Разработка методов управления качеством конструкторско-технологической подготовки производства литых полимерных изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.23, кандидат наук Ковалькова Екатерина Алексеевна

• Ковалькова Екатерина Алексеевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалькова Екатерина Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика объекта исследования

1.2 Требования к параметрам качества литых полимерных изделий

1.3 Методы и требования к построению функциональных моделей производственных систем для оценки их качества на этапах жизненного цикла

1.4 Инструменты анализа производственной среды для оценки качества литых изделий

1.5 Влияние технологического оснащения на качество литых изделий на этапе конструкторско-технологической подготовки производства

1.6 PMEA и FMEA как основа процессно-ориентированного подхода к повышению качества

литых изделий на этапе КТПП

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ

ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ НА ЭТАПЕ КТПП ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО ОТЛИВОК

2.1 Предиктивный анализ. Разработка функциональной модели процесса КТПП инжекционного литья в ГОЕБО нотации

2.2 Разработка функциональной модели процесса конструкторско-технологической подготовки инжекционного литья с использованием средств моделирования (симуляции) производственного процесса в CAE - системах

2.3 Разработка модели морфологической связи параметров проектно-производственной среды с параметрами качества литых изделий с использованием теории множеств

2.4 Методика управления требованиями к функциональности технологической оснастки (пресс-форм) на основе анализа вариантов конструктивных схем оснастки методом развертывания функций качества

2.5 Выводы

ГЛАВА 3 КВАЛИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗНАЧИМОСТИ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ НА КАЧЕСТВО ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБАСТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1 Выбор целевой функции качества. Влияние тензора ориентации армирующего волокна на качество литого изделия из полимерных композитных материалов

3.2 Формирование атрибутов состояния производственной среды и робастное планирование эксперимента для пластины из полимерных композитных материалов по методу Тагути

3.3 Численная симуляция производственного процесса. Анализ влияния ключевых факторов на качество отливки

3.4 Экспериментальная верификация разработанного подхода для оценки качества процесса литья на этапе «Подбор режимов литья»

3.5 Выводы

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ

ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ НА ОСНОВЕ ТАБЛИЦ РБМЕА

ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ В СИСТЕМЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ НА КОНКРЕТНЫХ

ПРИМЕРАХ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

138

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов управления качеством конструкторско-технологической подготовки производства литых полимерных изделий»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рынок изделий из полимерных материалов развивается бурными темпами. Достаточно упомянуть, что по последним данным объем производства только одного вида полимерного сырья - полиэтилена за последние 4 года увеличился на 38%.

Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности производства, связанное с повышением качества деталей из полимерных материалов, обеспечивающих требуемые эксплуатационные и иные потребительские характеристики изделий.

Доля полимерных деталей, изготавливаемых формованием, в том числе литьем под давлением (инжекционным литьем), составляет не менее 32%. В настоящее время изделия, изготовленные методом инжекционного литья, нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности. Внедрение подобных методов изготовления зачастую позволяет находить новые, во многом уникальные технические решения, способствующие усовершенствованию конструктивно-технологического облика изделия. Основными преимуществами инжекционного литья является возможность получения деталей сложной формы, в том числе из конструкционных пластиков и полимерных композитов. Эта особенность предъявляет дополнительные требования к качеству литых деталей.

Целью работы является повышение конкурентоспособности производства литых полимерных деталей за счет формирования системы управления качеством их изготовления на этапе конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП).

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Разработать новый интегрированный подход к прогнозному анализу качества инжекционного литья на этапе КТПП, сочетающий функциональный

анализ на основе SADT методологии для определения оптимизированных этапов процесса и метод диаграмм качества Исикавы содержащих эти этапы.

2. Разработать математическую модель управления качеством литых полимерных деталей на основе процессно-ориентированного подхода к КТПП, обеспечивающую полноту и непротиворечивость учета потенциальных несоответствий процесса, влияющих на качество литья.

3. Разработать методику управления требованиями к функциональности технологической оснастки (пресс-формам) на основе анализа вариантов конструктивных схем оснастки методом развертывания функций качества (QFD -метод).

4. Разработать и детализировать методику повышения качества инжекционного литья полимерных деталей на основе анализа потенциальных несоответствий этого процесса с количественным анализом последствий и причин выявленных несоответствий, ранжированных по степени важности (PFMEA).

Новизна исследования заключается в

- разработке нового интегрированного подхода к предиктивному анализу качества инжекционного литья на этапе КТПП, отличающегося интеграцией функционального анализ на основе SADT-методологии, которая определяет оптимизированную этапность процесса, и графический метод диаграмм качества Исикавы, учитывающий эту этапность;

- разработке математической модели управления качеством литых полимерных деталей, отличающейся установлением морфологической связи параметров проектно-производственной среды с возможностью появления дефектов отливки с помощью теории множеств и матриц соответствия для обеспечения полноты и непротиворечивости учета потенциальных несоответствий процесса, влияющих на качество литья;

- разработке методики формирования системы управления качеством инжекционного литья на основе анализа потенциальных несоответствий процесса с количественным анализом последствий и причин несоответствий (PFMEA),

ранжированных по степени важности, отличающейся учетом влияния этапов процесса конструкторско-технологической подготовки производства на повышение качества изделий;

- разработке методики анализа и выбора конструктивной схемы пресс-формы для инжекционного литья изделий из полимеров на основе развертывания функций качества (QFD -метод), отличающийся учетом требований заказчика к функциональности пресс-формы.

Методами исследования являются функциональный анализ на основе SADT методологии, метод диаграмм качества Исикавы, РБМБЛ-анализ, метод развертывания функций качества (QFD - метод).

Достоверность результатов проведенного исследования обеспечивается применяемым математическим аппаратом теории множеств, средствами статистического анализа, используемыми классическими методами анализа и управления качеством, которые были модифицированы и адаптированы под предмет исследования, а также высоким профессиональным уровнем экспертов, приглашенных для анкетирования.

Степень разработанности темы отражена в следующих исследованиях. Комплекс проблем управления качеством отражен в работах ведущих российских ученых (Ю.П. Адлер, В.Н. Азаров, Б.В. Бойцов, В.В. Бойцов, В.А. Васильев, В.А. Лапидус, В.Г. Версан, Б.С. Мигачев, В.В. Карыпин) и авторитетных зарубежных ученых (Г. Тагути, К. Исикава, А. Фейгенбаум, Дж. Джуран, У.Э. Шухарт, У. Деминг, Ф. Кросби). Тем не менее, глубина анализа значимости обеспеченности информацией для системного управления качеством продукта не раскрыта в достаточной степени.

Практическая ценность. На основе теоретических разработок и анкетирования представителей предприятий, специализирующихся на инжекционном литье, сформированы таблицы анализа потенциальных несоответствий процесса инжекционного литья с количественным анализом последствий и причин несоответствий (PFMEA), содержащие превентивные меры

обеспечения качества литых деталей. Методика внедрена на ООО «Полимерпласт», г. Самара. Разработана апробированная на предприятии ООО «Внедренческая фирма «Пладеп»» методика выбора конструктивных схем пресс-форм, обеспечивающая удовлетворению потребительских (функциональных) требований методом QFD.

ГЛАВА 1 ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика объекта исследования

Литье под давлением - это технологический процесс, в ходе которого исходный материал впрыскивается в специальную пресс-форму, после чего застывает от холодных стенок пресс-формы к её центру.

Для упрощения и удешевления в связи с массовым производством литых пластмасс под давлением используют гранулы термопластов, термоэластопластов или термореактивов.

Литье под давлением осуществляется на термопласт-автоматах (ТПА) (рисунок 1.1), которые контролируются электроникой и автоматикой.

Рисунок 1.1 - Литьевая машина: 1 -материальный цилиндр; 2 - нагревательные элементы; 3-винт (шнек); 4-каналы охлаждения; 5-бункер для материала; 6-гидродвигатель; 7-редуктор; 8-гидроцилиндр узла впрыска; 9-манометр; 10, 17-неподвижные плиты; 11 - направляющие колонки; 12-литьевая форма; 13-подвижная плита; 14-колесно-рычажный механизм; 15-гидро-цилиндр узла смыкания; 16-гайки; 18-упор; 19-сопло

Литьевые машины осуществляют дозирование гранулированного материала, перевод его в вязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия.

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30-50% от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении формы.

Литье под давлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до нескольких килограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава, необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержания формы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющей полости.

1.2 Требования к параметрам качества литых полимерных изделий

В современной экономике важным фактором хозяйственной деятельности предприятия, определяющий его успешное развитие, выступает конкурентоспособность, включающая в себя конкурентное обеспечение жизненного цикла продукта в целевом сегменте - от производства до его утилизации. Повысить конкурентоспособность литых изделий возможно различными методами, но самыми существенным из них являются методы повышения качества продукции. Под качеством продукции по определению международного стандарта ИСО 8402 понимается совокупность свойств и характеристик (параметров) изделия, которые обеспечивают способность удовлетворять потребности. Оценку качества продукции осуществляют путем измерения ее характерных свойств - показателей. Согласно ГОСТ 22851-77

«Выбор номенклатуры показателей качества промышленной продукции» показатели качества продукции следует выбирать по категориям, представленным на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Показатели, применяемые при оценке качества продукции

В соответствии с предлагаемой ГОСТ 22851-77 классификацией в рамках настоящего диссертационного исследования предполагаются к рассмотрению прогнозируемые характеристики (на этапе КТПП) связанные с назначением продукции ее технологичностью. Назначение продукции определяется ее функциональностью, т.е. набором возможностей (функций), которые предоставляет данный продукт для удовлетворения тех или иных потребностей. Назначение литой полимерной продукции определяется ее конструкцией и обеспечивается технологией изготовления (показателями технологичности) С этой точки зрения следует рассмотреть понятие дефект - изъян, недостаток, недочет - как одно из ключевых понятий исследуемых в настоящей диссертации. В этом контексте задачей управления качеством продукции является задача обеспечения производства без брака (дефектов) которые связаны с нарушением показателей функциональности, эстетичности, технологичности продукции. Понятие дефекта литых полимерных изделий раскрывается в ГОСТ 24105-80

«Изделия из пластмасс. Термины и определения дефектов» где приводится перечень некоторых характерных дефектов инжекционного литья. На самом деле дефектов существенно больше.

Основные дефекты, возникающие при литье под давлением:

1. ошибки в проекте пресс-формы;

2. некачественный материал;

3. неправильный проект пресс-формы;

4. человеческий фактор;

5. неправильно заданные технологические режимы;

6. недоливы (недостаточное заполнение изделия);

7. деформация отливки;

8. усадочные раковины;

9. трещины от внутренних напряжений, белый излом;

10. термически поврежденная формовочная раковина;

11. включение воздуха, образование пузырьков.

Изложенное определяет границы проекта управления качеством инжекционного литья полимерных деталей определенные в настоящем исследовании - прогнозные методы обеспечения бездефектного литья на этапе конструкторско-технологической подготовки.

1.3 Методы и требования к построению функциональных моделей производственных систем для оценки их качества на этапах жизненного цикла

Свод знаний по управлению проектами (Project Management Body Of Knowledge, PMBOK) [104] института управления проектами (Project Management Institute, PMI) — всемирной некоммерческой профессиональной организации по управлению проектами — содержит сумму профессиональных знаний по управлению проектами, который также следует применять в задачах управления качеством продукции. Необходимо отметить, что известный цикл Шухарта-

Деминга управления качеством PDCA хорошо укладывается в процедуры групп процессов управления PMBOK. Основой процедур планирования является структурный и функционально-информационный анализ. Классическим и апробированным методом этого анализа является SADT - методология. SADT является почти единственной методологией, с помощью которой легко отображать такие характеристики, как управление (регламентирующее воздействие), механизмы и исполнители управления, обратная связь. Это объясняется тем, что SADT возникла изначально на основе проектирования систем более общего вида в отличие от других структурных методов, произошедших из систем проектирования программного обеспечения. Другой ряд современных структурных методов бизнес-анализа, например BPMN (Business Process Model and Notation), позволяет моделировать только потоки данных и потоки сообщений, а также ассоциировать действия с данными, но не отражать схему информационных потоков, которые можно документировать методом SADT.

Описание системы с помощью SADT называется функциональной моделью. Данная модель позволяет описать сложную систему, используя естественный и графический языки. SADT-методология может описывать функции системы или на ее объектах [22-25, 28, 39, 45].

С помощью SADT-методологии решаются следующие основные задачи:

- анализ функций, выполняемых системой;

- описание спецификаций требований и функций проектируемой системы;

- проектирование системы.

SADT - методология основана на методах составления моделей:

- IDEF0 - модель осуществляет функциональное моделирование;

- IDEF1 - модель - информационное моделирование;

- IDEFIX - модель - динамическое моделирование функций, информации и ресурсов.

ГОЕБО-модель описывает следующее: что система делает, что она производит, какая информация используется для управления, какие ресурсы и средства применяются для исполнения ее функций.

ГОЕБО-модель включает иерархического ряда диаграммы, которые постепенно отображают уровни все более подробных описаний функций и их интерфейсов в пределах системы. Диаграмма верхнего уровня обобщает всю систему. Диаграммы первого уровня описывают важнейшие подсистемы и их взаимосвязями, а диаграммы нижнего уровня детализируют функции, которые выполняет система [12, 32-36].

На этапе подготовки производства к запуску при использовании некорректно спроектированной пресс-формы, некачественного материала, неправильно заданных технологических режимах могут в отливке могут наблюдаться такие дефекты как непроливы, переливы, недоливы (недостаточное заполнение изделия), деформация отливки, усадочные раковины, трещины от внутренних напряжений, белый излом, термически поврежденная формовочная раковина, включение воздуха, образование пузырьков.

Для того чтобы обеспечить превентивные меры по устранению возможных дефектов, описанных в предыдущем разделе, и разработать прогнозную в отношении предупреждения возможных дефектов методику управления качеством, необходимо соотнести причинно-следственные связи возникновения дефектов с этапами жизненного цикла производства. Особенно эта задача является важной на этапе конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). Одним из эффективных методов, позволяющих решить эту задачу, является функциональный анализ в соответствие с SADT -методологией.

1.4 Инструменты анализа производственной среды для оценки качества литых

изделий

Для анализа результатов контроля качества при крупносерийном и массовом производстве применяются методы статистического контроля качества. Наиболее известными среди них стали «семь инструментов контроля качества», которые сначала широко применялись в Японии, а затем и в других странах благодаря своей эффективности и доступности для рядовых работников предприятий. В состав «семи инструментов контроля качества» входят: диаграмма Парето, причинно-следственная диаграмма, контрольные карты, гистограммы, метод расслоения, графики, диаграмма разброса [63-67]. Рассмотрим эти методы более подробно.

1) Контрольный листок представляет собой форму для систематического сбора и упорядочения первичных данных, облегчающую дальнейшего использование собранной информации.

2) Диаграмма Парето — разновидность столбиковой диаграммы, предназначенная для наглядного отображения рассматриваемых факторов в порядке уменьшения или увеличения их значимости. Эта диаграмма позволяет распределить усилия для разрешения возникающих проблем и выявить главные причины их возникновения, которые надо устранить в первую очередь.

3) Причинно-следственная диаграмма Исикавы (рисунок 1.3). Данный инструмент описывает отношения типа «причина — результат» [48-50].

Рисунок 1.3 - Пример причинно-следственной диаграммы Исикавы

4) Стратификация — разделение полученных данных на отдельные группы в зависимости от выбранного стратифицирующего фактора [15-18].

5) Диаграмма разброса (рассеивания) позволяет определить вид и тесноту связи между парами соответствующих переменных.

6) Гистограмма позволяет зрительно оценить закон распределения величины разброса данных, а также принять решение о том, на чем следует сфокусировать внимание для целей улучшения процесса.

7) Принципы Тагути.

Тагути не предполагает управлять каждым фактором, учитываемым в технологическом процессе или при изготовлении продукта. Идея состоит в том,

чтобы влиять только на те факторы, которые способны привести к снижению затрат [11,38,40,92]. Используя метод Тагути, проводится анализ достижения требуемых параметров по прочности для литых изделий из ПКМ.

Потребитель всегда обращает внимание на качество товара. Очень часто это становится решающим фактором, определяющим выбор. Делая выбор между продуктами, потребитель отдает предпочтение боле качественному продукту, в связи с этим производители для увеличения спроса на свою продукцию и прибыли должны повышать качество изготовляемых изделий.

Тагути сформулировал множество принципов, ставших впоследствии основой для организации системы качества многих японских компаний и мощнейшими статистическими инструментами оптимизации производственных процессов и улучшения качества продукции. Принципы и методы Тагути были также оценены и внедрены рядом мировых компаний.

Наиболее интересными все же являются не статистические приемы, использованные Тагути, а формулировка понятий, ставших своего рода «философией» улучшения качества. Основные положения:

1) качественный продукт должен быть произведен, а не найден во время инспекции;

2) наивысшее качество достигается при приближении к целевому значению; дизайн продукта/процесса должен быть осуществлен таким образом, чтобы исключить влияние неконтролируемых факторов;

3) цена качества как функция отклонения от целевого значения должна исследоваться на протяжении всего жизненного цикла продукта.

Как известно, 85% всех потерь качества происходит по причине несовершенства процесса и лишь 15% по вине работника. Разработка дизайна процесса/продукта таким образом, чтоб исключить возможные дефекты - это лучший способ производства качественной продукции. Чаще всего дефекты возникают из-за колебаний факторов, влияющих на производственный процесс, следовательно, приоритетом улучшения качества является создание

продукта/процесса стойкого к влиянию изменчивых факторов - робастная инженерия.

На стадии разработки дизайна продукта/процесса следует также проводить контроль качества и апробацию продукта - стратегия повышения качества «вне производственной линии». Неоспоримым достоинством данной стратегии является возможность внесения корректировок на ранних стадиях планирования производства. Основным направлением повышения качества «вне производственной линии» является изучение и исключение влияния шумовых факторов.

Следуя принципам Тагути, качество продукта не ограничивается строго пределами поля допуска. Максимальное качество достигается в центре поля допуска и постепенно понижается по мере удаления от целевого значения. Продукт, произведенный с отклонением от целевого значения, может прослужить меньше положенного времени, производя продукт с заданным параметром можно значительно повысить его качество и продлить срок службы.

Тагути рассматривал обеспечение качества как непрерывный процесс. Данные о качестве продукта должны собираться на протяжении всего времени производства и гарантийного обслуживания продукта. Рассматривая данные о продукте за длительный период, можно обнаружить аномальное поведение процесса или отклонение заданного параметра от целевого значения. Сопоставляя результаты с информацией о затратах на контроль, брак, ремонт, возврат, замену, гарантийное облуживание можно внести необходимые корректирующие действия при разработке новых продуктов/процессов и методов их контроля.

Разработку нового продукта следует проводить в следующем порядке:

- определение подходящих условий работы процесса и параметров продукта;

- поиск оптимальных параметров процесса - подбор параметров, при которых качество продукта и выход процесса будут максимальными;

оптимальные параметры подбираются с учетом стойкости системы к влиянию шумовых факторов;

- расчет поля допуска - определение наиболее критических параметров продукта, способных влиять на качество конечного изделия в целом и расчет диапазона, в котором качество продукта будет сохраняться.

Тагути также разработал понятие о функции затрат, заставившее пересмотреть традиционные представления о контроле качества. Принцип прост, но весьма эффективен: стоимость качества - это все затраты, связанные с продуктом до момента его отгрузки заказчику/потребителю, включая само производство. Основные потери общества, связанные с продуктом, происходят из-за загрязнения окружающей среды и чрезмерной вариации процесса, таким образом продукт со слабо разработанным дизайном начнет приносить убытки обществу уже на ранних стадиях производства в виде ремонта или любых других мероприятий по повышению его качества.

Традиционно считается, что продукт имеет приемлемое качество, находясь в пределах поля допуска; за пределами поля допуска продукт становится полностью непригодным к использованию. Все вариации продукта внутри поля допуска не влияют на качество конечного изделия. Традиционно выход процесса рассчитывался как отношение количества изделий отгруженных заказчику к общему числу произведенных изделий; брак рассчитывался как количество деталей, отбракованное в ходе ремонта к общему количеству произведенных деталей. Расчет показателей по такому принципу не указывает реальные данные о процессе и скрывает все затраты на ремонт или другие мероприятия по повышению качества продукта. Рассматривая данные о процессе в разрезе традиционного подхода, не видим общей картины, часть информации, которую не указывают данные показатели, образно называют «скрытой фабрикой».

Подход Тагути говорит, что нет четко ограниченных пределов, которые дают возможность судить о качестве продукта. Максимальное качество достигается в середине поля допуска, соответственно, затраты, связанные с

обеспечением качества в этой точке минимальные. Отклоняясь от целевого значения качество продукта постепенно падает, а затраты по обеспечению качества растут. Следует также отметить, что функция потерь качества способна достигать значений более 100% в тех случаях, когда потеря качества детали приведет к потере качества всего изделия. В отличие от традиционного подхода, функция затрат указывает на необходимость настройки процесса на целевое значение и приведение вариации к минимуму.

Итак, первым шагом на пути к повышению качества является установка процесса на целевое значение. Вторым - подбор параметров для снижения вариации процесса. Методика планирования экспериментов Тагути нацелена на оптимизацию процесса с учетом показателя «сигнал/шум». Таким образом, оценивается возможность повышения качества с учетом влияния шумовых факторов. Факторами шума принято считать факторы, влияющие на качество процесса, но при этом контролировать их невозможно или экономически не выгодно. Такие факторы как окружающая среда, износ оборудования являются одними из основных причин вариации процесса. Оптимизация процесса с учетом их влияния разрешает создать робастный процесс.

Планирование экспериментов по методу Тагути имеет широкую область применения, но чаще применяется для планирования качества «вне производственной линии», то есть при разработке дизайна, параметров и поля допуска продукта/процесса. Оценка показателя «сигнал/шум» сделала эту методику весьма популярной среди практикующих инженеров.

Подход Тагути основан на том, что лучше повысить качество продукта/процесса нежели системы контроля. Очень много времени и ресурсов уходит на проведение производственных экспериментов, при этом анализ результатов экспериментов почти не проводится. В разработках планирования и управления процессом Тагути упрощает планирование и анализ результатов экспериментов.

Технологической основой подхода Тагути служит планирование эксперимента. Особенность подхода Тагути в ограничении только ортогональными планами, по возможности без эффектов взаимодействия, к тому же предпочтительны насыщенные или близкие к ним планы, а при обработке используются графические планы.

Тагути предлагает разделить факторы на группы, чтобы в одной были группы так, чтобы в первой были факторы ответственные за номинал (основной отклик), а во второй - за разброс. Для выявления этих групп вводят отклик -отношение «сигнал-шум». Исходная задача разбивается на две независимые оптимизационные процедуры для номинала и для разброса. Они осуществляются в разных пространствах, а затем склеиваются, что дает робастной режим, аналогично предлагается разрабатывать оборудование, изделие и технологию производства, функция потерь Тагути различает изделия внутри допуска относительно близости к номиналу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалькова Екатерина Алексеевна, 2020 год

к - т

Матрица отношений иерархии

События нижнего уровня События верхнего уровня иера рхии

1 1 к 1

] 0 0 0 0

к 0 1 0 0

1 0 0 0 0

т 0 1 0 0

Рисунок 2.10 - Элементы графо-ориентированного вида технологического

процесса

Технологический процесс инжекционного литья можно записать как структуру:

Ар = (М(Р,), р1к) (2.3.1),

где р1к - технологическая операция или переход, элемент перехода; рй = М( Р ) • М( Р) - множество отношений технологических операций; Мр = ({РК\р рл > р ^ - отношение иерархии состояний перехода; и с р& - множество параметров и режимов технологических операций

(ТО);

V . с р - множество атрибутов состояний;

и] п и1 = 0, и] с р к1 ,и1 с р тп, р тп с р к1 = 1 -уникальность параметров технологических режимов;

и1. пи = 1,и . с рк1,и1 с ртп, ртп с ры = 0) - уникальность

и = {и]

и = {и у

параметров состояния.

Например, к атрибутам и параметрам оборудования, влияющим на управляемость и качество процесса и отливки, относятся параметры процесса инжекционного литья в узле пластификации термопласт автомата, такие как:

- объем впрыска;

- давление и его регулирование по длине шнека;

- температура по зонам нагрева.

На качество процесса в узле смыкания влияют такие функциональные параметры, такие как:

- усиление запирания пресс-формы;

- габариты плит;

- ход смыкания; -ход выталкивания.

Функциональные параметры оснащения (пресс-формы), влияющие на качество процесса, представлены на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Функциональные параметры пресс- формы, влияющие на качество

Полная интегрированная модель производственного процесса состоит из трех структурных компонентов: оборудование, инструмент (оснастка), персонал и иметь вид:

^ = (Ит (Т), МЕ (Е), (Ж), 1о, го, ъо, р), (2.3.2)

где Т = } - множество экземпляров оснастки и инструмента; Е = {еп} - множество экземпляров оборудования; Ж = \Wj } - персонал, закрепленный за рабочими местами; Р = {р } - множество технологических операций.

М 'О 'Р= 1} - отношение соответствия, где ^ инструмент,

применяемый на операции р^, okij - размерностью к х j - булева матрица соответствия;

МЕ = 'еок1 'Р = 1} - отношение соответствия между элементами

множества оборудования и технологических операций;

М№ = {ък ' ъок1 ' р = 1} - отношение соответствия между элементами

множества персонала и технологических операций.

Функциональными параметрами персонала, влияющими на качество процесса, являются следующие: рабочее место, специализация, функциональные обязанности по должностным инструкциям, квалификация.

На следующем этапе интегрированную модель структурированных элементов технологических процессов литья необходимо морфологически связать с возможными дефектами, которые могут проявиться на одном из этапов ЖЦ в процессе КТПП литья нового изделия.

Таким образом, по специальному алгоритму формируются таблицы СОК ТП по методу РБЫЕЛ.

Алгоритм составления данной таблицы СОК ТП состоит из этапов:

1. Анализ производственного процесса методом БЛОТ, построение плана операций как элементов жизненного цикла, т.е. формируем массив следующего вида:

Ар =(М(р), рл) (2.3.3).

2. Проводим синтез интегрированной модели производственного процесса с использованием элементов персонал, оборудование, инструменты, оснастка:

АЕ ={МТ (Т),МЕ (Е),Мш (Ж),га,ео,ъо, р) (2.3.4)

3. Формирование модели описания дефекта (брака) и способов его устранения в виде соотношения:

Ав =(МВ (Т), Я, р (2.3.5).

4. Синтез таблицы СОК по методу РБМЕЛ по ключевым параметрам р:

А пА2)р^Q (2.3.6),

где 2 = {д} - множество записей таблицы РБМЕЛ;

{А , Т) и (АЕ, Е) и А Ж)}с 2. АТТ и АЕ и АЖ = АТ - разделение дефектов и

;

способов их устранения по группам инструмент-оборудование-персонал; 2 = {!к\ч1рк > Чк} - отношение иерархии согласно ЖЦ процесса.

2.4 Методика управления требованиями к функциональности технологической оснастки (пресс-форм) на основе анализа вариантов конструктивных схем оснастки методом развертывания функций качества

Перед формирование таблиц РБМЕЛ с учетом возможности проектных ошибок при конструировании пресс-формы, необходимо проанализировать потребительские требования к ее функциональности. Как показал предиктивный анализ (рисунок 2.11), конструкция пресс-формы оказывает решающее значение

на качество литых полимерных деталей. Ошибки в проекте пресс-формы могут быть неустранимыми. Для снижения рисков связанных с выбором конструктивного исполнения элементов пресс-формы был разработан метод оценки её функциональности на основе развертывания функций качества (ОГО -метод) [93-103], который состоит из следующих пунктов.

1. Определение требования потребителей к пресс-форме

2. Определение технических характеристик пресс-формы, влияющих на качество отливки

3. Формирование М-матрицы оценок функциональности элементов,

к МЖ' *)}.

Матрица оценок функциональности, устанавливающая связь между требованиями потребителей к пресс-форме и её техническими характеристиками, пресс-формы представлена на рисунке 2.12.

4. Определение весового коэффициента влияния требований к пресс-форме

на потребительские свойства по формуле:

р

р* = ^ (241Х

1р„ т

где ш<М, Р}, Рт = [0,..,9], Pj и Рт- важность i характеристики.

Результаты расчета весовых характеристик показаны на рисунке 2.13.

5. Определение веса влияния технологической характеристики Zi на удовлетворение требований потребителя по формуле:

N

Р* =ХР*] ' тг] (2.4.2).

]=1

Область оценок с весом влияния технических характеристик элементов пресс-формы на ее функциональность показана на рисунке 2.14.

Технологические параметры, Т\

Требования заказчика, Твердость формообразующих деталей Отделка поверхности Сложность выполнения разъема (плоский, фасонный) Управление поданей расплава (центральный литник горячий канал) Многоместность пресс-формы Рядность гнезд пресс-формы Количество разъемов Степень стандартизации и простота системы выталкивания Степень стандартизации форм пакета (стандарты НА5СО,СМЕ) Степень сложности каналов охлаждения Охлаждение знаков в пресс форме Жесткость конструкции пресс-формы Степень сложности выполнения знаков [неподвижные. Термостатирование пресс-формы Отношение площади отливки в плане к площади смыкания

1. Малое время цикла фф - - фф + - фф -

2.Высокая точность отливки + фф - - - фф + + - + фф

3.Особые требования к качеству поверхности фф

4.Стабильность физико-механических и иных свойств в отливке фф фф + +

5.Контролируемые остаточные напряжения + фф + +

6.Высокие механические свойства отливки фф фф + +

/.Возможность получения несколькик(многих) отливок за фф +

автоматизированный съем и отделение отливок ** + + фф фф

9.Универсальность и возможность переналадки фф + + + фф +

10, Долговечность фф + - + - + - -

Рисунок 2.12 - М-матрица оценок: ** -сильная зависимость между ^ и + - средняя зависимость между ^ и - -

слабая зависимость между ^ и Ъх

г Ф 5 1 1 тс ■I 5 * и и «1 1£ Г. | 8 с и 1! V Л Ё и ■ й 4 § 3 г 1 • Й Текил лоччегнче изрвмезры, II

Требоишм шазмнмМ о § к « к 2 Г Л й £ ° II £ С О = к а 9 <3 с н 4 5 ! Е ■ и = г £ 0 г = н 1 : = с ^ ^ 0 с.« И! ! (И ! 11 1 2 Е 51 4 ¥ Е с I а. и ь ее: > 0. С Ъ и V Б с р в I Б V 1; II 5 А- 4 и # & С 5Е в 1 к_ « 1 II ■ I *> с, ш ■1 1 1 X £ £ С г, ■ 1 г 5 С 5 3 Ь " 2 ч - л Е з = о 5 Р, Р- 2 Оса 1 3 1 | 11 5 П - № 1- 111 6 Й £ А п □ • 2 ш в р I X Е ь 0 !| I я V * Е (I б а и и № а с е а с 3 4 1 № ■ I I № У □ 0 А- £ зг £ £ Ё 1 ^ | ь Я С и а В в , х и ! 1; I * I 41 ^ 1 м - V ? ^ I в ■ в С А и « с 4 I ч ф а £ В И 1! I | > с ? " а " II 1 ! 1 : ■ Э I * а ^ * : ; л & 5 5

«Л ¡М> 1. Мали вреилл цикл а 1 г - - 41 4 - -

11 из V ¿.Йьконая тачнктьогливкн 4 +4 ■ - 4 4 ■ +

1 V Шо&ые тр€ бощния к вдчшву ЛОБЗИК«™ 4 1

6 ¿.а ад 4.СТЛ6НЛЬНК1ЬФ№ИК1}' МРЛЭНИЧН КИК Н кНЫКСНОН(1В-Н атливке Р ч ЙЙ 4 4

М Ь.Кинзролиру^ые остаточные напряжения 4 4 4

«.а ЧА йВынжие иемэннеяие осйам отлит м ±1 4 +

1 М) лииножнопъ получения Не[ЧОЛЬКН)(|МНОГ1Ч(| ОТЛИЕВКа тт + я И

и З.йи 11:^ази4мр:!ы:чкый ОДМ и отдал сине отливок ** 4 4 ч м

ад 9.Универгапиостьи зимгккик 1ъ пе^ен а ла дин |Г 4 4 4 f

Р £,9 м 10, Далгсичнесть м 4 ■ 4 - 4 - -

V_/

Рисунок 2.13 - Матрица оценок с весовыми коэффициентами влияния требований к пресс-форме на

потребительские свойства

Веса связей Вес/Важность Технологические параметры, Т\

Требования заказчика,\№ Твердость фор мообразующих деталей Отделка поверхности Сложность выполнения разъема (плоский, фасонный) Управление подачей расплава (центральный литник горячий канал) Многоместность пресс-фор мы Рядность гнезд пресс-фор мы Количество разъемов Степень стандартизации и простота системы выталкивания Степень стандартизации форм пакета (стандарты НА£СО,ОМЕ) Степень сложности каналов охлаждения Охлаждение знаков в пресс фор ме Жесткость конструкции пресс-формы выполнения знаков (неподвижные, подвижные, Термостатирование пресс-фор мы Отношение площади отливки в плане к площади смыкания

14,0 8,0 1. Малое время цикла ** - - *• + - ** -

12,3 7,0 2.Высокая точность отливки + - - • ** + + - +

5,3 3,0 З.Особые требования к качеству поверхности • •

8,8 5,0 4.Стабильность физико механических и иных свойств в отливке »» ** + +

3,5 2,0 5.Контролируемые остаточные напряжения + *« + +

8,8 5,0 б.Высокие механические свойства отливки »* ** + +

14,0 8,0 /.возможность получения нескольких(многих) отливок за *• +

8,8 5,0 автоматизированный съем и отделение отливок ** + + м **

15,8 9,0 9.Универсальностьи возможность переналадки ** + + ** +

8,8 10. Долговечность ** + - + - - -

Максимальное связанное значение в столбцах 9 9 9 9 9 9 9 3 9 9 3 3 9 9 9

Вес/Важность 87,7 47,4 284,2 414,0 261,4 191,2 184,2 68,4 159,6 461,4 147,4 87,7 152,6 200,0 142,1

Связанный вес 3,0 1,6 9,8 14,3 9,0 0,0 0,4 2,4 5,5 16,0 5,1 3,0 5,3 6,9 4,9

Рисунок 2.14 - Матрица оценок с весом влияния технологической характеристики Ъх на удовлетворение

требований потребителя

6. Определение относительный вес влияния Ъх технической характеристики на

потребительские свойства по формуле:

р

г = , 1<к<К (2.4.3).

т

7. Ранжирование относительных весов влияния по формуле:

РЕ =1р1'|Р1' >Рк, к = 1-М, к * (2.4.4)

По итогам анализа методом РБЭ наиболее существенными характеристиками оказывающими влияние на функциональные (потребительские) характеристики пресс-формы оказались: Степень сложности каналов охлаждения, управление подачей расплава, количество формообразующих гнезд, сложность выполнения разъемов в пресс-форме.

В итоге выбираем три основных параметра с максимальными значениями. Разработанная методика позволяет получить исходные данные для структурно-параметрического синтеза вариантов выполнения конструкции пресс-формы и разработки технического задания на ее проектирования.

2.5 Выводы

Для разработки прогнозной методики управления качеством и выявления причинно-следственных связей возникновения дефектов с этапами жизненного цикла производства был проведен функциональный анализ подготовки производства литого изделия в соответствие с SADT-методологией технологических параметров и «доработкой» конструктива пресс-формы.

Для оптимизации процесса разработана функциональная модель процесса КТПП инжекционного литья «как должно быть» с использованием средств моделирования (симуляции) производственного процесса в CAE - системах.

В функциональной модели «как должно быть» добавлен этап «Цифровой двойник процесса», который на этапе КТПП позволяет устранить часть

характерных дефектов для производства литых изделий методом инжекционного литья, заложенных в конструкции пресс-формы.

По результатам функционального анализа формируется расширенная диаграмма качества Исикавы с интегрированными в нее номерами последовательности этапов из IDEF0 - модели.

На основе рассмотренного подхода к формированию качества литых полимерных деталей на этапе КТПП была разработана математическая модель управления качеством, обеспечивающая полноту и непротиворечивость учета потенциальных несоответствий процесса, влияющих на качество литья.

Кроме того, разработана методика управления требованиями к функциональности технологической оснастки (пресс-форм) на основе анализа вариантов выполнения ее конструктивных элементов методом развертывания функций качества (QFD - метод).

ГЛАВА 3 КВАЛИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗНАЧИМОСТИ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ НА КАЧЕСТВО ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБАСТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ

ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1 Выбор целевой функции качества. Влияние тензора ориентации армирующего волокна на качество литого изделия из полимерных композитных материалов

Одним из основных этапов КТПП инжекционного литья является модуль «Подбор технологических режимов». Для управления качеством технологических процессов необходима оценка влияния технологических режимов и их вариативности (изменчивости) на характеристики качества литых изделий. С целью определения области рациональных режимных параметров литья деталей с затрудненной проливаемостью, в частности для деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ), рассмотрены методики обеспечения целевых показателей качества и исследована чувствительность характеристик качества к вариативности технологических режимов. В качестве целевой функций выбран предел прочности, который зависит от ориентации в детали короткого армирующего углеволокна, определяемого тензором его ориентации.

Влияние тензора ориентации армирующего волокна на качество литого изделия их ПКМ проанализировано на основе робастного планирования технологических режимов по методу Тагути в численном эксперименте литья тонкой пластины из ПКМ РЕЕК с 20% наполнением углеволокном.

В изделиях из ПКМ конечные механические свойства зависят от технологических режимов изготовления, в связи с формированием в процессе изготовления сложной пространственной структуры расположения волокон, которая приводит к неоднородности свойств различных фрагментов изделия. С пространственной структурой связана неравномерная усадка материала.

Возникающие при изменении ориентации волокон усадки приводят к появлению внутренних напряжений и возможных деформаций, это, в свою очередь, ведет к короблению изделия.

Оценить влияние процесса производства на структуру расположения волокон, а также на жесткость и прочностные характеристики изделия позволяют современные системы моделирования, позволяющие подобрать оптимальные параметры изготовления.

3.2 Формирование атрибутов состояния производственной среды и робастное

планирование эксперимента для пластины из полимерных композитных

материалов по методу Тагути

Робастное проектирование заключается в уменьшении изменчивости функциональных характеристик изделия или процесса. Целью является значения управляемых факторов, при которых помехи минимально влияют на функциональные характеристики [85-91].

Этапы метода Тагути:

1) определение перечня функциональных характеристик, управляемых параметров и источников помех;

2) планирование эксперимента;

3) проведение основного эксперимента и анализ результатов;

4) проведение дополнительного эксперимента для проверки анализа.

Первый этап с определением функциональных характеристик, параметров

и дефектов был проведен в главе 2.

На 1-ом этапе были определены восемь управляемых параметров процесса. На втором этапе определено как изменяются данные параметры. Так как каждый параметр имеет два значения, то другими методами для анализа потребовалось бы 28 или 256 опытов для оценки комбинаций значений. Метод Тагутти позволяет сократить количество опытов до 18, что сокращает время и затраты, связанные с экспериментом.

В управляемой матрице эксперимента приведены значения управляемых параметров для 18 опытов. Эта матрица обладает важным свойством: она является сбалансированной, то есть для каждой пары параметров каждая комбинация тестовых значений появляется одинаковое число раз.

Управляемая матрица плана экспериментов по Тагути задает режим отдельных опытов.

Это позволяет точнее произвести оценку влияния, чем при поочередном изменении параметров, когда используются результаты только двух опытов.

Управляемые матрицы, которые обладают свойством сбалансированности, легко построить по специальным таблицам, называемыми ортогональными матрицами (ОМ). На этапе планирования эксперимента идет подбор матрицы эксперимента для метода Тагути. Проведем анализ подходящих матриц планирования.

Матрица ОМ8 позволяет изучить вплоть до 7 управляемых параметров на двух уровнях каждый в 8 экспериментах. Матрица ОМ16 (16 экспериментов) используется, когда количество управляющих параметров равно 15, причем последние также варьируются на 2-х уровнях. Матрицы ОМ18 (18 экспериментов) и ОМ27 (27 экспериментов) могут быть полезны, когда большинство управляемых параметров имеет три тестовых уровня. В итоге проведенного анализа выбор пал на матрицу ОМ1 8 как наиболее рациональную для эксперимента с небольшим количеством опытов с 3-х уровневом варьировании для 7 управляющих факторов и одним двухуровневом параметром.

3.3 Численная симуляция производственного процесса. Анализ влияния ключевых

факторов на качество отливки

С целью верификации возможности оценки одного из основных потребительских свойств литых изделий из ПКМ - предела прочности в зависимости от ориентации армирующего волокна - проводился численный

эксперимент инжекционного литья пластины из материала марки РЕЕК 90НМР20 (20% армирования углеволокном) в CAE-системе Moldex 3D по плану эксперимента ОМ18 описанного в предыдущем разделе. Также ставилась задача оценить влияние вариативности технологических режимов литья на тензор ориентации армирующего углеволокна.

На рисунке 3.1 представлена картина заполнения формующей полости пресс-формы в одном из численных экспериментов в зависимости от времени заполнения различных областей. По результатам моделирования пластина оформляется полностью. Время заполнения - 2.5 секунды.

Moldex

55 Run 65: Plate_2_R11 mde/PEEK_Victrex1 S0CA30_3 mtr/06-12-2013_plate_61 .pro

At 100% (2.5 sec) (EnhancedSolver*Fiber),Ep=1,539,211 Ec=0 Em=0 <eDesignU> X New run for virtual molding tria>

Рисунок 3.1 - Общая картина заполнения (изометрия)

На рисунке 3.2 представлена степень ориентации волокон, выраженная через тензор ориентации в продольном направлении на верхней (а) и нижней поверхностях пластины (Ь) [29].

Рисунок 3.2 - Степень ориентации волокон в продольном направлении на верхней

(а) и нижней поверхностях пластины (b) На рисунке 3.3 (а) представлена степень ориентации волокон, выраженная через тензор ориентации, в центральной части пластины, а на рисунке 3.3(б) представлена структура армирования в центральном сечении пластины [29, 5156].

Рисунок 3.3 - степень ориентации волокон в центральной части пластины (а) и структура армирования в центральном сечении пластины (б)

Результаты имитационного моделирования ориентации волокна в сечении представлены в виде распределения по площадям, окрашенным в различные цвета. Осредненное значение тензора ориентации в периферийных и центральной

области пластины для каждого технологического режима оценивалась по следующему алгоритму [29].

1. Определение средней величины тензора ориентации Fa для каждой области А :

„ %кр + %зел + %желт + %гол + %син „ * ч

Га =- , (3.3.1)

а 100%

где %кр - процент площади красного цвета;

%зел,%желт,%гол,%син - аналогично для зеленого, желтого, голубого, синего цветов на рисунках 16, 17 [29].

2. Определение среднего значения тензора ориентации для группы долевых областей - центральной и периферийной (математическое ожидание в каждой строке j) определяем по формулам:

М(]) = , (3.3.2)

где Fm(i, ]) - математическое ожидание в строке [29].

3. Построчно (] = М Уаг) для каждой группы долевых областей производится расчет дисперсии, используя усредненные в пределах области А ( / - уаг) величины тензора ориентации:

^ (Г ])-М(] » , (3.3.3)

'"=" (Рш(1,]) - М (]))2

¿=1

где Fm(i,j) - математическое ожидание в строке, M(j) - среднее значение вектора ориентации [29].

4. Определяется характеристики качества армирования дискретным волокном [29].

В качестве параметров качества по трем рассмотренным областям (] = 1,2,3 ) на этапе «Подбор режимов литья» можно предложить следующие:

а) математическое ожидание М(]) среднего значения тензора ориентации;

б) величину 1 ~<Ра , где <Ра - дисперсия среднего значения тензора ориентации [29].

В этом случае к параметрам качества можно применить принцип оценки Тагути «больше-лучше». Факторы, рассматриваемые в качестве варьируемых переменных, указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технологические параметры для этапа «Подбор режимов литья»

№ режима i?-.- на шнеке, бар Давление совки. бар Скорость впрыска, Ш'мк Врезы £ Температура на шнеке, Q Время цикла. Относительный объем впрыска, смЗ

1 1000 1000 7 20 340 100 30

2 1000 1000 20 25 355 120 60

3 1000 1000 30 30 370 140 70

4 1000 1250 7 20 355 120 70

5 1000 1250 20 25 370 140 30

6 1000 1250 30 30 340 100 60

7 1.000 1500 7 25 340 140 60

8 1.000 1500 20 30 355 100 70

9 1.000 1500 30 20 370 120 30

10 1.250 1000 7 30 370 120 60

11 1.250 1000 20 20 340 140 70

12 1.250 1000 30 20 355 100 30

13 1.250 1250 7 25 370 100 70

14 1.250 1250 20 30 340 120 30

15 1.250 1250 30 20 355 140 60

16 1.250 1500 7 30 355 140 30

17 1.250 1500 20 20 370 120 60

18 1.250 1500 30 25 340 100 70

Данные по режимам литья заносим в базу данных программы статистической обработки данных 8ТЛТ18Т1СЛ для автоматизированного выполнения метода Тагути (таблица 3.2).

Таблица 3.2 -Данные о режимах литья для оценки качества процессов

1 Давление на шнеке, бар 2 Давление подпрессовки, бар 3 Скорость впрыска, см/сек 4 Время опрессовки,с 5 Температура на шнеке, С 5 Время цикла, с. 7 Относительный объем впрыска, смЗ 8 Тензор ориентации 1п 9 Тензор ориентации 2п 10 Тензор жнтации Зп

1 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1000 7 20 340 100 3D 0,221356 0,197609 0,227725

2 1000 1000 1250 1250 1250 1500 1500 1500 1000 1000 1000 1250 1250 1250 1500 1500 1500 20 25 355 120 60 0,174948 0,167357 0.171152

3 30 30 370 140 70 0,16441 0,164516 0.176902

4 7 20 355 140 70 0,161776 0.166006 0.183657

5 20 25 370 100 30 0,164062 0,126658 0.165485

6 30 30 340 120 60 0,154997 0.158562 0.165485

7 7 25 370 120 70 0,333494 0',351221 0,3395651

8 20 30 340 140 30 0,457416 0,468722 0,427724

9 30 20 355 100 60 0,346824 0',351005 0,359471

10 7 30 355 120 30 0,311994 0,259657 0,31249

11 20 20 370 140 60 0,433379 0,468723 0,462219

12 30 25 340 100 70 0,312611 0',350327 0,360219

13 7 25 340 140 60 0,320277 0,298521 0,320976

14 20 30 355 100 70 0,33409 0',355802 0,347362

15 30 20 370 120 30 0,396623 0',463351 0,46759

16 7 30 370 100 60 0,311511 0,266259 0,316158

17 20 20 340 120 70 0,335846 0,296787 0,341571

18 30 25 355 140 30 0,587742 0,64146 0,902385

В программном комплексе 8ТЛТ18Т1СЛ выбирается метод Тагути для анализа (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Выбор метода анализа Тагути в программном комплексе STATISTICA

Далее задается план эксперимента. В эксперименте восемь факторов, количество двухуровневых факторов - от 1, 3-х уровневых - до 7. Следовательно, выбираем массив L18, как показано на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Выбор плана эксперимента в программном комплексе

STATISTICA

План эксперимента для восьми факторов, из которых количество двухуровневых факторов - от до 7 указан на рисунке 3.6.

Design Summary (Spreadsheet 1d)

L18: 1 factor with 2 levels: 7 factors with 3 levels

(Factors are denoted by numbers)

Standard Run F 1 F 2 F 3 F 4 yi "Л F 6 F 7 F 8

1 1 1 111111

2 1 1 2 2 2 2 2 2

3 1 1 3 3 3 3 3 3

4 1 2 1 1 2 2 3 3

6 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 1 1

6 2 3 3 1 1 2 2

7 3 1 2 1 3 2 3

8 3 2 3 2 1 3 1

9 3 3 1 3 2 1 2

10 1 1 3 3 2 2 1

11 1 2 1 1 3 3 2

12 1 3 2 2 1 1 3

13 2 1 2 3 1 3 2

14 2 2 3 1 2 1 3

15 2 3 1 2 3 2 1

16 3 1 3 2 3 1 2

17 3 2 1 3 1 2 3

18 3 3 2 1 2 3 1

Рисунок 3.6 - План эксперимента для восьми факторов в программе

STATISTICA

Затем задается вид проблемы «больше-лучше» метода Тагути (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Выбор типа проблемы в программе 8ТЛТ18Т1СЛ Далее выбираем зависимые и независимые переменные (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Выбор зависимых и независимых переменных в программе

STATISTICA

При решении проблемы «больше - лучше» в методе Тагути используется следующая оценка метода «сигнал/шум»:

Eta = -10log—У -1,

n у yi

где n - количество экспериментов, Уi - значение i-го технологического параметра. Оптимальным технологическим режимам соответствует максимальная

величина соотношения «больше-лучше». Следовательно, оптимальным будет

восемнадцатый режим, так как его оценка Eta(max)=-3,3933 (рисунок 3.9).

Design Summary (Spreadsheets

Давление на Давление Скорость Время Температура Время цикла, Относительный V0 Eta

шнеке, Бар 1 подпрессовки, бар впрыска, см/сек оп ре с совки, 4 с на шнеке, С S с. 6 объем впрыска, смЗ 8

Run 2 3 7

1 1000 1000 7 20 340 100 30 1 -13,3780

2 1000 1000 20 25 355 120 ВО 2 -15,3366

3 1000 1000 30 30 370 140 70 3 -15,4776

4 1000 1250 7 20 355 120 70 3 -15.4051

5 1000 1250 20 25 370 140 30 1 -16,5643

6 1000 1250 30 30 340 100 60 2 -15,9445

7 1000 1500 7 25 340 140 60 3 -9.3400

8 1000 1500 20 30 355 100 70 1 -6,9306

9 1000 1500 30 20 370 120 30 2 -9.0613

10 1250 1000 7 30 370 120 60 1 -10.7122

11 1250 1000 20 20 340 140 70 2 -6,8594

12 1250 1000 30 25 355 100 30 3 -9,3931

13 1250 1250 7 25 370 100 70 2 -10.0969

14 1250 1250 20 30 340 120 30 3 -9,2335

15 1250 1250 30 20 355 140 60 1 -7,1568

16 1250 1500 7 30 355 140 30 2 -10.5963

17 1250 1500 20 20 370 100 60 3 -9,8212

18 1250 1500 30 25 340 120 70 1 -3,3933

Рисунок 3.9 - Выбор оптимального режима для процесса инжекционного литья для этапа «Подбор режимов литья» по оценке Eta

3.4 Экспериментальная верификация разработанного подхода для оценки качества процесса литья на этапе «Подбор режимов литья»

На первом этапе экспериментально выбирался оптимальный режим инжекционного литья. Под оптимальным понимается такой режим, который обеспечивает наибольшее значение механических характеристик при минимуме их случайного разброса. Общее количество исследуемых режимов -восемнадцать. Режимы отличаются скоростью впрыска, давлением и температурой на шнеке, давлением подпрессовки и относительным объемом впрыска. Каждому режиму литья ставится в соответствие номер пластины, из каждой пластины вырезается пять образцов (рисунок 3.10). Четыре из пяти образцов испытываются стандартно на растяжение с монотонным нагружением вплоть до разрушения, оставшийся образец - на повреждаемость. В таблице 3.3

представлено краткое описание режимов литья, а также приведены статистические данные по прочности образцов, получаемых для каждого из восемнадцати режимов. Зеленым цветом отмечены наилучшие режимы, красным - наихудшие.

К1УС-1

0123 Г. 2

» - - — V"1» Й/ 3;

о:2з"<г_ ч

1 Сь %

012УС.5

Рисунок 3.10 - Фотография отлитой пластины с вырезанными образцами после

испытаний

Таблица 3.3 - Рассматриваемые режимы инжекционного литья

№ режима Давлени е на шнеке, атм. Давлени е подпрес совки, атм. Скорость впрыска Время подпрес совки, с. Темпера тура на шнеке, С Время цикла, с. Относит ельный объем впрыска Средняя прочност ь, МПа Ст. откл. МПа

1 1500 1500 50 30 370 120 60 200.95 50.43

2 1500 1500 30 30 360 120 60 204.29 40.18

3 1500 1500 20 30 360 120 60 218.84 28.63

4 1500 1500 10 30 340 120 60 226.12 21.56

5 1500 1500 7 30 340 120 60 228.69 16.22

6 1500 1500 15 30 340 120 60 213.29 28.71

7 1500 1500 15 30 345 120 60 207.34 31.19

8 1000 1000 15 30 345 120 60 204.64 34.86

9 1000 1000 15 30 350 120 80 174.90 36.93

10 1000 1000 15 30 350 120 80 190.50 29.31

11 1000 1500 15 30 350 120 70 195.89 36.19

12 1000 1500 15 30 350 120 70 208.43 31.04

В результате проведенных исследований было выявлено, что наибольшей прочностью и жесткостью обладают образцы, вырезанные из пятой пластины, а

наименьшей - из девятой. На рисунке 3.11 приводится сравнение диаграмм нагружения образцов, полученных на пятом и девятом режиме.

Рисунок 3.11 - Сравнение диаграмм деформирования образцов, полученных на

пятом (а) и девятом (Ь) режиме

Испытаниями на повреждаемость было также установлено, что в целом, независимо от режима, за исключением восемнадцатого, материал демонстрирует стойкость и сопротивляемость к накоплению и развитию в нем повреждений. Падение секущего модуля упругости при уровне нагрузки 90 % от номинального предела прочности не превышало 0.81 %. Появление остаточных деформаций наблюдалось, как правило, при уровне нагрузки не менее 70 % от номинального

предела прочности. Характерная кривая деформирования материала при испытании на повреждаемость приведена на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Характерная кривая деформирования материала при испытании на

повреждаемость

Анализ фотографий микрошлейфа поверхности разрушения говорит о том, что на прочность образцов существенное влияние оказывает именно скорость охлаждения [21, 27], особенно в случае полукристаллических полимеров с относительно высокой температурой плавления и кристаллизации таких как PEEK [26].

При одинаковой скорости охлаждения максимальную жесткость и прочность показали образцы, отлитые с минимальной скоростью впрыска и максимальным давлением подпрессовки. Скорость впрыска влияет на формируемую по толщине микроструктуру [13]. Это связано с особенностями течения расплава и формируемым профилем скорости по толщине пластины. Прочность и жесткость образца пропорциональна степени упорядоченности, или степени ориентации волокон. Данный феномен был подтвержден расчетными исследованиями в Moldflow. Серия расчетов отливки пластин, соответствующих пятому режиму, со скоростями впрыска, равными номинальной, а также в два раза больше и меньше таковой, подтвердила данную тенденцию.

3.5 Выводы

С учетом обоснования необходимости цифрового двойника процесса инжекционного литья с целью определения рациональных режимных параметров литья деталей с затрудненной проливаемостью, в частности для деталей из ПКМ, рассмотрены методы обеспечения целевых функции качества.

Проанализировано влияние тензора ориентации армирующего волокна на качество литого изделия их ПКМ на основе робастного планирования численного эксперимента для тонкой пластины из ПКМ по методу Тагути.

Проведенные исследования подтверждают целесообразность использования цифровых двойников при разработке системы управления качеством процессов инжекционного литья деталей из термопластичных полимеров.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ НА ОСНОВЕ ТАБЛИЦ PFMEA

Система менеджмента качества, предписываемая стандартом IATF 16949:2016 для автомобильной промышленности, включает один из этапов -FMEA или PFMEA.

Укрупненно алгоритм анализа рисков возникновения потенциальных несоответствий, заложенный в FMEA по новому стандарту представлен в семи этапах:

Шаг 1: Определение содержания и планирование проекта

Шаг 2: Структурный анализ

Шаг 3: Функциональный анализ

Шаг 4: Анализ характеристик

Шаг 5: Анализ рисков

Шаг 6: Оптимизация

Шаг 7: Документирование.

Для инжекционного литья границами проекта является этап конструкторско-технологической подготовки производства (шаг 1). Структурный и функциональный анализ был изложен ранее в процессе формирования и анализа информационно-технологической модели (по М.Л. Разу) проектно-производственной среды (ППС) литья полимерных деталей, который был проведен по методологии SADT и представлен в IDF0 нотации (шаг 2 и 3, главы 2.2 и 2.3 диссертации). Анализ характеристик ППС использовался применительно к технологическому оснащению на этапе проработки вариантов конструктивного облика пресс-формы методом развертывания функций качества (QFD) - 4 шаг.

Система анализа рисков и коррекция (улучшение, оптимизация) процесса инжекционного литья (шаг 5, 6) формируется в виде таблиц PFMEA.. Результатом метода являются специально сформированные таблицы PFMEA, ключевыми параметрами которой являются ранги (бальные оценки):

ранг (балл) значимости - балльная оценка по шкале от 1 до 10 серьезности последствий несоответствия;

ранг (балл) возникновения (О) оценивает вероятность возникновения причины отказа с учетом соответствующих текущих мер предупреждения и/или является относительным частоты возникновения причины несоответствия (несоответствия) - балльная оценка по шкале от 1 до 10;

ранг (балл) обнаружения (О) - балльная оценка по шкале от 1 до 10 способности существующих действий контроля обнаруживать потенциальные причины несоответствия;

приоритет действий (AP) - характеризуется тремя уровнями приоритетов ^

M, К

Приоритеты действий по результатам анализа рисков имеют следующие характеристики:

H -высокий приоритет для рассмотрения и принятия мер (команда должна определить действия для улучшения мер предупреждения и/или обнаружения, либо обосновать и задокументировать адекватность и достаточность существующих мер);

M - средний приоритет для рассмотрения и принятия мер (следует разработать действия, команде следует определить действия для улучшения мер предупреждения и/или обнаружения, либо по выбору организации, обосновать и задокументировать адекватность и достаточность существующих мер); L- Низкий приоритет для рассмотрения и принятия мер (команда может определить действия для улучшения мер предупреждения и/или обнаружения).

Наряду с приоритетом действий (AP) дополнительно рассчитывалось приоритетное число рисков (ПЧР) по более раннему стандарту FMEA. В некоторых случаях применительно к анализу инжекционного литья этот показатель оказался более информативным.

Приоритетное число риска (ПЧР) - обобщенная количественная характеристика несоответствия, его причины или последствия (в зависимости от

области применения и объекта анализа), учитывающая значимость и вероятности возникновения и обнаружения;

Система оценки и управления рисками инжекционного литья состоит из таблицы значимости, таблицы возникновения, таблицы возникновения, таблицы обнаружения и таблицы приоритета действий AP=f(S, O, D). Значимость S - это оценка по 10-балльной шкале серьезности последствия. Ранг (балл) значимости определяется экспертно по типовой шкале. Если последствий несколько и значимости их разные, то для дальнейшего расчета приоритетного числа риска используется максимальное значение значимости (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Типовая шкала баллов значимости S при PFMEA

Последствие Критерий значимости последствия Балл $

Конечный потребитель Про изводет во/сборка

а 1 11 § I 3 | Очень высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта (несоответствия) ухудшает безопасность раоогы изделия и (или) в ызыв ает н есо о тв етстви е обязательным требованиям безопасности и экологии без предупреждения. Может подвергнуть опасности персонал у станка или на сборке без предупреждения. 10

* и 1 £ ь £ Весьма высокий ранг значимости, когда вид потенциального дефекта (несоответствия) ухудшает безопасность работы изделия и (или) в ызыв аетнесоответсгвие обязательным требованиям безопасности и экологии с предупреждени ем. Может подвергнуть опасности персоналу станка или на сборке с предупреждением. 9

- 1 с ^ Изделия неработоспособны с потерей главной функции. Потребитель очень недоволен. Большое н ару тление производственной линии. Может браковаться до 100% продукции или ремонт занимает более часа. 8

^ и * Ч! Изделие работоспособно, нос п ониженн ой э ффективн о стью. Потребитель неудовлетворен. Небольшое нарушение производственной линии. Может потребоваться сортировка продукции, когда ■заегь ее бракуется или ремонт от 0.5 до 1 часа.

Продолжение таблицы 4.1 - Типовая шкала баллов значимости S при РБЫЕЛ

1 Изделие работоспособны, но некоторые системы комфорта и удобства, не работают. Потребитель испытывает дискомфорт. Небольшое нарушение производственной линии. Часть продукции необходимо забраковать (без сортировки) или ремонт менее полчаса. 6

<s а Изделие работоспособно, но некоторые системы комфорта и удобства работают с пониженной эффективностью. Потребитель испытывает некоторое неудовлетворение. Небольшое нарушение производственной линии. Может потребоваться переделка до 100% продукции или ремонт на месте.

и >1 О Изделие пригодно, но отделка и ппгмность изделия не соответствуют ожиданиям потребителя. Этот дефект (н eco о тв етстви е) замечает большинство потребителей: (более 75%). Небольшое нарушение производственной линии. Может потребоваться сортировка и частичная переделка продукции. 4

s a¡ з í II Изделие пригодно, но отделка и пп'мность не соответствуют ожиданиям потребителя. Дефект (н eco о тв етстви е) замечает 5 0% потребителей. Небольшое нарушение производственной линии. Может потребоваться переделка части продукции на специальном участке. з

л 1 d 5 ll. Изделие пригодно, но отделка и ппгиносгьне соответствуют ожиданиям потребителя. Дефект (н eco о тв етстви е) замечает разборчивый потребитель (менее 25%). Небольшое нарушение производственной линии. Может потребоваться доработка части продукции на основной технологической линии. т £л

i, ¡■I í i Никакого заметного последствия. Легкое неудобств о для оператора 1

Оценка качества процессов инжекционного литья зависит от тяжести последствий несоответствия и определяется с помощью 10-балльной шкалы (таблица 4.2).

При оценивании исходят из того, что значимость применима только к последствию. Если последствий несколько и значимости их разные, то для дальнейшего расчета приоритетного числа риска используется максимальное

Таблица 4.2 - Возможность возникновения причины отказа (О)

Потенциальные причины, оцененные с точки зрения следующих критериев Наилучшая оценка с учетом мер предупреждения, отражает надежность мер. Прогнозная оценочная величина, может не отражать реальное возникновение.

О Прогноз возникновения причины Тип мер управления Меры по предупреждению

10 Чрезмерно высокое Нет Нет мер по предупреждению

9 Очень высокое Связанные с поведением Меры по предупреждению будут иметь маленький вклад в предупреждение причины отказа

8

7 высокое Связанные с поведением или технические Меры по предупреждению дают вклад в предупреждение причины отказа

6

5 Умеренное Меры по предупреждению позволяют предупреждать причину отказа

4

3 Низкое Лучшие практики связанные с поведением или технические Меры по предупреждению дают высокий вклад в предупреждение причины отказа

2 Очень низкое

1 чрезмерно низкое Технические Средства предотвращения имеют очень высокое влияние на предотвращение причины за счет решений, заложенных в продукции (например, геометрия детали) или процессе (например, конструкция приспособления или оснастки). Меры по предупреждению такие, что отказ по оассматоиваемой поичине не может физически возникнуть.

Для каждой причины потенциального несоответствия с помощью соответствующей типовой шкалы (таблицы 4.1 и 4.2) необходимо определить ранги возникновения О и обнаружения D (таблица 4.3). В типах контроля указывается: А - с защитой от ошибок, В - с помощью калибра, С - ручной контроль.

Таблица 4.3 -Типовая шкала баллов обнаружения дефектов D при PFMEA

Обнаружение Критерии Типы контроля Предполагаемые методы управления Балл D