軸套內(nèi)孔加工精度SPC分析與控制

樂崇年

（寧波市北侖職業(yè)高級中學(xué)，浙江 寧波315803）

1 軸套內(nèi)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(shí)物應(yīng)用圖，材質(zhì)為20鋼。批量生產(chǎn)中，為節(jié)省耗材及提高加工效率，軸套的毛坯采用φ18 mm×3 mm規(guī)格的無縫鋼管型材，經(jīng)鋸床鋸割獲得，長度為（15±0.5）mm；軸套的內(nèi)孔、端面、倒角、外圓等輪廓加工，采用兩臺數(shù)控車床經(jīng)兩道工序完成（工序一為車削右端面、1×30°倒角、內(nèi)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(jié)距1.5 mm），采用三輪滾絲機(jī)滾制完成。實(shí)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(nèi)孔與水泵軸過盈聯(lián)接。為保證葉輪的注塑和使用性能，軸套的加工結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)尺寸要求（如圖1）。葉輪注塑生產(chǎn)時(shí)，軸套的內(nèi)孔尺寸是能否準(zhǔn)確定位并滿足葉輪動平衡要求的關(guān)鍵。軸套與水泵軸之間的過盈配合，可以傳遞轉(zhuǎn)矩，以滿足水泵正常使用性能。如果內(nèi)孔尺寸太小，就會導(dǎo)致過盈配合時(shí)軸套開裂；如果內(nèi)孔尺寸太大，就不能傳遞所需轉(zhuǎn)矩，從而影響水泵性能。因此，在軸套車削加工中，內(nèi)孔尺寸的精度控制尤為重要。

圖1 軸套二維圖

圖2 軸套實(shí)物應(yīng)用圖

實(shí)際生產(chǎn)中，由于受機(jī)床、刀具、工藝等因素影響，發(fā)現(xiàn)軸套的內(nèi)孔加工尺寸呈現(xiàn)一定波動，部分因超出尺寸公差而報(bào)廢。針對以上情況，在對軸套內(nèi)孔加工工序進(jìn)行SPC分析的基礎(chǔ)上，提出了針對性的解決策略并加以改進(jìn)，提高了軸套內(nèi)孔加工的合格率，避免了因批量報(bào)廢而造成的生產(chǎn)浪費(fèi)。

2 SPC基本原理

SPC（Statistical Process Control）是借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法的過程控制理論。SPC理論認(rèn)為，產(chǎn)品的過程質(zhì)量特性值的波動具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性：當(dāng)過程中僅存在偶然波動時(shí)，過程質(zhì)量特性值一般呈正態(tài)分布，此時(shí)系統(tǒng)處于受控狀態(tài)；當(dāng)過程中除偶然波動外，還存在異常波動時(shí)，由于異常波動對偶然波動的疊加效應(yīng)，過程質(zhì)量特性值將偏離正態(tài)分布形態(tài)，即系統(tǒng)處于失控狀態(tài)。因此，可以根據(jù)分布形態(tài)是否偏離，來判斷異常波動是否發(fā)生。

分布形態(tài)的偏離與否，可以借助控制圖（如圖3）檢查得出。控制圖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(wěn)定狀態(tài)，以檢查異常波動或過程變異，估計(jì)過程參數(shù)和能力。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失控時(shí)，可及時(shí)查找原因并采取有效手段改善產(chǎn)品質(zhì)量[1]。控制圖可以看作由正態(tài)分布圖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°獲得，并將正態(tài)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(qū)間劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)等3個(gè)區(qū)域[2]。

圖3 正態(tài)分布與SPC控制圖

通常情況下，當(dāng)一個(gè)過程在開始實(shí)施控制圖時(shí)，不會恰巧處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，一般都存在一定的異常波動。因此，當(dāng)實(shí)施SPC時(shí)，應(yīng)包括建立分析用控制圖和控制用控制圖兩個(gè)階段，SPC工作流程如圖4所示[3]。

圖4 SPC工作流程圖

3 SPC應(yīng)用過程

機(jī)械加工精度主要指零件經(jīng)過加工處理以后，其實(shí)際的幾何參數(shù)（如零件的位置、形狀和尺寸等）和理想的幾何參數(shù)之間偏離的程度[4]。機(jī)械加工精度的影響因素主要包括機(jī)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(nèi)應(yīng)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(wěn)定性較好的軸套內(nèi)孔，其工藝過程必須處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。

3.1 原始數(shù)據(jù)收集

在軸套內(nèi)孔加工工序處于相對穩(wěn)定狀態(tài)后，在一個(gè)工作班次（10 h，產(chǎn)量約2500個(gè)）內(nèi)，每隔30 min隨機(jī)抽取5個(gè)產(chǎn)品作為子組樣本（共20組），并采用氣動量儀進(jìn)行內(nèi)孔加工尺寸的數(shù)據(jù)采集（如表1）。

表1 內(nèi)孔加工尺寸數(shù)據(jù)采集表 mm

3.2 分析用控制圖的生成與分析

將以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入Minitab軟件工作表中，點(diǎn)擊工具欄“統(tǒng)計(jì)”，在彈出的菜單欄中依次點(diǎn)擊“質(zhì)量圖”→“子組的質(zhì)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(wěn)定，故內(nèi)孔加工工序處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)；而此時(shí)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(wěn)定狀態(tài)。

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(shí)間區(qū)間進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，可得到如圖6所示的均值時(shí)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(shí)間序列圖

綜合以上信息，可以初步判斷引起內(nèi)孔加工尺寸異常波動的原因如下：一是數(shù)控車床X軸進(jìn)給方向存在竄動，導(dǎo)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(dǎo)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(fā)生”的經(jīng)驗(yàn)相一致。基于以上分析，采取以下解決策略：1）消除X軸傳動系統(tǒng)間隙，避免竄動發(fā)生；2）改進(jìn)采用一把車刀連續(xù)完成右端面、1×30°倒角、內(nèi)孔加工的工藝方法，單獨(dú)配置一把內(nèi)孔加工車刀，以減少刀具磨損并保證內(nèi)孔表面質(zhì)量；3）根據(jù)內(nèi)孔刀具的磨損程度，及時(shí)進(jìn)行X向磨耗補(bǔ)償，必要時(shí)更換刀片。

3.3 控制用控制圖的生成與分析

依據(jù)上述解決策略進(jìn)行改進(jìn)后，重新收集一個(gè)班次加工的20組樣本數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入Minitab軟件，生成圖7所示的改進(jìn)后“均值-極差”控制圖。

圖7 改進(jìn)后“均值-極差”控制圖

由圖7可知，經(jīng)改進(jìn)后，內(nèi)孔加工的異常波動因素得以排除，加工過程穩(wěn)定并處于受控狀態(tài)，內(nèi)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(nèi)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(jié)果，并對照過程能力指數(shù)CP評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（如表2[5]）。可知，改進(jìn)后的內(nèi)孔加工工序CP=1.60＞1.33，說明工序過程能力充分，技術(shù)管理能力較好，應(yīng)繼續(xù)保持。故可將改進(jìn)后的控制圖轉(zhuǎn)化為控制用控制圖，以監(jiān)控工序過程質(zhì)量。

表2 過程能力指數(shù)CP評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 語

通過應(yīng)用SPC 質(zhì)量管理工具，對內(nèi)孔加工工序進(jìn)行過程分析與控制，使軸套內(nèi)孔加工尺寸異常波動的現(xiàn)象得到及時(shí)預(yù)警和有效排除，避免了因產(chǎn)品批量報(bào)廢而造成的生產(chǎn)浪費(fèi)。實(shí)踐表明，SPC對穩(wěn)定生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)施現(xiàn)代化質(zhì)量管理等，具有重要的實(shí)踐意義。