CC BY
85
УДК 669.017
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ УПРАВЛЕНИЕМ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ю.С. Ткаченко, Н.В. Мозговой, Л.И. Назина
В статье рассматривается способ обеспечения качества изделий летательных аппаратов управлением процесса изготовления высококачественных сталей с высоким уровнем конструкционной прочности. Приведен пример применения статистических методов управления качеством тали на этапе металлургического производства. Проанализированы дефекты в сталях и причины их возникновения
Ключевые слова: летательные аппараты, жидкостные ракетные двигатели, высококачественные стали, принципы управления качеством, статистическое управление процессами, анализ причинно-следственных связей
Качество работы деталей и узлов ракетной техники зависит не только от конструктивных решений, но и от того, насколько адекватно подобраны и применяются в изделиях конструкционные материалы, способные работать в условиях высоких и сверхвысоких параметров.
В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), как правило, воздействуют экстремальные эксплуатационные параметры (сверхнизкие и высокие температуры, давление, агрессивные среды и др.). Алгоритм, который охватывает основные элементы наукоемких технологий [1], которые применяют для данного вида изделий, содержит, в том числе, и применение материалов с заданной конструкционной прочностью и более высоким качеством, способных работать в условиях высоких и сверхвысоких параметров.
Среди современных конструкционных материалов, наиболее полно отвечающих указанным требованиям, стали сохраняют свою ведущую позицию, качество которых определяется содержанием вредных примесей, основными из которых, прежде всего, являются сера, фосфор и др. Сера практически нерастворима в железе и поэтому присутствует в стали в форме неметаллических включений - оксидов, сульфидов и оксисульфидов. Фосфор находится в твердом растворе, существенно уменьшает пластичность феррита и способствует хрупкому разрушению, в особенности при отрицательных температурах. Неметаллические включения (оксиды, сульфиды и др.) представляют собой твердые частицы с размерами от 1 мкм до десятков микрометров. Крупные частицы с размерами от 20 мкм и выше снижают прочность, контактную выносливость и другие свойства сталей.
Ткаченко Юрий Сергеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (473) 246-19-77
Мозговой Николай Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (473) 243-76-70
Назина Людмила Ивановна - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (473) 255-15-49
Эти включения оказываются опасными концентраторами напряжений и при знакопеременных нагрузках деталей уменьшают сопротивление усталости. Стали с высоким уровнем конструкционной прочности особенно чувствительны к чистоте металла по неметаллическим включениям и газообразным примесям. При равной статической прочности более чистые сплавы обеспечивают большую надежность, более высокое значение К1с, более низкую температуру перехода в хрупкое состояние и др. Поэтому подобные типы конструкционных сталей, как правило, выплавляют как высококачественные.
Целью работы является оценка возможности и эффективности повышения качества стали для высоконагруженных изделий, в т.ч. ЖРД, по содержанию вредных примесей серы и фосфора и соединений с ними на этапе выплавки с использованием статистических методов. В основу этого подхода положены основные принципы управления качеством [2]:
1) сфокусированность на технологическом процессе, а не на его результатах, что означает предупреждение дефектов, а не их исправление;
2) из предыдущего принципа следует необходимость совершенствования и контроля технологического процесса, что неизбежно приведет к уменьшению нежелательной вариабельности.
Реализация перечисленных принципов с целью повышения эффективности функционирования технологической системы базируется на применении статистических методов повышения качества. Среди семейства статистических методов [3], рекомендуемых для применения при разработке, внедрении, поддержке и улучшении системы менеджмента качества, наиболее распространены гистограмма распределения, контрольные карты Шухарта, диаграмма Парето, диаграмма Исикавы, диаграмма рассеяния.
Внедрение статистических методов с целью новления. В соответствии с требованиями, уста-
уменьшения изменчивости и, следовательно, в новленными в ТУ 14-1-5185-93, по химическому
решении проблем и повышении результативно- составу и механическим свойствам сталь вы-
сти и эффективности, показано на примере вы- плавляется по нормам, указанным в таблице.
пуска металлургической продукции типа сталь
20ПВ, выплавленная на железе прямого восста-
Марка стали Содержание элементов, % мас. Примеси, не более % мас.
С Мп Зі А1 З Р Си Сг N
20ПВ 0,18 -0,23 0,35 -0,65 0,20 -0,37 0,003 -0,009 0,015 0,015 0,15 0,15 0,15
Продолжение таблицы
Марка стали Загрязненность неметаллическими включениями, не более балл Механические свойства
сульфиды оксиды точечные оксиды строчеч- ные силикаты пластич- ные силикаты хрупкие О, МПа от, МПа 5 % У %
20ПВ 2,5 3,0 3,5 3,0 3,5 430 - 550 не менее 265 не менее 26 не менее 55
Для анализа были взяты результаты контроля 80 плавок данной стали одного из металлургических предприятий ЦФО.
Основным инструментом статистического управления процессом для описания и анализа вариаций процесса является гистограмма, показывающая, как распределяются результаты измерений показателей качества. Анализ эмпирического закона распределения показателей качества позволяет проверить гипотезу о соответствии реального закона распределения известному теоретическому, сравнить фактический разброс значений с интервалом допустимых значений. Знание закона распределения обеспечит понимание природы факторов, действующих на технологический процесс.
Основными параметрами, характеризующими закон распределения, являются математическое ожидание ц и стандартное отклонение о которые определяют: ц - центр настройки процесса в данное время, а о - разброс индивидуальных значений вокруг центра. Оценить близость реального распределения известному теоретическому можно с использованием различных статистических критериев, наиболее распространен критерий Пирсона С. Для анализируемых данных критическое значение критерия равно С чшт = 9,45. Построенные гистограммы распределения по наиболее важным показателям качества стали 20ПВ, основные из них представлены на рис. 1, 2. Анализ гистограмм распределения по показателям качества стали 20ПВ позволяют сделать вывод о том, что поля рассеяний показателей химического состава стали, и механических свойств расположены внутри соответствующих полей допусков.
ООООООт-т-
оооооооо о” о” о” о” о~ о” о~ о”
Содержание серы, %
Рис. 1. Гистограмма распределения по показателю -содержание серы (С = 17,85)
о о о о о т- то о о о о о о
о" о" о" о” о” о” о"
Содержание фосфора, %
Рис. 2. Гистограмма распределения по показателю -содержание фосфора (С = 22,80)
Это свидетельствует об удовлетворительных возможностях процесса выплавки стали удовлетворять техническим допускам. Гистограммы, за исключением гистограмм по содержанию серы и фосфора, демонстрируют близость закона распределения к нормальному закону, что свидетельствует о наличии в технологическом процессе выплавки стали общих (случайных) причин вариаций, т. е. вариаций, вызванных многочисленными небольшими и ожидаемыми изменениями в производственных факторах.
Проверка соответствия распределений показателей качества нормальному закону (закону Гаусса) является важным элементом в статистическом управлении качеством. Во-первых, на нормальном распределении базируется основной инструмент статистического контроля и управления качеством - контрольные карты Шухарта, используемые для управления процессами. Во-вторых, отклонение реального распределения от теоретического - нормального позволяет сделать вывод о том, что в технологической системе присутствует хотя бы один фактор, в наибольшей степени влияющий на результат, могущий стать причиной разладки технологического процесса. Задачей управления качеством является выявление такого фактора, разработка корректирующих мероприятий по снижению его влияния на технологическую систему.
Однако гистограммы распределения позволяют анализировать процесс только после того, как будет произведено достаточно много продукции, если существует проблема, она не будет обнаружена вовремя. Для обнаружения проблемы в момент ее появления в реальном времени существует инструмент статистического управления процессом - контрольные карты Шухарта [4]. Контрольные карты Шу-харта показывают такие же изменения результатов измерений, как и гистограммы, но они отображают это варьирование как функцию времени.
Необходимым условием применения контрольных карт Шухарта является нормальность закона распределения показателей качества, причем отклонения от этого предположения влияют на эффективность карт. Контрольные границы на картах выведены при условии нормальности и расположены на расстоянии ± 3 а, что соответствует полю рассеяния показателей, охватывающему весь диапазон измеренных значений с вероятностью 99,73 %. Если в технологической системе действуют случайные
факторы, то выход точек на картах за пределы контрольных границ имеет малую вероятность (около 0,3 %). Появление точек вне границ является сигналом появления неслучайного воздействия на процесс, необходимости проанализировать причины и выработать корректирующие воздействия.
Поскольку контрольные границы используются только как эмпирические критерии при принятии решений, целесообразно пренебрегать малыми отклонениями от нормальности. Благодаря центральной предельной теореме выборочные средние имеют распределение, приближающееся к нормальному с ростом объема выборки, даже когда отдельные наблюдения не подчиняются нормальному закону. Это обосновывает возможность предположения о
нормальности для -карт даже при объемах выборок, столь малых как 4 или 5 единиц, взятых для проведения контроля.
По анализируемым данным построены контрольные карты Шухарта (х — В.).
Анализ контрольных карт Шухарта по показателю качества стали - содержанию серы и фосфора (рис. 3, 4) позволяет сделать вывод о том, что карты характеризуют процесс как статистически неустойчивый.
Это свидетельствует о наличии в технологическом процессе особых, неслучайных причин вариаций. В целях стабилизации химического состава исследуемой стали необходимо разработать ряд организационно-технических мероприятий по выявлению и устранению неслучайных факторов, которые способствовали бы стабилизации технологического процесса ее выплавки.
Решение задачи выявления возможных системных причин, приводящих к нежелательным вариациям показателей качества, возможно с применением таких инструментов, как: диаграмма Исикавы, диаграмма Парето, диаграмма рассеяния. Диаграмма Исикавы позволяет провести исчерпывающий анализ всех возможных причин, соотнести причины и следствие, при помощи диаграммы Парето можно провести систематизации таких причин, выявить наиболее существенные из них. Анализ корреляционной взаимосвязи при помощи диаграммы рассеяния выявит тесноту взаимосвязи с влияющими факторами, позволит сформулировать рациональные технологические режимы, выработать эффективные корректирующие воздействия.
Содержание фосфора, % Содержание фосфора, % Содержание серы, % Содержание серы, %
Карта средних
Номер подгруппы
Карта размахов
0,008
0,006
0,004
0,002 4
0
-I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Номер подгруппы
Рис. 3. Контрольная карта Шухарта по показателю качества - содержанию серы
Карта средних
Номер подгруппы
Карта размахов
Ранее показано, что выявлено отклонение от нормальности закона распределения по таким характеристикам качества стали, как наличие вредных примесей серы и фосфора. Это свидетельствует о наличии важного системного фактора, приводящего к ухудшению качества стали. Оценка наиболее значимых дефектов стали неметаллическими включениями была проведена при помощи диаграммы Парето -статистического инструмента, позволяющего выявить наиболее значимые виды дефектов. По результатам 80 плавок были получены данные, представленные графически на рис. 5. На диаграмме представлен наиболее значимый дефект - загрязнение сульфидами, которые представляют собой пластичные, вытянутые по направлению волокна, отдельные включения или группы включений, как правило, двойного сульфида железа.
Все возможные причины возникновения нежелательных включений в стали могут быть представлены в виде диаграммы Исикавы -диаграммы, наглядно представляющей причины и следствие технологического процесса выплавки стали.
Были рассмотрены четыре важные группы возможных причин появления включений -операции технологического процесса выплавки стали, технологическое оборудование, на котором осуществляется процесс, сырье и материалы, используемые в производстве, а также человеческий фактор, также могущий повлиять на качество продукта. Такой прием, как мозговой штурм позволил представить причинноследственную диаграмму в виде (рис. 6).
100
с
с
ГО
Ю
О
Номер подгруппы
80
60
40
20
о
л
го
|_
ф
0
Рис. 4. Контрольная карта Шухарта по показателю качества - содержанию фосфора
Рис. 5. Диаграмма Парето по видам дефектов неоднородности стали
Промасленная стружка
Неправильный выбор шлаковой смеси
Горячебрикети-рованное железо
Внепечная об-
работка
Темпера-Привозной лом тура
Металлические ^
окатыши Разливка
Температурный
режим
Разливочный ковш
Нарушение
футеровки
Z.
. V
Попадание шла-
Отсутствие электромагнитного ^ перемешивания
Условия труда
Кристаллизатор
Машина непрерывного литья заготовок
Человек
Кристаллизация
слитка
Дефекты неоднородности стали
Уровень мастерства
Нарушение температурноскоростного режима Рис. 6. Диаграмма Исикавы причин возникновения дефектов стали 20ПВ
Обучение и практика
Установление точек контроля на всех этапах технологического процесса, выявленных с помощью диаграммы, позволяет отслеживать все элементы системы, ожидая на выходе стабильного качества продукции.
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.
Исследование показателей качества стали 20ПВ при помощи гистограмм распределения позволил выявить в технологическом процессе выплавки наличие факторов, в наибольшей степени влияющих и способных его дестабилизировать. Контрольные карты Шухарта подтвердили предположение о нестабильности процесса. С помощью диаграммы Парето установлены наиболее значимые дефекты стали 20ПВ - загрязнение сульфидами, которые представляют собой пластинчатые, вытянутые по направлению волокна. Определены наиболее
важные группы причин появления сернистых включений, которые должны быть подвергнуты управляющим воздействиям.
Литература
1. Оценка эффективности при внедрении высоких наукоемких технологий / С. В. Усов, Д. С. Свириденко, А. А. Болдырев и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 7.1. -С. 87-91.
2. Шотмиллер, Дж. Статистическое управление процессами - эволюция в новое столетие [Текст] / Дж. Ч. Шотмиллер // Методы менеджмента качества. - 2004. - № 5. - С. 36-43.
3. ГОСТ Р ИСО/ТО 10017-2005. Статистические методы. Руководство по применению в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001 [Текст]. - М. : Стандартинформ, 2005 . - IV, 20 с.
4. ГОСТ Р 50779.42-99. Статистические методы. Контрольные карты Шухарта [Текст]. - М. : Госстандарт России: ИНК. Изд-во стандартов, 1999. - IV, 32 с.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет инженерных технологий
ENSURING QUALITY OF PRODUCTS OF AIRCRAFT WITH MANAGEMENT OF PROCESS OF PRODUCTION OF CONSTRUCTIONAL MATERIALS
Yu.S. Tkachenko, N.V. Mozgovoy, L.I. Nazina
In article the way of ensuring quality of products of aircraft, by management of process of production high-quality steel with high level of constructional durability is considered. The example of application of statistical methods of management by quality of a waist at a stage of metallurgical production is given. Defects in steel and the reasons of their emergence are analysed
Key words: aircraft, liquid rocket engines, high-quality became, the principles of quality management, statistical management of processes, the analysis of relationships of cause and effect
