Технологическиеметодыобеспечение качества изделий авиационно-космической техники

Технология машиностроения

УДК 621.075.32

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.Н. Старов

В статье сделана попытка дать научное обоснование теоретически возможных и практически достижимых на современном техническом уровне предельных границ по качеству и надежности узлов, определяющих уровень совершенства всего изделия. Для освоенных и вновь разрабатываемых технологических процессов разработана система управления качеством изделий авиационно-космической отрасли

Ключевые слова: обеспечение качества, управление, надежность

Качество изделий современной техники, особенно воздушных транспортных средств, оценивается при контроле в процессе изготовления отдельных элементов, в период испытания узлов, систем и собранного изделия. Особую часть жизненного цикла объекта составляют испытания у заказчика, в частности, для двигателей летательных аппаратов.

Эти мероприятия выявляют недостатки, возникающие на предшествующих стадиях жизненного цикла, в том числе связанные с процессом изготовления изделия. Устранение таких неисправностей может вызвать задержку с плановыми пусками и полетами, так как их не всегда удается исключить на месте эксплуатации. Поэтому требуется целенаправленная техническая политика по созданию и совершенствованию технологических процессов у поставщика, разработка мобильных технических средств для потребителя по восстановлению эксплуатационных характеристик и повышению качества отдельных узлов технологическими (иногда совместно с конструкторами) методами. Результаты испытаний позволяют обосновать место использования освоенных и вновь разрабатываемых технологических процессов для повышения качества и надежности узлов, определяющих уровень совершенства всего изделия, особенно, если оно относится к авиационно-космической отрасли.

Накопленный в отрасли опыт показывает, что технологическими методами можно существенно снизить локальные опасные концентрации напряжений наиболее ответственных деталей изделий, определяющих общий ресурс транспортных средств. Например, для двигателей летательных аппаратов такими элементами оказались переходные участки (места сопряжения, резьбовые соединения), где существующие технологические методы не обеспечивают желаемого уровня качества (плавность переходов, требуемые остаточные напряжения и др.), особенно в случае необходимости устранения дефектов на деталях непосредственно в изделии, поскольку при этом материал уже имеет низкую обрабатываемость механическими методами, а проведение даже несложной операции без разборки изделия не осу-

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 253-09-73

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 253-09-73

Старов Виталий Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 246-19-77

ществимо из-за ограниченного доступа инструмента к месту обработки.

Системный подход позволяет [1] построить модель технологического процесса, учитывающую аспекты и воздействия, и дающую возможность формализовать выбор существенных свойств как всей системы, так и ее структурных составляющих, представленных в виде множеств элементов и отношений.

Принимается [2], что модель М рассматриваемого процесса есть система, описывающая выбор типовых технологических решений как множества Г

с набором отношений {х1, х2,..., хп}, часть которых

получена в процессе испытаний. В результате могут быть получены типовые решения

М=<Г, {х1, х2,.., хп}>.

Ограничением для множества Г служат граничные и начальные условия модели. Здесь Г представляет множество вариантов построения подсистем и системы в целом, {х} - совокупность правил или методики структурных составляющих системы.

Таким образом, математическую модель, устанавливающую связь между этапами технологического процесса, можно представить как функцию от множества Г, в отношении {х} и ограничений {А} М=<Г, {х}, {А}>.

В каждом элементе системы имеются составляющие различного уровня. Пример управления многоуровневой системой контроля качества представлен в работе [2].

Такую иерархию можно представить из 4 уровней или категорий, начиная с первой, охватывающей наиболее ответственные объекты, где брак вызывает потерю работоспособности изделия с серьезными последствиями (например, системы жизнеобеспечения космонавтов). Применительно к первой категории необходимо предусмотреть наибольший объем средств оснащения, соответствующую документацию и другие составляющие системы [3].

Одни и те же конструктивные элементы в различных объектах могут относиться к другим уровням, поэтому нижестоящий уровень и его составляющие могут характеризоваться как индивидуальными, так и общими признаками, характерными для других уровней.

Разработана структура [4] интегрированной системы менеджмента качества наукоемких изде-

лий, построенная в результате обобщения исследований и разработок, а также на основе приведенных выше принципов.

В качестве ядра интегрированной системы используется [5] система менеджмента качества, сертифицированная на соответствие требованиям ГОСТ Р ИСО 9001 - 2001. Это ядро взаимодействует со следующими функциональными и обеспечивающими модулями интегрированной системы:

- управление качеством продукции на всех стадиях ее жизненного цикла;

- управление качеством внешних поставок;

- управление качеством инновационной деятельности предприятия (организация интеллектуального труда, поиск новых технических решений, изобретательская и рационализаторская работа);

- система обоснования разработки новых объектов производства;

- система обоснования выбора оптимального технологического варианта изготовления продукции;

- автоматизированная система проектирования наукоемких изделий (САПР);

- автоматизированная система управления предприятием (АСУП);

- автоматизированная система защиты информации по качеству.

Условия создания автоматизированной системы выбор технологических методов включает следующие факторы: базовое множество решений, характер множества индивидуальных решений; то же для типовых решений; область задания функции выбора; набор функций выбора, которые использует оператор; набор функций.

Концептуальная схема проектирования структуры управления качеством изделий базируется на следующих принципах:

- максимальное использование нетрадиционных и оригинальных методов, базирующихся на патентах и изобретениях;

- применение алгоритмов и программ для существующих типовых технологических и контрольных систем;

- формализация описания контрольных систем с возможностью решения задач по универсальным программам;

- создание экспертных систем для оценки качества принимаемых решений;

- возможность стыковки всех вариантов решения на базе математических функциональных связей;

- повышение качества и достоверности полученного конечного результата путем оптимизации множества вариантов выполнения операций как внутри ее структуры, так и по всему объекту.

Структурная схема управления качеством изделий приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема управления качеством объекта: х - исходная информация об объекте (мировой уровень, маркетинг, возможности обеспечения конкурентоспособности и др.); О - качество объекта, воплощенное в документации; у - исходная информация для обеспечения уровня качества объекта; П - производство объекта; ъ - полученные показатели качества объекта; К - контроль соответствия потребительских качеств объекта у, заложенных в техническом задании х; Э - подтверждение заложенного в техническом задании уровня качества в эксплуатации; V, w - управляющие воздействия на обеспечение качества объекта; J - сигнал обратной связи

Исходная информация (х) включает в себя анализ потребности, основные эксплуатационные показатели, определяющие конкурентоспособность продукции на отечественном и мировом рынках, экономические показатели. В ряде случаев требуется оценить политическую обстановку (например, при разработке средств вооружения), конъюнктуру рынка (например, при производстве нефтегазовой аппаратуры), защищенные приоритеты (наличие патентов на оборудование и др.), возможность изготовления на конкретном предприятии продукции с требуемыми показателями качества (наличие средств контроля х2). На такой стадии требуются эксперты, владеющие положением дел по данному вопросу на международном уровне, как правило, ведущие ученые и разработчики по профилю разработки. Результатом этого этапа управления качеством является техническое задание (ТЗ) на объект или, в случае создания оборонной техники, тактико-технические требования. При качественной экспертизе ТЗ исключаются материальные потери на последующих этапах производства изделий, так как при обоснованном отклонении предложения не потребуется затрат на проектирование объекта (О) и производство (П) объекта.

В процессе проектирования (стадия О на рис.

1) требуется ответить на вопрос, что нужно сделать, чтобы, с одной стороны, обеспечить требования ТЗ, с другой - создать оптимальные технические и экономические условия производства объекта. Результаты этого этапа оценивают по качеству проекта.

Результатом производства (стадия П на рис. 1) является воплощение объекта в реальную конструкцию [3]. Для ответа на вопрос, «что сделано», необходимо провести подготовку производства с учетом

входящей информации (у). Эта стадия, как правило, включает в себя выбор исполнителя (предприятия-изготовителя), отработку технологичности конструкции с учетом возможностей выбранного исполнителя. Здесь учитываются затраты на производство, сроки, объемы, капитальные средства на технологическое перевооружение производства под новое изделие, условия финансирования, географическое расположение соисполнителей (расстояния между предприятиями, средствами связи и видами применяемого транспорта) и другие элементы системы. Качество готового объекта (начиная с головного образца) оценивается испытаниями (г на рис. 1), которые могут проходить у исполнителя и у заказчика. Если производство серийное (например, выпуск нефтегазовых изделий), то испытания проводятся на предприятии-изготовителе. При единичном производстве, как правило, уникальных машин, например, прессов, испытания выполняют как у исполнителя, так и у заказчика. Так, механические прессы окончательно испытываются после полной сборки у потребителя, в большинстве случаев за рубежом. Результатом этого этапа является оценка качества труда исполнителей на стадиях О и П. Если требования конструкторов у оказались выполнимыми и они реализованы в производстве П, объективно оценены г, то показатели у качества объекта К должны быть не ниже, чем х в ТЗ.

Система на рис. 1 постоянно динамически развивается [2], так как изменяются исходные условия х: учитываются новые идеи, открытия, успехи конкурентов, повышение качества средств производства и др. Информационная база, уточненная в процессе эксплуатации Э, дает возможность, своевременно и обоснованно повышать требования х к изделиям или ориентировать разработчика О на начало разработки нового изделия.

На базе структурной схемы может быть построена инвариантная модель управления качеством объекта (рис. 2), включающая множество вариантов воздействия на объект и его структурные составляющие на всех этапах, приведенных на рис. 1.

Структурные составляющие должны просматриваться как объекты контроля на стадиях от О до К с едиными показателями качества, хотя вариантов воздействия на объект может быть как угодно много. Их число зависит от квалификации исполнителей, объема и качества информации (Э на рис 1).

Модель управления качеством может быть представлена в виде

М = {ВхЪ Воь Вуъ Вдь В2Ъ Вкь Вэь вуь В^^

1=1...П,

где п - число оптимальных вариантов воздействия на объект, определяющих возможность достижения и превышения значений показателей качества, заложенных в ТЗ.

Ограничением числа вариантов М служит допустимость каждого варианта для повышения уровня качества в соответствии с нормативами и стандартами.

Поскольку в (1) все варианты взаимосвязаны, то для расчетов множества упорядочиваются методом графов по сетевой модели управления качеством изготовления объекта (см. рис. 2).

Рис. 2. Сетевая модель управления качеством изготовления объекта: х1, х2, ..., хп - первоначальные состояния качества объекта; Oi, О2, ..., Оп - оценки качества объекта; У1, У2, ..., Уп - уровни отработки технологичности; П1, П2, ..., Пп - совершенство и обеспечение в производстве качества объекта; гопт -оптимальный вариант качества объекта; Bj; ^ min -условие оптимальности

Задача оптимизации качества объекта сводится к построению всех (или большинства) графов вариантов создания объекта на всех этапах по рис. 1 и нахождению среди них оптимального сочетания по одному из критериев, например «максимальный технологический показатель», «минимальная себестоимость объекта» или «наибольшая потребность».

Формализовать сетевую модель можно с помощью прототипов, которые учитывают экспертные оценки из базы знаний. Так устанавливаются оптимальные варианты требований к исходной информации х, оценка качества объекта О, уровень отработки технологичности у, совершенство и обеспечение в производстве качества объекта П. Все это синтезируется в единственный вариант решения z, объединяющий оптимальные варианты воздействия от х до П (см. рис. 2) и служащий основой для проектирования эффективного технологического процесса.

Эффективность управления качеством технологическими методами зависит от охвата (с) и глубины (г) контроля. Результатом действий при контроле можно считать коэффициент соответствия реальных параметров ожидаемым (или нормативным), определяемым вероятностным методом.

Множество вариантов охвата и глубины контроля формирует область допустимых решений, из которых находят оптимальный вариант

m

гопт = ^ Bji ^ min.

1

Решение уравнения (2) представляет установление последовательности применения операторов, которые позволят перейти от состояния х (см. рис.

2) к состоянию гопт. Решение возможно, если задано условие оптимальности Bj; ^ min на всем пути до конечного состояния. Это достижимо в форме ориентированного графа g = (с, г), где с = {со, с1,., j -

множество вершин графа, отражающих все варианты действий, г - множество отражающих переход вариантов из одного состояния в другое; с и г имеют общие точки, представляющие оптимальные решения графа g ^ gопx.

Система управления качеством технологическими методами регламентируется техническим контролем, который в машиностроении охватывает все стадии производства изделий. Численность персонала, осуществляющего контроль продукции, может составлять в механических цехах до 20 %, в сборочных - до 47 % от состава основных рабочих, а потери продукции из-за несовершенства контроля достигают 1,5 % ее себестоимости [1]. Оптимальная численность контролеров и их распределение по подразделениям предприятия могут быть достигнуты созданием системы управления техническим контролем в процессе проектирования технологических процессов. При построении системы учитываются нормативно-технические документы, соответствие квалификации исполнителей уровню решаемых задач, обоснованность и достаточность применения прогрессивных технологий, экономическая обоснованность выбора места и средств контроля, уровень автоматизации выполнения операций. Сама система имеет достаточно абстрактный вид, что позволяет применять ее на предприятиях машиностроения любой ориентации. В общем виде модель системы может быть представлена зависимостями

X = {х1, х2, х3, х4);

У = [У

Ъ = [2 (х1, х2), 2 (х1, х3), 2 (х1, х4 )].

где Х - совокупность элементов системы; У - свойства элементов; Z - взаимосвязи элементов; х1 - объект контроля; х2 - средство контроля; х3 - исполнитель; х4 - рабочее место контролера.

На базе модели строится технология контроля, по которой на входе (исходные данные) рассматриваются объекты контроля xi, содержащие детали на

всех этапах обработки и сборки; документация; размеры партии; ограничения, такие как вероятность бездефектного исполнения; экономические оценки (себестоимость, потери от брака и др.).

На выходе в качестве объектов контроля х

рассматриваются годные детали, их число, качество, себестоимость изделия на каждом этапе производства, при отгрузке и в процессе технологического сопровождения при эксплуатации. Управление контролем неразрывно связано с организацией и управлением производством. Информация, поступающая от системы контроля, служит основой для совершенствования объектов производства на стадии их проектирования и изготовления.

Технология контроля на технологических стадиях жизненного цикла изделия формализуется по зависимостям [1, 2]: на входе

А = { х, N1, р1, Сь Д},

где Nj - размер партии объектов контроля; pj - вероятность бездефектного исполнения контрольной операции; Cj - себестоимость изготовления объектов; Д - документация на технический контроль;

на выходе

В = { Xj, N2, р2, С2},

где N2 - число кондиционных объектов контроля; р2 - вероятность правильной приемки объектов контроля; С2 - технологическая себестоимость объекта с учетом результатов контроля.

Связь между элементами технологического процесса происходит через функцию Фк, которая должна стремиться к максимуму:

Фк ^ max.

Ее ограничениями являются

ФлЫ < Фк < Фл

тогда

В = Фк{я, A, аг },

где q - оператор преобразования компонент от А к В; аг - параметры функционирования системы.

Система позволяет создать технологию бездефектной сдачи продукции, но здесь существует ограничение по себестоимости, поэтому применение pj ^ 1,0 не всегда целесообразно.

При p1 < 1,0 следует решить прямую задачу по прогнозированию результата при использовании принятой технологии контроля на стадиях изготовления и эксплуатации изделий.

В = F

где F - варианты выполнения операций контроля при условии р1 ^ max, Фк ^ max; X и - решения исполнителя по выбору варианта при C1 ^ min.

Если требуется оптимизировать решение, то рассматривают обратную задачу:

Xи = F

Такие задачи инвариантны, однако для получения оптимального решения следует начать работу с выбора варианта, учитывающего нетрадиционные методы контроля, изготовления и сборки. Здесь проявляется критерий Кх, характеризующий уровень квалификации исполнителя (Кх ^ max).

Для автоматизированной оценки знаний исполнителей-технологов по стандартным тестам разработана система, в которой (совместно с числом правильных ответов) можно установить соответствие уровня знаний исполнителя занимаемой должности, наличие потенциала на продвижение по службе, предельный уровень требований в настоящее время.

При решении задач (9), (10) выполнения условия C1 ^ min удается достичь при эффективном использовании технологической среды, в частности алгоритмов отработки технологичности типовых объектов.

Решение задач (9), (10) возможно путем многокритериальной оптимизации вариантов и вариантным подходом к получению рационального конечного результата [2, 4, 5].

Результаты от использования материалов работы:

- рост престижа предприятия, что реализуется в приоритетах при получении выгодных заказов в стране и за рубежом;

- научно обоснованные достигнутые и перспективные показатели качества позволяют в новых изделиях до 20-25 % повысить их ресурс и обеспечить надежность при эксплуатации.

Выводы:

1. Установлены качественные и количественные показатели, объединяющие условия эксплуатации транспортной техники, на примерах двигателей летательных аппаратов, разработанными и требуемыми для поддержания, восстановления и повышения показателей качества изделий.

2. На существующем уровне создания и изготовления транспортной техники, в том числе двигателей для авиационно-космической техники, требуется применение и развитие новых технологических методов. Наиболее перспективными являются комбинированные процессы с наложением электрического поля. Они расширяют технологические возможности по повышению качества и надежности изделий вследствие удаления концентраторов напряжений на любых элементах детали, в том числе в труднодоступных для инструмента участках без нарушения прочности профиля. Получены патенты на новые способы комбинированной обработки.

3. Созданная система оптимизации технологических решений обеспечивает интенсивную технологическую подготовку производства, что создает

Воронежский государственный технический университет

реальную возможность ускоренно выйти на мировые рынки сбыта продукции, увеличив за счет этого прибыль и создать финансовые возможности для реконструкции производства под современные требования;

4. Предложенные решения обеспечивают достижение стабильного качества внешних поставок, что положительно влияет на качество и надежность выпускаемой продукции на всех этапах жизненного цикла изделий.

5. Раскрыты перспективы повышения качества изделий технологическими методами, что расширяет возможности разработчиков по проектированию новых изделий с эксплуатационными показателями, обеспечивающими конкурентоспособность продукции на мировом рынке.

Литература

1. Бондарь А.В. Качество и надежность. М.: Машиностроение, 2007. 308 с.

2. Контроль и управление качеством продукции в гибкоструктурном производстве / Н.М. Бородкин, В.И. Клейменов, А.С. Белякин, В.П. Смоленцев. Воронеж: ВГУ. 2001. 158 с.

3. Дунаев И.М., Смоленцев В.П. Новое в типизации процессов механической обработки. М.: Машиностроение, 1989. 48 с.

4. Комков Н. И. Модели программно-целевого управления. М.: Наука, 1981. 268 с.

5. Комплексная система повышения эффективности производства и качества работы. М.: Изд-во стандартов, 1983. 149 с.

TECHNOLOGICAL METHODS OF QUALITY ENSURING IN AIRSPACE ITEMS V.P. Smolentsev, A.I. Boldyrev, V.N. Starov

This article is an attempt to give scientific explanation of theoretically possible and practically achievable at modern technical level top-of-the-range limits of units quality and reliability, defining the perfection level of the whole item. System of item quality management in aerospace industry was worked out for already mastered and anew designed technological processes

Key words: quality ensuring, management, reliability