автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Управление качеством продукции в производственных системах, выполняющих специальные процессы на примере литейного производства

На правах рукописи

Ковалев Максим Игоревич

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ, ВЫПОЛНЯЮЩИХ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПРИМЕРЕ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

1 и г,АР ¿014

Курск - 2014

005546274

005546274

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» Южно-Российского государственного политехнического университета имени М.И. Платова (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Байдюк Андрей Петрович

Официальные оппоненты:

Димитров Валерий Петрович

доктор технических наук, профессор, декан факультета «Приборостроение и техническое регулирование» Донской государственный технический университет

Плахотникова Елена Владимировна

кандидат технических наук, доцент кафедры «Инструментальные и метрологические системы» Тульский государственный университет

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Роствертол»

г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «24» апреля 2014 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94 ауд. Г-7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета и на сайте Юго-Западного государственного университета www.swsw.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.09

Павлов Евгений Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные рыночные отношения предъявляют к промышленным предприятиям высокие конкурентные требования в соотношении «качество продукции - цена», что в результате мотивирует промышленников к снижению производственных потерь и себестоимости, а также постоянному повышению качества выпускаемой продукции с помощью современных методов контроля и управления качеством. Основной причиной некачественной продукции машиностроительных предприятий является несовершенство производственных процессов, которые обладают высокой степенью вариабельности и заведомо приводят к выпуску дефектной продукции. Для машиностроительной отрасли особенно актуальным является литейное производство, поскольку, на вариабельность данных производственных процессов оказывает влияние большое количество факторов, а попадание дефектных отливок на последующие стадии производственного цикла приносит значительные потери от брака. В свою очередь по данным статистики годовой объем производства отливок в мире превышает 100 млн. т., из которых около 20 % приходится на Российскую Федерацию. Однако литейная технология имеет ряд проблем, которые приводят к технологически неизбежным потерям от 5 до 10 %.

Важным является не только соответствие требованиям отдельной партии отливок, но и стабильность качества объекта управления в долгосрочной перспективе, уменьшение потерь, связанных с несовершенством технологии и производственной системы в целом. Существенным является тот факт, что литейное производство это специальный процесс и качество отливок можно оценить только после завершения процесса розлива металла. Анализ технологии производства отливок показал, что температура расплавленного металла является одним из важнейших факторов при производстве отливок, следовательно, необходимо управлять динамикой данного параметра в режиме реального времени. В существующей технологии управление температурой металла не осуществляется, а проводится лишь контроль посредством пирометров и термопар (замер температуры металла в контрольных точках), что свидетельствует об отсутствии системного подхода и обратной связи в управлении специальными процессами. С другой стороны, объективным препятствием повышению качества выпускаемых изделий и сокращению уровня дефектности продукции на большинстве машиностроительных предприятий России является физически устаревшее оборудование, а также устаревшие и не совершенные методы и средства контроля технологических процессов.

Как показал проведенный анализ, вопрос выбора средств измерения обусловлен условиями эксплуатации, возможностью применения в определенных температурных режимах, способом доступа к объекту измерения, инерционностью и т.д. Все перечисленные факторы затрудняют принятие решения при контроле качества продукции литейного производства при этом активно идущая на современных предприятиях информатизация и компьютеризация производства ставит перед предприятиями задачу моделирования технологических процессов и создания эффективных систем управления качеством продукции.

Таким образом, актуальной является задача разработки информационной модели динамики качества процесса розлива металла с целью осуществления предупреждающих действий на основе критерия, позволяющего прогнозировать качество конечной продукции.

Цель работы заключается в повышении эффективности и снижении дефектности технологического процесса розлива металла посредством разработки методов управления качеством специальными процессами за счет предопределения конечного результата.

Объект исследования. Производственный процесс изготовления отливок из серого чугуна.

Предмет исследования. Взаимосвязи между действующими факторами процесса розлива металла и методы управления его качеством.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ технологического процесса розлива металла для выявления и классификации несоответствий, приводящих к увеличению дефектности отливок, и источников их возникновения;

- на основе анализа Парето сформировать перечень возможных литейных дефектов и выделить основные причины, которые значительно влияют на дефектность отливок;

- разработать математическую модель критичного оборудования в виде специальной программы для ЭВМ с точки зрения степени влияния па качество конечного продукта;

- выполнить экспериментальные исследования и получить статистический анализ соответствия математической модели реальному объекту;

- разработать методику проведения статистического анализа информации о качестве продукции в процессе производства на основе простых инструментов управления качеством;

-разработать производственную инструкцию по применению цикла PDCA и статистических методов управления качеством, позволяющих стандартизовать ритмичное снижение уровня дефектности;

- разработать алгоритм определения уровня дефектности технологического процесса производства отливок и реализующую его программу для ЭВМ;

- провести опытную апробацию разработанных программных продуктов, методики и производственной инструкции в условиях реального производства для подтверждения их пригодности к применению.

Методы исследования, обоснованность и достоверность. В работе применен комплексный подход, основанный на теоретическом анализе и эксперименте. Исследования проводились на основе методов всеобщего управления качеством (TQM); квалиметрии; метрологии; метода элементарных энергетических балансов; математической статистики; инструментов управления качеством и математического моделирования с использованием языков программирования VBA (Visual Basic for Applications) и Turbo Pascal 7.0.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются фундаментальными законами термодинамики; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке методических материалов; использованием аттестованного измерительного оборудования при проведении экспериментов; сходимостью теоретических положений с результатами экспериментальных исследований (расхождение не превышает 10 %); апробацией основных результатов работы на Всероссийских и международных научных конференциях и внедрением разработанных методик и алгоритмов на машиностроительных предприятиях Российской Федерации.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 1 «Методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов» и п. 5 «Методы стандартизации и управления качеством в CALS-технологиях и автоматизированных производственных системах» паспорта научной

специальности 05.02.23 - «Стандартизация и управление качеством продукции» (технические науки).

Автор защищает:

1 Алгоритм применения инструментов управления качеством и реализующую его компьютерную программу, предназначенный для снижения уровня дефектности производственных процессов. Методику инженерной оценки качества технологического процесса, основанную на корреляционном анализе индексов воспроизводимости процессов, позволяющую повысить точность расчетов и автоматизировать вычисления ожидаемого уровня дефектности технологического процесса.

2 Систему управления, соответствующую алгоритму применения инструментов управления качеством, реализованную в виде модели и компьютерной программы нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов, применение которых позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования перед началом специального технологического процесса на основе факторов изменяющихся на коротком промежутке времени.

3 Систему управления качеством специальным технологическим процессом, основанную на широтно-импульсном модулировании, обеспечивающую эффективный контроль за расходом энергоресурсов и позволяющую прогнозировать качество конечного продукта.

Научная новизна работы.

1 С целью управления процессом и контроля факторов изменяющихся на коротком промежутке времени разработан программный продукт в основу которого положена математическая модель нестационарного температурного поля литейного оборудования.

2 Предложена методика расчета индексов воспроизводимости процессов (Ср и Срк) на основе корреляционного анализа, позволяющая повысить точность расчетов уровня дефектности производственных процессов (свидетельство № 2009612539 от 13.07.2009).

3 Быстродействие системы рассмотренной как система широтно-импульсного модулирования (ШИМ) в которой широта импульса (критерий управления качеством) определяет качество продукции и рассчитывается в результате применения разработанного программного продукта (свидетельство № 2011618037 от 10.01:2012).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Управление качеством (как показано на примере литейного производства) требует системного подхода, для реализации которого разработана модель нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов, позволяющая с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования в системе управления качеством технологического процесса.

Разработанные методики, алгоритмы и программы дают возможность с высокой степенью вероятности и за минимальное время прогнозировать период нагрева литейного оборудования и определять уровень дефектности конечного продукта до запуска в производство, исключая возможность повторение ошибок и повышая надежность системы управления качеством.

Результаты диссертационной работы использованы в НИОКР, выполненных в соответствии с грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме: «Разработка современных моделей и устройств с использованием новых методов и технологий», проект № 10209 2010 года «Разработка численной модели нестанционарного теплового поля ковша для разливки чугуна».

Результаты работы используются (получены акт внедрения и акт производственных испытаний) в производственной деятельности пяти цехов основного производства ООО «ПК «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) и в цехе № 30 ОАО «Демиховский машиностроительный завод» (г. Орехово-Зуево), входящих в состав ЗАО «Трансмашхолдинг» крупнейшей в России компании в области транспортного машиностроения.

Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) при подготовке инженеров по специальности 221400 «Управление качеством» и магистров по направлению 220200.68 «Автоматизация и управление», при выполнении дипломных работ по специальности 221400 «Управление качеством», а также в учебном процессе корпоративного учебного центра ООО «ПК «НЭВЗ» при повышении квалификации производственных мастеров, технологов и контролеров ОТК.

Новизна и практическая ценность результатов диссертационных исследований подтверждена двумя авторскими свидетельствами о регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе:

XXI и XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008; Псков, 2009);

Международная научно-практическая конференция «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009);

Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна - 2009» (Новочеркасск, 2009);

Международная научно-практическая конференция «Бережливое производство -фактор прогрессивного развития производственных систем» (Новочеркасск, 2012);

Международная молодежная конференция «Академические и фундаментальные исследования молодых ученых Росс™ и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций» (Новочеркасск, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статья в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, получено 2 авторских свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,

четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы_

стр. основного текста,_рисунка,_таблиц, список литературы из_наименований и_

стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования; изложены цели и задачи диссертационной работы; сформулированы научная новизна, достоверность результатов и практическая значимость; представлены методы исследования; изложены основные положения, выносимые на защиту; даны сведения о структуре работы, степени разработанности, апробации и реализации научных результатов.

В первой главе «Процессный подход к управлению качеством специальными технологическими процессами и определение узких мест производственной цепочки изготовления отливок»

Сформулированы основные направления повышения качества готовой продукции на предприятии. Согласно требованиям ГОСТ ISO 9001-2011 «Системы менеджмента качества. Требования» и IRIS «Международный стандарт железнодорожной промышленности», необходимо осуществлять мероприятия, предпринимаемые повсюду в организации

с целью повышения эффективности и результативности деятельности процессов. Представлено, что управление качеством продукции включает методы и виды деятельности оперативного характера, направленные как на управление процессом, так и на устранение причин неудовлетворительного функционирования на всех этапах петли качества для достижения экономической эффективности.

Показано, что функционирование системы менеджмента на предприятии основано на процессном подходе, который позволяет оперативно управлять, как основными, так и вспомогательными процессами в организации. Особое внимание в ГОСТ ISO 9001-2011 и IRIS придается управлению специальными процессами на предприятии такими, как литейное производство, сварка, пайка и т.д., которые отличаются от остальных процессов тем, что качество продукции не возможно оценить в процессе производства, а только после выполнения всех стадий технологического цикла. Повысить качество специальных процессов возможно только за счет использования данных статистики, мониторинга технологического процесса и обратной информации от потребителя.

Показано, что применение процессного подхода к управлению качеством позволяет снизить издержки производства за счет сокращения числа несоответствующей продукции и дает возможность повысить качество принимаемых управленческих решений. Однако, как показало исследование, вопросы построения единой методики управления специальными процессами и определения предупреждающих действий, направленных на совершенствование процессов, не нашли окончательного решения.

Выполнен анализ процессов предприятия, связанных с технологической цепочкой производства отливок из серого чугуна. Рассмотрены основные технологические требования к температуре жидкого металла, оказывающие непосредственное воздействие на качество конечного продукта. Показано, что качество отливок зависит от множества факторов таких как: технология, сырье, оборудование, персонал, а также используемые средства контроля и измерения. В соответствии с требованиями менеджмента качества, который подразумевает не контроль, а управление производственными процессами, проведен анализ факторов влияющих на качество отливок с учетом стадий технологического процесса и определены контрольные точки, в которых необходимо проводить мониторинг температурных режимов. Кроме того, опыт массового производства показывает, что несмотря на стремление производителя обеспечить идентичность свойств сырья, химические свойства используемых материалов имеют существенный разброс даже в пределах одной партии.

Анализ специальных процессов как объекта исследований показал, что для оценки результативности и эффективности процессов применяются общепризнанные мировые показатели (количественные или альтернативные), которые определяются индивидуально для каждого процесса. Определение причин нестабильности — главным образом строится на основе регистрации событий, происходящих по ходу процесса. Обычно такая задача решается на основе опыта и знаний непосредственных исполнителей процессов, их разработчиков и руководителей. Однако не всегда таких методов бывает достаточно, особенно когда речь идет о специальных процессах с большим количеством влияющих факторов.

Создание эффективных систем управления качеством литейного производства сдерживается тем, что известные методы контроля температурных режимов не позволяют оказывать предупреждающие действия, а лишь фиксируют информацию без осуществления обратной связи. Перспективным направлением решения данной проблемы является создание системы управления качеством технологического процесса розлива металла, обеспечивающей получение необходимой информации о температурных режимах технологической цепочки и ожидаемом уровне дефектности отливок, позволяющей

прогнозировать качество продукции. На основании вышеизложенного определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Анализ методов и средств измерения температуры в металлургической промышленности»

Установлено, что для управления качеством литья необходимо поддерживать физические свойства металла. В зависимости от состава металла, массы и конфигурации литья существует оптимальная минимальная величина перегрева над температурой кристаллизации, обеспечивающая достаточную доя заполнения форм текучесть металла. Технология металлургии требует измерения температуры металла в пределах от 1150 до 1850 °С, причем с высокой точностью (более ±1 %), а градиент температур в металлургической промышленности можно разделить на ряд характерных диапазонов: средние (0-1000 °С), высокие (1000-3000 °С) и сверхвысокие (выше 3000 °С).

Проведенный анализ показал, что широкий диапазон подлежащих измерению температур в процессе розлива металла, разнообразие условий и объектов измерений обусловили многочисленность методов и средств измерения температуры. Все используемые методы измерения температур можно разделить на два основных типа: динамические методы и метод «свидетелей». Метод «свидетелей» позволяет определять только конечную температуру термообработки в какой-либо точке печи или разливочного оборудования. Динамические методы измерения температур позволяют измерять температуры в какой-либо точке печи или разливочного оборудования в определенном диапазоне температур, с одновременным контролем их изменения во времени.

Анализ возможных способов замера температур в литейном производстве показал, что современный уровень развития техники измерения не позволяет осуществлять достоверный контроль динамики изменения температурного поля в течение всего технологического процесса розлива металла (таблица 1). Результаты проводимых замеров в отдельных точках технологического процесса могут быть использованы только в качестве исследовательских данных и неприменимы ни для отладки и оптимизации процесса, ни, тем более, в качестве сигнала управления процессом.

_ Таблица 1

Средство измерения Недостатки

Дилатометры 1) Чрезвычайно низкая механическая прочность; 2) Недостаточная длина от 1.0 до 1.3 м.

Метод «свидетелей» 1) Требует высокую химическую чистоту материала; 2) После плавления и розлива металла покрыты тончайшей пленкой ферропримесей, которые дополнительно приходится удалять растворением в кислотах.

Термопары 1) Для измерения температуры необходим контакт с измеряемым объектом, а в металлургии довольно часто контакт с объектом не возможен; 2) Характерные для литейного производства высокие температуры (от 1300 до 2500 °С), оказывают негативное воздействие на защитным чехол термопары, в результате чего происходит износ и разрушение чехла; 3) Термопары имеют небольшой срок службы, особенно при измерении высоких температур; 4) При измерениях температуры необходимо обеспечить плотный контакт горячего спая с поверхностью объекта, а холодный спай должен находиться при 0 °С; 5) В случае, когда холодный спай находиться не при 0 °С требуется градуировка шкалы термопары; 6) Нелинейность измерительной шкалы; 7) Высокая постояппая времени, что не приемлемо для большинства производстве!шых процессов.

Пирометры Необходимо учитывать: 1) Изменение излучательной способности поверхности в зависимости от длины волны; 2) 11аличие поглощения излучения в среде мсяшу пирометром и объектом контроля; 3) Геометрические параметры поля зрения пирометра; 4) Температуру окружающей среды и корпуса прибора; 5) Погрешности, которые при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра; 6) Пирометром может быть измерена только температура поверхности объекта, измерение температуры внутри объекта возможно лишь путем нарутпепия его целостности.

Учитывая тот факт, что литейное производство это специальный процесс, поэтому неотъемлемой частью контроля качества продукции на конечной стадии производственного процесса в сочетании со средствами измерения технологических параметров широко используются методы неразрушающего контроля.

Результаты проведенного 8\\ЮТ-анализ неразрушающих методов контроля формализованы в виде таблицы 2.

___Таблица 2

Метол НК Типы обнаруживаемых дефектов Требования к объекту контроля Достоинства Недостатки

М а гн иго-порошковый Поверхностные трещины, волосовины, закаты, включения. Ферромагнитные металлы, чистота обработки поверхности Яг2,5 Простота и наглядность контроля. Загрязнение поверхности. Необходимость размагничивания изделий после контроля.

Вихреюковый Поверхностные и подповерхностны е (глубиной до 5 мм)трещины, волосовины, закаты, включения. Чистота обработки поверхности Кг2,5 Бесконтактное возбуждение вихревых токов. Возможность автоматизации контроля. Возможность контроля через неметаллические покрытия. Трудность выделения полезного сигнала на фоне помех, обусловленных его зависимостью от многих параметров контролируемого изделия. Наличие высококвалифицированного персонала. Отсутствие наглядности результатов контроля.

Радиографический Непровары, трещины, поры, шлаковые включения, раковины. Двусторонний доступ. Отсутствие наружных дефектов, превышающих чувствительность контроля. Высокая чувствительность контроля. Наглядность результатов контроля. Радиационная опасность. Большая длительность технологического цикла контроля. Дорогостоящие материалы.

Ультразвуковой Внутренние дефекты различной ориентации и формы. Чистота обработки поверхности Яг10 Высокая производительность и малая стоимость контроля. Выявление дефектов с малым раскрытием различной ориентации и формы. Возможность контроля больших толщин. Наличие высококвалифицированного персонала. Отсутствие наглядности и сложность расшифровки результатов контроля. Необходимость применения контактной жидкости, что влечет за собой загрязнение поверхности.

На основании выполненного анализа следует сделать вывод о том, что технически задача измерения температурных полей в металлургическом оборудовании на сегодняшний день не имеет однозначного решения. Поэтому управление процессом розлива металла во всем мире ведется только по заранее заданному расходу энергии, т.е. без осуществления обратной связи. Это вполне допустимо при работе по неизменному режиму. Но при необходимости варьирования технологии, например в случае изменения свойств сырья, времени розлива металла или температуры окружающей среды, знание динамики формирующегося температурного поля в литейном оборудовании становится обязательным условием.

В третьей главе «Теоретическое обоснование и экспериментальное тестирование алгоритмов для статистического анализа управляемости производственных процессов» проведен статистический анализ качества продукции литейного производства машиностроительного предприятия, который выполнен с помощью инструментов управления качеством, а именно: Контрольный листок; Диаграмма Парето; Контрольные карты Шухарта; Диаграмма рассеивания; Гистограмма;

стратификация; Диаграмма Исикавы. Данные инструменты обеспечивают один из базовых принципов управления качеством, который состоит в принятии решений на основе фактов и являются инструментами математической статистики, направленными на управление процессами, как производственными, так и управленческими.

Известно, что причины появления дефектных изделий универсальны, частично они вызываются физико-химическими процессами создания изделий, а частично связаны с вариабельностью (изменчивостью) материалов, процессов, приемов работы, методов контроля и т.д. С целью систематизации работ по уменьшению вариабельности производственных процессов разработана методика снижения дефектности, представленная в виде алгоритма на рис. 1.

(Постановка цепи проведения работ)

Определять:

1 Руководителя группы

2 Состав группы

3 Сроки проведения работ

^Периодический мониторинг процесса^

Сбор данных для гостроения диаграммы Парето

Построение диаграммы Парето (рекомендуется для всестороннего анализа наиболее дефектных изделий строить минимум две диаграммы:

1 - по количеству (видам) дефектов

2 • по затратам)

' Заполнение контрольного листка для построения контрольных карт (X, Р, Б) по наиболее дефектному процессу /

Построение контрольных карт (рекомендуется строить контрольные карты попарно Х-Я или Х-в}

Построение гистограммы и/или полигона частот

Расчет показателей возможностей процессов Ср I Срк и определение уровня дефектности в процентах и/или ррго_

Построение диаграммы Исикавы методом «мозгового штурма»

Заполнение контрольного листка/ для построения контрольных карт ' (р, пр, с, и) по наиболее . _дефектному процессу_/

I

Построение контрольной карты (вид контрольной карты выбирается на основе характера данных)

Построение диаграммы Исикавы методом «мозгового штурма»

Разработка корректирующих и/или предупреждающих действий на основе результатов диаграммы Исикавы с указанием сроков выпопнения и ответственных. Если процесс находится в управляемом состоянии и нет тенденции к ухудшению то корректирующие и/или предупреждающие действия - не обязательны.

[оформление отчета о выполнении работ в рекомендуемой или произвольной форме |

[Выполнение корректирующих и/или предупреждающих действий |

Сравнение полученных результатов с предъыдущим анализом (рекомендуется рассчитать экономический эффект, если процесс улучшен) _

Рис. 1. Методика проведения работ по снижению уровня дефектности с использованием статистических методов управления качеством

Для реализации и практического применения вышеприведенного подхода к управлению качеством продукции машиностроительного предприятия были разработаны алгоритмы и реализующие их компьютерные программы. Согласно положений всеобщего управления качеством (TQM) проведение любого статистического анализа в первую очередь начинается с построения диаграммы Парето, которая ранжирует отдельные области по значимости и призывает выявить и устранить в первую очередь причины вызывающие 80% несоответствий или затрат.

Проведенный анализ программных средств показал, что функция отображения на диаграмме принципа Парето (80/20) не реализована в существующих программных продуктах. Поэтому была разработана компьютерная программа, реализованная в среде VBA (Visual Basic for Applications), которая позволяет автоматизировать процесс обработки статистических данных с минимальными затратами времени и позволяет отражать на диаграмме 80-ти процентную зону дефектности (затрат). С целью создания единой формы отчета, которая позволит любому сотруднику предприятия быстро ориентироваться в результатах статистического анализа, разработанный программный продукт дополнен стандартизованной формой отчета. По результатам проведения патентного поиска и успешного тестирования программного продукта на производстве, в РОСПАТЕНТ было получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (свидетельство № 2009612539 от 13.07.2009).

Предлагаемая методика включает новый подход к расчету ожидаемого уровня дефектности технологического процесса в ррт (англ. parts per million — частей на миллион), который согласно ГОСТ Р 50779 - 2001 «Показатели возможностей процессов» определяется с помощью индексов Ср и Срк вручную, на основе табличных данных (таблица 3). В результате на практике часто возникают случаи, когда с помощью данной таблицы нельзя определить уровень дефектности процесса.

Таблица 3

Значение Ср FLUI Cpk Уровень несоответствий продукции в Значение Ср или Срк Уровень несоответствий продукции в

процентах несоответствующих единиц продукции, % число несоответствующих единиц на миллион единиц продукции, ррт процентах несоответствующих единиц продукции,% число несоответствующих единиц на миллион единиц продукции, ррт

0.33 32.2 322000 1,00 0,27 2700

0,37 26.7 267000 1,06 0,15 1500

0.55 9.9 99000 1,10 0,097 970

0,62 6.3 63000 1,14 0,063 630

0.69 3,8 38000 1,18 0.040 400

0,75 2.4 24000 1,22 0.025 250

0.81 1,5 15000 1,26 0.016 160

0.86 0,99 9900 1,30 0,0096 96

0,91 (1.64 6400 1,33 0,0066 66

0,96 0.4 4000

В качестве оптимального решения данной проблемы предложено определить функцию зависимости ррт от Cp/Cpk. Как видно из рис. 1 функция имеет ограничение (2>.y>0). Это объясняется тем, что при ,v=0 уровень дефектности будет равен 1000000 ррт или 100 %. а при л=2 будет достигнут уровень «ноль дефектов». Для определения функциональной зависимости целесообразно разделить область значения функции на два интервала -те ' и -ve , в данном случае корреляция будет более точной с максимальным коэффициентом корреляции. Для корреляционного анализа использовалась программа Microsoft Office Excel, в которой с помощью метода наименьших квадратов были определены следующие функции (рис. 2): Полиномиальная

V = -93,65-х6 +4S1.4-X5-931.17-х4 +7S5.6-X3-78.023-х2-233.88х+100}\0000, npuxs ..U], R= ,

Линейная

у= -0,0/35х+0,027)10000, прих<Е ,3..2], Я=, (2)

гдеу - значение ррш; .с - значение Ср/Срк; Я - коэффициент корреляции. Полученные функциональные зависимости 1 и 2 позволяют автоматизировать расчет уровня дефектности технологического процесса. А,10й ррш

Значение Ср / Срк ^-Кривая по табл. данным ——Кривая по функциям 1 и 2 |

Рис. 2. Зависимость ррт от индексов Ср/Срк Преимуществами разработанного подхода является то, что он дает возможность со стопроцентной точностью переводить показатели возможностей процессов (Ср и Срк) в ррт, исключая человеческий фактор и сокращая время перевода показателей.

В целом эффективность применения разработанной методики показана на примере процесса изготовления детали «втулка», которая входит в состав рессорного подвешивания тележки пассажирских и грузовых электровозов. Согласно диаграмме Парсто за май 2010 года втулка была наиболее дефектным изделием и составила около 80 % несоответствий от общего количества дефектных изделий по цеху (рис. За).

Рис. 3. Диаграмма Парето по дефектным изделиям кузнечного цеха за май 2010 года (а) и контролируемый параметр втулки (б) Технологический параметр, по которому процесс был дефектоносным, это -высота фланца равная 16 мм с допуском ± 2 мм (рис. 36). Данный размер не выдерживался

на операции штамповки и приводил к появлению исправимого брака, что влекло за собой увеличение материалоемкости и необходимость дополнительной механической обработки на последующих стадиях производственного цикла.

Оценка текущего состояния технологического процесса (ТП) показала, что процесс нестабилен и смсщсн к верхней границе поля допуска. На гистограмме и контрольной Х-карте отчетливо видна область исправимого брака (рис. 4а). Уровень дефектности, рассчитанный с помощью показателей возможностей процессов Ср -поведения процесса относительно границ поля допуска, и Срк - отражающего настройку на середину этого поля, составил около 20 %. Это говорит о том, что без вмешательства в ТП примерно каждое пятое изделие будет бракованным.

Для снижения уровня дефектности на основании диаграммы Исикавы были разработаны и реализованы корректирующие действия по изменению длины заготовки в технологической документации и корректировке размеров оснастки (размер штампа был выполнен по верхнему допуску детали). Реализация корректирующих действий позволила добиться статистически управляемого поведения процесса, настроенного на середину поля допуска (рис. 46).

-карта

— '•Wi ■JSl»« ЛЛ о ... " „

/' III \ ЧЗЬ s»

/1 В / 1 я Л

у 1 || IlSte«

: : 5 i ; ; ; 5 : ? 5 i s 5J}5}|!S3

А US«,«-»» j

/ Л

III-' .

-I

Рис. 4. Текущее состояние технологического процесса производства «втулки» до (а) и после (б) реализации корректирующего действия: LSL - нижняя граница поля допуска;

SL - середина поля допуска; USL - верхняя граница поля допуска; LCL - нижняя контрольная граница: CL-средняя контрольная линия; UCL- верхняя контрольная граница Другими словами практически все изделия после штамповки стали соответствовать номинальному значению (равному 16 мм), что и показывает контрольная Х-карта. На гистограмме видно, что ТП приведен к нормальному распределению. Уровень дефектности был снижен до 850 дефектных изделий на миллион выпущенных (Ср = 1,207 и Срк = 1.110). Годовая экономия времени от выполненной работы составила более 50 чел*ч с учетом плана выпуска товарной продукции на 2010 год.

В целом системный подход к управлению ТП применен к 11 проблемным процессам кузнечного цеха ООО «ПК «НЭВЗ». Результатом работы системы является снижение уровня дефектности в среднем до 0,03 %, что позволило высвободить 85 чел»ч в

год и сэкономить более 900 тыс. руб. Таким образом, системный подход к управлению ТП кузнечного производства носит универсальный характер и может быть применен к другим видам ТП машиностроения (механическая обработка, литейное производство, штамповка, сварка).

В четвертой главе «Вычислительный эксперимент и разработка предопределенной системы управления качеством на основе математического моделирования литейного оборудования» предложена система управления качеством специальным технологическим процессом, обеспечивающая эффективный контроль за расходом энергоресурсов и позволяющая прогнозировать качество конечного продукта. С целью управления процессом разработан программный продукт, в основу которого положена математическая модель нестационарного температурного поля литейного оборудования (барабанный ковш), разработанная на основе метода элементарных энергетических балансов, представляющего разновидность разностного метода применительно к решению краевой задачи теплопроводности. Согласно этому методу, изучаемый объект разбивается на элементарные объёмы, каждому из которых присваивается индивидуальный номер. Предполагается, что теплофизические свойства каждого элементарного объёма соответствуют их значениям в центральной узловой точке. Нумеруются также моменты времени от начального момента т = 0 с шагом Дт. Таким образом, дискретизируется не только пространство и время, но и поля всех функций.

Для каждого из элементарных объёмов составляется уравнение баланса энергии за элементарный временной промежуток Дт. Передача тепла между узловыми точками осуществляется стационарно, т.е. через установившийся тепловой поток между соседними элементами. В стационарном состоянии в каждой узловой точке происходит подвод тепла и изменяется внутренняя энергия, т.е. температура. Предполагается также, что известны поля всех величин в начальный момент времени т = 0. По методу элементарных балансов обмен между фиксированным элементом и соседними с ним элементами в течение всего периода Дт происходит под влиянием постоянных по величине разностей температур, соответствующих температурам узловых точек этих элементов в момент времени т, т.е. протекает с постоянной в течение всего периода времени Дт интенсивностью. Таким образом, количество аккумулируемой данным элементом теплоты прямо пропорционально величине Дт. Температуры в узловых точках соседних элементов при рассмотрении энергобаланса данного элементарного объёма принимаются неизменными.

С учётом геометрии ковша и того, что грани элементарных объёмов возможно более точно должны проходить по изотермическим поверхностям, для разбивки тела на элементарные объёмы была выбрана цилиндрическая система координат г, <р, z. Граничными поверхностями элементов были взяты поверхности г = const, ф = const, z = const, за узловые точки элементарных объёмов - центры их масс. При этом тело разбито (рис. 5) по координате z на 22 слоя (2 сплошь стальных слоя по одному на каждой из плоских боковых стенок цилиндра), по радиусу г - от 3 (вдоль всей полой части цилиндра, в 16 слоях по координате z), из которых один, внешний для цилиндра, стальной, остальные из футеровки, до 8 (на плоских круговых стенках ковша, по 3 слоя на каждой стенке, из которых 2 слоя из футеровки), по углу ip - от 20 (в 4-ёх слоях, на которые приходится отверстие для слива) до 24 секторов (в остальных 18 слоях). Центральный элемент по координате г взят круговым, с радиусом 0.03 м. Всего получилось 2118 элементов. Все элементы гомогенные: 742 из стали, остальные из футсровочного кирпича.

Для проверки адекватности модели проведены: серия пробных расчётов; анализ справедливости упрощающих допущений, принятых на этапе постановки задачи, путём сопоставления результатов расчёта с решением задачи в более строгой постановке; определение значений настроечных коэффициентов путём сопоставления результатов расчёта с экспериментальными данными.

При планировании эксперимента в соответствии с конструктивными особенностями экспериментального объекта было принято следующее расположение контрольных точек (рис. 6): на стороне В контрольные точки располагались по спирали от центра торцевой поверхности барабанного ковша; на стороне С контрольные точки располагались по диагонали на расстоянии 12 см друг от друга; стороны А и О симметричны сторонам В и С соответственно. Данное расположение экспериментальных точек выбрано не случайно, оно позволяет более точно и полно оценить температурное поле объекта. При этом даже не большое количество контрольных точек позволило получить максимум информации о градиенте температур.

Эксперимент по замеру температуры объекта включал следующие этапы:

1) На основании чертежа барабанного были выбраны координаты контрольных точек измерения температурного поля.

2) Температура внутренней поверхности барабанного ковша измерялась с помощью термопары ТХА - 0806 (предел измерения от 10 до 10ОО °С) и мультиметра в качестве вторичного прибора, а внешняя поверхность с помощью лазерного пирометра Кау1ек вТ 25-01.

3) Перед началом нагрева барабанного ковша была измерена температура окружающей среды

(температура окружающей среды = 31 °С)

4) Нагрев барабанного ковша производился с помощью газовой горелки. Расход газа был стабилизирован в течение всего эксперимента, что позволило сохранить чистоту эксперимента.

5) Измерения температуры в контрольных точках осуществлялись с периодичностью в 10 мин.

6) Эксперимент прекратился через 4 часа, когда Д показания термопары стала равняться 0,03 мВ.

7) Показания термопары, с помощью которой измерялась температура внутри барабанного ковша, фиксировались на мультиметре в мВ. Перевод мВ в °С осуществлялся

Рис. 5. Общий вид трёх индексной нумерации

с помощью градуировочной таблицы. В момент, когда Д=0,03 мВ температура в ковше достигла уровня 937 °С.

Разработаны на основе модели с помощью языка программирования Turbo Pascal 7.0 алгоритм и реализующая его программа KOVSH.pas. Функциональность программы расширена возможностью изменения теплофизичсских параметров модели, что позволило застраховаться от возможных ошибок при их выборе, а также обеспечивает актуальность программы при некоторых изменениях теплофизических свойств материалов.

Применены методы планирования эксперимента, которые позволяют определить погрешность математической модели и судить о ее адекватности. Это вызвано тем, что в процессе измерений, последующей обработки данных, а также формализации результатов в виде математической модели, возникают погрешности и теряется часть информации, содержащейся в исходных данных. Проверка гипотезы об адекватности математической модели проводилась с использованием критерия Фишера и относительной погрешности. Для того чтобы оценить адекватность динамики изменения температурного поля ковша в течение всего процесса нагрева были применены критерии адекватности для всех контрольных точек. Критерий Фишера равен 1,06 (q=0,05, Ртабл=2,1), а относительная погрешность составила 3,09 % (§<15 %) следовательно модель адекватна реальному процессу.

Отличительной особенностью является то, что при разработке алгоритма программы принималось распределение поля температуры прогретого воздуха, согласно которому температура по мере удаления от газового факела асимптотически убывает до температуры воздуха вдали от ковша. Применение алгоритма позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования явным методом счета и оказывать корректирующее воздействие на уровень дефектности производственного процесса.

Система управления качеством специального процесса рассмотрена как система широтно-импульсного модулирования, в которой широта импульса определяет качество продукции и рассчитывается в результате применения разработанного программного продукта (рис. 7).

Рис. 7. Блок-схема предопределенной системы управления качеством

В случае возникновения отклонения запланированного результата от фактического следует осуществлять поиск причины и проведение корректирующих действий над входными параметрами системы (объектом входных воздействий) т.е. изменять предысторию с целью изменения ее дальнейшей эволюции. Под эволюцией здесь следует понимать достижение требуемых показателей качества (множество Y), что хорошо согласуется с циклом PDCA. Блок-схема системы управления объектом включает следующие блоки соответствующие условиям предопределенности:

1) Математическая модель - соответствует программному блоку и выполняет первый этап цикла PDCA (Plan);

2) Блок интегратора - соответствует физическому нагреву барабанного ковша и выполняет второй этап цикла PDCA (Do) и описывается количеством тепла передаваемого ковшу, т.е. процесс достижения элементов множества объекта Y.

3) Блок контроля качества - соответствует статистическому анализу дефектности готовой продукции и количеству затраченных энергоресурсов, выполняет третий этап цикла PDCA (Check); т.е. контроль значений элементов множества Y.

4) Блок корректирующих и предупреждающих действий - соответствует мероприятиям, направленным на улучшение процесса в целом и выполняет четвертый этап цикла PDCA (Act) и является обратной связью.

Результатом системного подхода к управлению качеством специальным технологическим процессом с применением, разработанной методики и созданных программных продуктов, является повышение эффективности производственного процесса, который включает:

- Снижение уровня дефектности конечного продукта (отливки из серого чугуна) до уровня технологически неизбежного брака (7 %);

- Предотвращение неоправданного перерасхода энергоресурсов за счет исключения перегрева литейного оборудования;

- Уменьшение человеческого фактора при управлении специальным технологическим процессом;

- Возможность управления процессом на основе статистических данных.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты выполненных теоретических и практических исследований.

В приложениях приведены: полученные в РОСПАТЕНТ авторские свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ; фрагменты графического кода разработанных компьютерных программ; результаты патентного поиска и формы стандартизованных отчетов, генерируемых программными продуктами; акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Управление специальным процессом и получение продукции требуемого качества возможно исключительно за счет анализа статистических данных и прогнозирования уровня дефектности продукции на выходе процесса. Достижение заданного качества продукции возможно благодаря следующим результатам работы:

1. Для управления специальным процессом следует использовать алгоритм управления этим процессом, реализованный путем создания компьютерной программы нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов, применение которой позволяет с высоким быстродействием и точностью расчитывать трехмерное температурное поле литейного оборудования до начала технологического процесса.

2. Для автоматизации расчет ожидаемого уровня дефектности технологического процесса требуется применять разработанную и апробированною на производстве методику расчета индексов воспроизводимости процессов (Ср и Срк) на основе корреляционного анализа. 4

3. Полученная система управления качеством, которая обеспечивает эффективный контроль за расходом энергоресурсов и позволяет прогнозировать качество конечного продукта, должна быть представлена как система с широтно-импульсным модулирование (ШИМ), в которой широта импульса определяет качество продукции и рассчитывается в результате применения разработанного программного продукта.

4. Результаты диссертационной работы в виде методик статистического анализа информации о качестве продукции в процессе производства на основе простых инструментов управления качеством и цикла PDCA внедрены в производственный процесс машиностоительного предприятия и их целесообразно использовать в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 221400 «Управление качеством» и магистров по направлению 220200.68 «Автоматизация и управление».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Ковалев, М.И. Система снижения дефектности изделий машиностроительного производства, основанная на статистических методах управления качеством / М.И. Ковалев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2011. - № 5. - С. 134-137.

2. А.П. Байдюк, М.И. Ковалев Система управления качеством на примере литейного производства / А.П. Байдюк, М.И. Ковалев // Изв. Тул. гос. ун-та. Техн. науки, 2013. - Вып. 4. - С. 252 - 260.

3. Байдюк, А.П. Математическая модель смены состояния системы при дискретном управлении качеством процесса розлива металла в литейном производстве / А.П. Байдюк, М.И. Ковалев, В.В. Куц // Изв. Юго-Зап. гос. ун-та. Серия Техника и технологии. -2013. - № 4. - С.61-69.

Публикации в сборниках научных статей, трудов и материалов конференций:

4. Ковалев, М.И. Модель исследования жизненного цикла товара / А.П. Байдюк, М.И. Ковалев, М.И. Михнова, С.А. Горбунов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 : сб. тр. XXI Междунар. науч. конф., г. Саратов, 27-30 мая 2008 г. / Саратов, гос. техн. ун-т. - Саратов : Саратов, гос. техн. ун-т, 2008. - Т. 8, секц. 8 : Математические методы и задачи в экономике, менеджменте и гуманитарных науках. - С. 129-130.

5. Ковалев, М.И. Численная модель нестационарного теплового поля ковша для разливки чугуна / В.В. Соболев, П.В. Василенко, М.И. Ковалев, С.А. Горбунов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 : сб. тр. XXI Междунар. науч. конф., г. Саратов, 27-30 мая 2008 г. / Саратов, гос. техн. ун-т. - Саратов : Саратов, гос. техн. ун-т, 2008. - Т. 10. - С. 39-43.

6. Ковалев, М.И. Адекватность модели нестационарного теплового поля ковша для разливки чугуна / М.И. Ковалев, С.А. Горбунов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22 : сб. тр. XXII Междунар. науч. конф., г. Псков, 25-30 мая 2009 г. / Псковский гос. политехи, ин-т. - Псков : Псков, гос. политехи, ин-т, 2009. - Т. 9. секц. 10.-С. 60-62.

7. Ковалев, М.И. Анализ статистических данных с помощью диаграммы Парето / М.И. Ковалев // Информационные и управляющие системы в пищевой и хими-

ческой промышленности : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию ГОУ ВГТО "Воронеж, гос. технол. акад." и 50-летию каф. информационных и управляющих систем / Воронеж, гос. технол. акад.. - Воронеж : ВГТА, 2009. - С. 92-96.

8. Ковалев, М.И. Оптимизация перевода показателей возможностей процессов / Д.М. Кузнецов, М.И. Ковалев // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды : межвуз. сб. науч. тр. / Ростов, гос. акад. с.-х. машиностр. - Ростов н/Д, 2009. - Вып. 13. - С. 16-19.

9. Ковалев, М.И. Численная модель нестационарного теплового поля ковша для разливки чугуна / А.П. Байдкж, М.И. Ковалев, С.А. Горбунов // Студенческая научная весна - 2009 : материалы Межрегион, науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 16-17.

10. Ковалев, М.И. Система снижения дефектности изделий машиностроительного производства / М.И. Ковалев // Академические и фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций : материалы Междунар. молодежной конф., г. Новочеркасск, 4-5 окт. 2012 г.. - Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 169-172.

11. Ковалев, М.И. Совершенствование технологических процессов с помощью цикла PDCA на примере аппаратного производства / А.П. Байдюк, М.И. Ковалев, С.А. Мирошкин, В.А. Пирожник // «Бережливое производство» - фактор прогрессивно развития производственных систем - 2012 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Внедрению бережливой производственной системы ЗАО «Трансмашхолдинг» и 50-летию системы непрерывного оперативно-производственного планирования, разработанной A.C. Родовым / ООО «ПК «НЭВЗ» г. Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 86-91.

Авторские свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

12. Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ 2012610378. Расчет нестационарного поля ковша для розлива чугуна (KOVSH) / В.В. Соболев, М.И. Ковалев, С.А. Горбунов. - № 2011618037 ; заявл. 27.10.2011 ; опубл. зарег. в Реестре программ для ЭВМ 10.01.2012

13. Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ 2009613738. Электронная таблица Парето/М.И. Ковалев. -№2009612539 ; заявл. 25.05.2009 ; опубл. зарег. в Реестре программ для ЭВМ 13.07.2009

Методические пособия и электронные ресурсы:

14. Ковалев, М.И. Статистические методы управления качеством в процессе производства : рукопись : метод, пособие для студ. спец. "Управление качеством" / М.И. Ковалев. - Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2011. - 48 с.

15. Ковалев, М.И. Система статистических методов управления качеством продукции в машиностроении : учеб. пособие / А.П. Байдюк, М.И. Ковалев, С.А. Мирошкин. - Новочеркасск : НОК, 2012.-71 с.

■и

Ковалев Максим Игоревич

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ, ВЫПОЛНЯЮЩИХ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПРИМЕРЕ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Автореферат

Подписано в печать: 19.02.2014. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,5. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ № 015-0214. Отпечатано в Издательстве «HOK» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет имени Платова М.И. (Новочеркасский политехнический институт)»

Управление качеством продукции в производственных системах, выполняющих специальные процессы на примере литейного производства

05.02.23 - «Стандартизация и управление качеством продукции»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель (консультант) - к.т.н., доцент Байдюк А.П.

04201457396

Ь^правах рукописи

КОВАЛЕВ МАКСИМ ИГОРЕВИЧ

Новочеркасск - 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................5

1 ПРОЦЕССНЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ КАЧЕСТВОМ СПЕЦИАЛЬНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЗКИХ МЕСТ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ЦЕПОЧКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК..............................................................................12

1.1 Процессный подход к функционированию СМК на машиностроительном предприятии................................................................13

1.2 Управление процессами СМК на машиностроительном предприятии...........................................................................................................16

1.3 Технология производства отливок чугунного литья.............................20

1.3.1 Классификация и особенности применения чугунов..................20

1.3.2 Технология производства отливок в цехе чугунного литья......22

1.3.3 Технологический процесс на участке плавки и заливки металла...........................................................................................................26

1.3.4 Технологические требования к температуре жидкого металла...........................................................................................................28

1.3.5 Выбор контрольных точек технологического процесса и определение технологических режимов, влияющих на качество продукции......................................................................................................28

2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ......................................38

2.1 Графитовые дилатометры и метод «свидетелей»...................................39

2.2 Измерение температур с помощью термопар..........................................41

2.2.1 Погрешности контактных методов измерения температур.......41

2.2.2 Погрешность из-за лучистого теплообмена...................................41

2.2.3 Погрешности из-за отвода тепла теплопроводностью................45

2.2.4 Конструктивные недостатки термопар..........................................48

2.2.5 Тепловая инерция термометров......................................................49

2.2.6 Термопары для измерения температуры

кратковременным погружением..............................................................54

2.2.7 Непрерывное измерение температуры жидких металлов..........55

2.2.8 Измерение температуры на поверхности и внутри литейного оборудования.............................................................................56

2.3 Методы измерения температуры тел по их излучению.........................59

2.4 Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры..........................................................................................................61

2.5 Измерение по излучению жидких металлов.............................................68

2.6 Сравнительный анализ методов и средств измерения температур в металлургической промышленности.....................................69

2.7 8\УОТ-анализ неразрушающих методов контроля................................70

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА УПРАВЛЯЕМОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ............................................................74

3.1 Актуальность применения диаграммы Парето для анализа проблем в процессе производства продукции................................................76

3.2 Принцип действия, функциональные возможности и ограничения электронной таблицы для построения диаграммы Парето.....................................................................................................................78

3.2.1 Анализ существующих программных продуктов для построения диаграммы Парето.................................................................79

3.2.2 Постановка задачи..............................................................................82

3.2.3 Принцип действия электронной таблицы для построения диаграммы Парето.......................................................................................83

3.2.4 Функциональные возможности «Электронная таблица Парето» и ее ограничения..........................................................................86

3.2.5 Технические и специальные требования.......................................87

3.3 Тестирование методики статистического анализа управления производственными процессами......................................................................88

3.4 Анализ дефектов продукции на предприятии.........................................97

4 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И РАЗРАБОТКА ПРЕДОПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.....................................................................101

4.1 Общие положения метода элементарных энергетических балансов...............................................................................................................101

4.2 Применение метода элементарных энергетических балансов

для расчета сопряженных температурных полей.......................................103

4.3 Разработка программы для расчета температурного поля барабанного ковша............................................................................................114

4.3.1 Постановка задачи............................................................................114

4.3.2 Построение математической модели барабанного ковша........115

4.4 Планирование и проведение эксперимента...........................................121

4.5 Проверка адекватности математической модели.................................127

4.6 Разработка предопределенной система управления качеством........133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................145

ПРИЛОЖЕНИЕ А.....................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ Б......................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ В......................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Г......................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ Д......................................................................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ Е......................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

В условиях рыночных отношений существует объективная необходимость усиления роли качества, как одного из определяющих факторов успеха на рынке. Уровень качества является показателем успеха не только предприятий, но и общества в целом, для любых отраслей промышленности. К одной из базовых отраслей России относятся предприятия черной металлургии, которые поставляют литейные изделия, являющиеся неотъемлемой частью технологических процессов на предприятиях других отраслей. От качества данной продукции зависит безопасность, здоровье, а порой и жизнь людей. В тоже время технологические процессы литейного производства является наименее автоматизированными.

В настоящее время производство отливок относится к категории с наиболее высоким процентом брака. Уровень брака литых изделий металлургических предприятий России на сегодняшний день измеряется в десятках процентов, в то время как во всем мире стремятся к достижению качества в 1 ррш (одно дефектное изделие из миллиона). Сложность в выявлении дефектов состоит в том, что отливки производят методом литья в закрытые формы, то есть качество изделия невозможно проверить до получения конечной продукции, а большинство из них являются скрытыми и могут быть обнаружены только после начала эксплуатации у потребителя.

Современные рыночные отношения предъявляют к промышленным предприятиям высокие конкурентные требования в соотношении «качество продукции - цена», что в результате мотивирует промышленников к снижению производственных потерь и себестоимости, а также постоянному повышению качества выпускаемой продукции с помощью современных методов контроля и управления качеством. Основной причиной некачественной продукции машиностроительных предприятий является несовершенство производственных процессов, которые обладают высокой степенью вариабельности и заведомо приводят к выпуску дефектной продукции. Для машиностроительной отрасли особенно актуальным является литейное производство, поскольку, на вариабельность данных производственных процессов оказывает влияние большое

количество факторов, а попадание дефектных отливок на последующие стадии производственного цикла приносит значительные потери от брака. В свою очередь по данным статистики годовой объем производства отливок в мире превышает 100 млн. т., из которых около 20 % приходится на Российскую Федерацию. Однако литейная технология имеет ряд проблем, которые приводят к технологически неизбежным потерям от 5 до 10 %.

Важным является не только соответствие требованиям отдельной партии отливок, но и стабильность качества объекта управления в долгосрочной перспективе, уменьшение потерь, связанных с несовершенством технологии и производственной системы в целом. Существенным является тот факт, что литейное производство это специальный процесс и качество отливок можно оценить только после завершения процесса розлива металла. Анализ технологии производства отливок показал, что температура расплавленного металла является одним из важнейших факторов при производстве отливок, следовательно, необходимо управлять динамикой данного параметра в режиме реального времени. В существующей технологии управление температурой металла не осуществляется, а проводится лишь контроль посредством пирометров и термопар (замер температуры металла в контрольных точках), что свидетельствует об отсутствии системного подхода и обратной связи в управлении специальными процессами. С другой стороны, объективным препятствием повышению качества выпускаемых изделий и сокращению уровня дефектности продукции на большинстве машиностроительных предприятий России является физически устаревшее оборудование, а также устаревшие и не совершенные методы и средства контроля технологических процессов.

Анализу причин влияющих на снижение дефектности технологических процессов с помощью применения методов управления качеством, в том числе и в специальных процессах розлива металла, посвящены труды таких Российских авторов, как: Ю.П. Адлер - Профессор Московского института стали и сплавов (МИСиС), кандидат технических наук, Президент Международной гильдии профессионалов качества; В.Л. Шпер - доцент МИСиС, Кандидат технических наук, академик Российской академии проблем качества. Существен-

ный вклад в изучение предопределенных систем управления в свое время внесли американские ученые М. Месарович и Я. Такахара — члены Римского клуба.

В последние годы проблеме вариабельности технологических процессов уделяется большое внимание со стороны В.А. Лапидуса - доктор технических наук, профессор Государственного университета - Высшей школы экономики, академик Международной академии качества (1АС2), академик Академии проблем качества РФ.

Таким образом, вопрос выбора средств измерения обусловлен условиями эксплуатации, возможностью применения в определенных температурных режимах, способом доступа к объекту измерения, инерционностью и т.д. Все перечисленные факторы затрудняют принятие решения при контроле качества продукции литейного производства при этом активно идущая на современных предприятиях информатизация и компьютеризация производства ставит перед предприятиями задачу моделирования технологических процессов и создания эффективных систем управления качеством продукции.

Таким образом, актуальной является задача разработки информационной модели динамики качества процесса розлива металла с целью осуществления предупреждающих действий на основе критерия, позволяющего прогнозировать качество конечной продукции.

Цель работы заключается в повышении эффективности и снижении дефектности технологического процесса розлива металла посредством разработки методов управления качеством специальными процессами за счет предопределения конечного результата. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие основные задачи исследований:

- провести анализ технологического процесса розлива металла для выявления и классификации несоответствий, приводящих к увеличению дефектности отливок, и источников их возникновения;

- на основе анализа Парето сформировать перечень возможных литейных дефектов и выделить основные причины, которые значительно влияют на дефектность отливок;

- разработать математическую модель критичного оборудования в виде специальной программы для ЭВМ с точки зрения степени влияния на качество конечного продукта;

- выполнить экспериментальные исследования и получить статистический анализ соответствия математической модели реальному объекту;

- разработать методику проведение статистического анализа информации о качестве продукции в процессе производства на основе простых инструментов управления качеством;

- разработать производственную инструкцию по применению цикла РБСА и статистических методов управления качеством, позволяющих стандартизовать ритмичное снижение уровня дефектности;

- разработать алгоритм определения уровня дефектности технологического процесса производства отливок и реализующую его программу для ЭВМ;

- провести опытную апробацию разработанных программных продуктов, методики и производственной инструкции в условиях реального производства для подтверждения их пригодности к применению.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 С целью управления процессом и контроля факторов изменяющихся на коротком промежутке времени разработан программный продукт в основу которого положена математическая модель нестационарного температурного поля литейного оборудования.

2 Предложена методика расчета индексов воспроизводимости процессов (Ср и Срк) на основе корреляционного анализа, позволяющая повысить точность расчетов уровня дефектности производственных процессов (свидетельство № 2009612539 от 13.07.2009).

3 Быстродействие системы рассмотренной как система широтно-импульсного модулирования (ШИМ) в которой широта импульса (критерий управления качеством) определяет качество продукции и рассчитывается в результате применения разработанного программного продукта (свидетельство № 2011618037 от 10.01.2012).

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов под-

тверждаются фундаментальными законами термодинамики; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке методических материалов; использованием аттестованного измерительного оборудования при проведении экспериментов; сходимостью теоретических положений с результатами экспериментальных исследований (расхождение не превышает 10 %); апробацией основных результатов работы на Всероссийских и международных научных конференциях и внедрением разработанных методик и алгоритмов на машиностроительных предприятиях Российской Федерации.

В работе применен комплексный подход, основанный на теоретическом анализе и эксперименте. Исследования проводились на основе методов всеобщего управления качеством (TQM); квалиметрии; метрологии; метода элементарных энергетических балансов; математической статистики; инструментов управления качеством и математического моделирования с использованием языков программирования VBA (Visual Basic for Applications) и Turbo Pascal 7.0.

Практическая ценность заключается в том, что разработанная модель нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования в системе управления качеством технологического процесса.

Разработанные методики, алгоритмы и программы дают возможность с высокой степенью вероятности и за минимальное время прогнозировать период нагрева литейного оборудования и определять уровень дефектности конечного продукта до запуска в производство, исключая возможность повторение ошибок и повышая надежность системы управления качеством.

Результаты диссертационной работы использованы в НИОКР, выполненных в соответствии с грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме: «Разработка современных моделей и устройств с использованием новых методов и технологий», проект № 10209 2010 года «Разработка численной модели нестанционарного теплового

поля ковша для разливки чугуна».

Результаты работы применяются (получены акт внедрения и акт производственных испытаний) в производственной деятельности пяти цехов основного производства ООО «ПК «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) и в цехе № 30 ОАО «Демиховский машиностроительный завод» (г. Орехово-Зуево), входящих в состав ЗАО «Трансмашхолдинг» крупнейшей в России компании в области транспортного машиностроения.

Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) при подготовке инженеров по специальности 221400 «Управление каче