轴套内孔加工精度SPC分析与控制

乐崇年

（宁波市北仑职业高级中学，浙江 宁波315803）

1 轴套内孔加工过程中存在的问题

图1、图2所示分别为某汽车水泵叶轮塑件中轴套的二维图及实物应用图，材质为20钢。批量生产中，为节省耗材及提高加工效率，轴套的毛坯采用φ18 mm×3 mm规格的无缝钢管型材，经锯床锯割获得，长度为（15±0.5）mm；轴套的内孔、端面、倒角、外圆等轮廓加工，采用两台数控车床经两道工序完成（工序一为车削右端面、1×30°倒角、内孔；工序二为车削左端面、C0.5倒角、外圆）；轴套φ（17±0.1）mm外圆处的菱形滚花（深0.35 mm，节距1.5 mm），采用三轮滚丝机滚制完成。实际使用中，该轴套作为注塑嵌件固定在叶轮塑件中间处（如图2），其内孔与水泵轴过盈联接。为保证叶轮的注塑和使用性能，轴套的加工结果应符合相关尺寸要求（如图1）。叶轮注塑生产时，轴套的内孔尺寸是能否准确定位并满足叶轮动平衡要求的关键。轴套与水泵轴之间的过盈配合，可以传递转矩，以满足水泵正常使用性能。如果内孔尺寸太小，就会导致过盈配合时轴套开裂；如果内孔尺寸太大，就不能传递所需转矩，从而影响水泵性能。因此，在轴套车削加工中，内孔尺寸的精度控制尤为重要。

图1 轴套二维图

图2 轴套实物应用图

实际生产中，由于受机床、刀具、工艺等因素影响，发现轴套的内孔加工尺寸呈现一定波动，部分因超出尺寸公差而报废。针对以上情况，在对轴套内孔加工工序进行SPC分析的基础上，提出了针对性的解决策略并加以改进，提高了轴套内孔加工的合格率，避免了因批量报废而造成的生产浪费。

2 SPC基本原理

SPC（Statistical Process Control）是借助数理统计分析方法的过程控制理论。SPC理论认为，产品的过程质量特性值的波动具有一定的统计规律性：当过程中仅存在偶然波动时，过程质量特性值一般呈正态分布，此时系统处于受控状态；当过程中除偶然波动外，还存在异常波动时，由于异常波动对偶然波动的叠加效应，过程质量特性值将偏离正态分布形态，即系统处于失控状态。因此，可以根据分布形态是否偏离，来判断异常波动是否发生。

分布形态的偏离与否，可以借助控制图（如图3）检查得出。控制图是带有控制界限的图形工具，用于分析和判断过程是否处于稳定状态，以检查异常波动或过程变异，估计过程参数和能力。当出现数据失控时，可及时查找原因并采取有效手段改善产品质量[1]。控制图可以看作由正态分布图逆时针旋转90°获得，并将正态分布图的u、u+3σ、u-3σ分别定义为控制图的CL（Centrol Line，中心线）、UCL（Upper Control Line，控制上限）、LCL（Lower Control Line，控制下限），再将CL到UCL及LCL区间划分为A区、B区、C区等3个区域[2]。

图3 正态分布与SPC控制图

通常情况下，当一个过程在开始实施控制图时，不会恰巧处于统计受控状态，一般都存在一定的异常波动。因此，当实施SPC时，应包括建立分析用控制图和控制用控制图两个阶段，SPC工作流程如图4所示[3]。

图4 SPC工作流程图

3 SPC应用过程

机械加工精度主要指零件经过加工处理以后，其实际的几何参数（如零件的位置、形状和尺寸等）和理想的几何参数之间偏离的程度[4]。机械加工精度的影响因素主要包括机床、刀具、夹具等误差，以及加工过程中的受力变形、受热变形等。此外，零件的测量、内应力、加工原理等也会影响到零件的加工精度。为了加工出尺寸精度符合要求、稳定性较好的轴套内孔，其工艺过程必须处于统计受控状态。

3.1 原始数据收集

在轴套内孔加工工序处于相对稳定状态后，在一个工作班次（10 h，产量约2500个）内，每隔30 min随机抽取5个产品作为子组样本（共20组），并采用气动量仪进行内孔加工尺寸的数据采集（如表1）。

表1 内孔加工尺寸数据采集表 mm

3.2 分析用控制图的生成与分析

将以上数据导入Minitab软件工作表中，点击工具栏“统计”，在弹出的菜单栏中依次点击“质量图”→“子组的质量控制图”→“Xbar-R”，可生成如图5所示的样本“均值-极差控制图”。

由图5可见，子组样本的极差变化始终处在上下界限之间，过程稳定，故内孔加工工序处于统计受控状态；而此时子组5、9的样本均值超出上限尺寸，子组19、20的样本均值超出下限尺寸，可见工序过程存在异常波动，处于非稳定状态。

图5 “均值-极差”控制图

将子组样本均值的波动情况，按照加工的时间区间进行分段统计，可得到如图6所示的均值时间序列图。由图可见，工序开始4 h 之 后，样本均值呈趋势性减小。

图6 样本均值时间序列图

综合以上信息，可以初步判断引起内孔加工尺寸异常波动的原因如下：一是数控车床X轴进给方向存在窜动，导致子组5、9的样本均值超出上限尺寸；二是存在刀具磨损，导致工序开始4 h之后，样本均值呈趋势性减小。以上判断同“刀具磨损后，由于加工阻力增大，可阻碍窜动发生”的经验相一致。基于以上分析，采取以下解决策略：1）消除X轴传动系统间隙，避免窜动发生；2）改进采用一把车刀连续完成右端面、1×30°倒角、内孔加工的工艺方法，单独配置一把内孔加工车刀，以减少刀具磨损并保证内孔表面质量；3）根据内孔刀具的磨损程度，及时进行X向磨耗补偿，必要时更换刀片。

3.3 控制用控制图的生成与分析

依据上述解决策略进行改进后，重新收集一个班次加工的20组样本数据，并导入Minitab软件，生成图7所示的改进后“均值-极差”控制图。

图7 改进后“均值-极差”控制图

由图7可知，经改进后，内孔加工的异常波动因素得以排除，加工过程稳定并处于受控状态，内孔加工尺寸精度得到有效控制和提升。此外，利用Minitab软件，可生成如图8所示的轴套内孔加工工序过程能力分析图。

图8 工序过程能力分析图

观察图8所示结果，并对照过程能力指数CP评价标准（如表2[5]）。可知，改进后的内孔加工工序CP=1.60＞1.33，说明工序过程能力充分，技术管理能力较好，应继续保持。故可将改进后的控制图转化为控制用控制图，以监控工序过程质量。

表2 过程能力指数CP评价标准

4 结 语

通过应用SPC 质量管理工具，对内孔加工工序进行过程分析与控制，使轴套内孔加工尺寸异常波动的现象得到及时预警和有效排除，避免了因产品批量报废而造成的生产浪费。实践表明，SPC对稳定生产过程、提高产品质量、实施现代化质量管理等，具有重要的实践意义。