用Excel进行单因素方差分析，数据及分析结果见表1和表2。其中，SS为离差平方和，df为自由度，MS为均方，F和P均为衡量因素是否显著的统计量，当F大于临界值Fcrit或者P值小于0.05时，说明所检验的因素对观察值有显著影响。由表2可知，P值为0.03<0.05，即在95%的置信区间内，其影响显著，故工件中心高为重要因素。

表1 中心高方差分析数据

表2 中心高方差分析结果

3.2 导轮倾斜角对圆度误差的影响

导轮的倾斜角决定了一次贯穿磨削时间及磨削的圈数，与圆度的关系极为密切。一般粗磨外圆时，导轮倾斜角不宜过大，2°为分界点。将倾斜角分别调至2°30′和1°30′，各抽取10组轴承样本测量其圆度误差，用单因素方差分析法对数据进行处理。试验结果显示，P值为0.045<0.05，导轮倾斜角对圆度误差的影响显著，故导轮倾斜角为重要因素。

3.3 磨削砂轮平衡对圆度误差的影响

磨削砂轮在磨削过程中要经历跑合阶段(初期)、稳定磨损阶段(中期)和剧烈磨损阶段(末期)。为了确定磨削砂轮平衡对圆度误差的影响，在其进入稳定磨损阶段和磨削800个套圈后达到剧烈磨损阶段时分别抽取10组样本并测量圆度误差，由单因素方差分析来进行数据处理。试验结果表明，P值为0.012<0.05，磨削砂轮平衡状况对圆度误差的影响显著，故磨削砂轮平衡为重要因素。

4 改进与控制阶段

在确定影响圆度误差的3个关键因素后，对每个因素取3个水平，运用Minitab中的田口正交法进行正交试验设计[10]，试验方案及圆度误差测量结果见表3。运用Minitab对试验结果进行分析后，得到了均值响应表(表4)和均值主效应图(图4)。

表3 试验方案及圆度误差测量结果

表4 圆度误差的均值响应表 μm

图4 均值主效应图

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)情况下样本圆度误差的平均值；第3列代表导轮倾斜角在水平1(1°30′)，2(1°45′)，3(2°00′)情况下，样本圆度误差的平均值；第4列代表磨削砂轮平衡在水平1(初期)、2(中期)、3(末期)情况下，样本圆度误差的平均值；δ为每个因素最大与最小平均值之差。

为了证实改进的有效性，改进后抽取15个轴承样本，每个样本的圆度误差测量4次，共得到60个圆度误差值。绘制圆度误差的直方图(图5)与控制图(图6)，以检验改进是否有效、可行。由直方图可得，改进后的圆度误差近似呈正态分布，即圆度误差的分布处于正常状态。根据控制图可以看出，没有点处于异常状态，即该过程处于统计过程受控状态。经Minitab计算得，改进后的过程能力指数Cpk=1.43>1.33，达到了改进的目标。

图5 改进后圆度误差直方图

图6 改进后的圆度误差X-R控制图

5 改进效果

轴承的圆度误差是衡量轴承质量的关键因素之一，通过6σ法和正交试验设计方法，确定了工件中心高、导轮倾斜角以及磨削砂轮平衡是影响轴承套圈圆度误差的关键因素，并对其采取了有效的改进措施，改进后提高了轴承套圈外圆磨削工序的稳定性，圆度误差达到了设计要求，并使磨削过程能力指数从0.88提高到了1.43，有效提高了套圈尺寸的一致性，减少了检验成本，为后工序的稳定生产提供了保证，达到了改进的效果。