Основные направления повышения надежности изделий совершенствованием технологических систем их производства, испытания и контроля

Изделия аэрокосмической техники характеризуются непрерывным ростом не только летно-технических и экономических показателей, но и в значительной мере ростом их показателей надежности. Обеспечение высокой надежности летательных аппаратов осуществляется на этапе их производства и невозможно без высокой надежности технологических систем.

До определенного этапа развития аэрокосмической техники основным методом получения изделий высокого качества было постоянное обнаружение и исправление возникших дефектов. При такой организации производства считалось, что получение некоторого процента дефектных деталей в серийном производстве является неотъемлемым свойством технологического процесса.

Однако, качество изделия создается не в процессе контроля или испытаний, а в процессе производства. Поэтому основой должен быть анализ объективных и субъективных причин дефекта, с тем чтобы субъективные причины исключить, а отрицательное влияние объективных факторов научиться измерять количественно и ограничивать до нужных пределов. В этом заключается суть систем бездефектного изготовления продукции.

В настоящее время российская аэрокосмическая промышленность все более активно выходит на международный рынок. В связи с этим возникает необходимость не только обеспечения показателей качества продаваемой продукции, но и создание уверенности у потребителя в том, что поставщик способен обеспечить стабильность этого качества в соответствии с контрактом. Гарантией стабильности качества продукции является наличие на производстве сертифицированной независимым международным органом системы качества продукции. Одной из составляющих системы качества является комплексная система технологического обеспечения надежности летательных аппаратов. В зависимости от вида изделия, традиций КБ-разработчика изделия и конкретного завода-изготовителя системы технологического обеспечения надежности и качества имеют некоторые отличия. Однако их общую сущность можно представить в виде системы, изображенной на рисунке 15.

Рисунок 15 - Система технологического обеспечения надежности ЛА

Технологическое обеспечение качества и надежности ЛА начинается с этапа конструкторско-технологического анализа изделия (подсистема " Проектирование. Конструкторско-технологический анализ"), отрабатывается в результате доводки изделия (подсистема " Доводка"), реализуется на этапе производства (подсистема " Производство") и совершенствуется по результатам эксплуатации изделия (подсистема " Эксплуатация").

Некоторые элементы этих подсистем изображены на рисунках 16 и 17.

Основными этапами работ в подсистеме " Проектирование. Конструкторско-технологический анализ" является проведение опережающих исследований, разработка мероприятий по подготовке опытного и серийного производства и создание опытного образца изделия (рисунок 15). На этапе опережающих исследований проводится конструкторско-технологическая оптимизация элементов конструкции, узлов, агрегатов и т.д. на надежность, разрабатываются технологические процессы обработки материалов и сборки изделия. Особенно важным на данном этапе является выяснение влияния выбранных технологических процессов на надежность элементов изделия, особенно в случае использования новых материалов и новых технологий. Как уже отмечалось, свойства материалов для элементов конструкции нельзя рассматривать изолированно, без учета влияния на эти свойства условий и режимов обработки и сборки, а также последующих условий их эксплуатации. Известно, что воздействие конструктивных концентраторов напряжений в деталях в виде галтелей, резьбовых и сварных соединениях, воздействие повышенных температур и коррозионных сред приводит к тому, что допускаемые эксплуатационные напряжения в реальных деталях не превышают (10...70)% предела усталости стандартных образцов по ГОСТу из этих материалов. Кроме этого существует дисперсия механических свойств поставляемых материалов, дисперсия режимов обработки и точности настройки. Отсюда появляется дисперсия параметров качества деталей. Очень часто эта дисперсия наиболее явно проявляется в свойствах поверхностного слоя, который наиболее сильно влияет на основные эксплуатационные показатели изделия. Например, изменение условий обработки изменяет дисперсию этих свойств в 3...4 раза и уменьшает математическое ожидание параметров качества, а следовательно, уменьшает вероятность безотказной работы детали и изделия в целом. В связи с этим важным направлением уменьшения дисперсии из-за технологических факторов является использование адаптивного управления технологическими процессами и введение специальных операций модифицирования поверхностного слоя.

Рисунок 16 - Элементы подсистемы " Проектирование" и " Доводка"

Рисунок 17 - Элементы подсистемы " Производство"

В настоящее время поверхностное упрочнение и упрочняющие покрытия являются одной из обязательных финишных операций при изготовлении ответственных деталей [1, 7, 17, 18]. В случае обеспечения стабильности во времени и по всей площади детали обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) обеспечивает повышение надежности технологических систем как за счет увеличения номинальных значений параметра качества, так и снижения его дисперсии. ППД по сравнению с другими методами обработки в 2...4 раза уменьшает величину доверительного интервала на сжимающие остаточные напряжения в приповерхностном слое (при доверительной вероятности 0, 95) и до 40% увеличивает однородность других свойств поверхностного слоя.

Одним из основных направлений является также повышение технологичности конструкций, особенно для проведения сборочно-монтажных работ. Это в основном достигается панелированием и агрегатированием монтажей.

Конечной целью всех этих мероприятий является разработка наиболее полных и обоснованных ТУ на параметры качества изделия, на параметры технологических систем и методы испытания и контроля (рисунок 12).

Одним из наиболее важных и эффективных средств обеспечения объективности перечисленных мероприятий являются испытания, которые проводятся на всех этапах, начиная с проектирования изделия, и продолжаются на этапе серийного производства и эксплуатации в виде сбора информации для уточнения поведения материалов и конструкций в реальных условиях эксплуатации.

Испытания образцов подразделяют на лабораторные (стендовые), проводимые на месте изготовления изделия, и летные испытания, проводимые на летательном аппарате.

Лабораторные испытания опытных образцов дают первичную информацию о работе деталей, узлов, устройств при воздействии на них различных факторов. Однако при лабораторных (стендовых) испытаниях нельзя учесть всего разнообразия факторов, имеющих место при эксплуатации опытных образцов на летательных аппаратах различных классов. Для одного и того же агрегата характер нагрузок, уровни, последовательность и цикличность их действия может изменяться в зависимости от типа летательного аппарата. Поэтому, как показывает опыт, характеристики надежности, полученные при лабораторных испытаниях, значительно отличаются как по уровню, так и по характеру отказов. В связи с этим кроме лабораторных испытаний проводится большой объем летных испытаний, в том числе и испытания материалов узлов в условиях экспонирования в реальных условиях эксплуатации.

Таким образом, при технологической подготовке производства и выпуске опытного образца должны быть решены вопросы выбора оптимальных технологических процессов, режимов технологических операций и методов и мест контроля, а также выбора оптимального состава технологической системы по надежности.

В случае серийного производства летательного аппарата работы по созданию изделия не ограничиваются выполнением проектных работ, постройкой опытных образцов, проведением лабораторных и летных испытаний. Продолжением процесса проектирования с учетом требований серийного производства и эксплуатации является конструкторско-технологическая доводка. Необходимость этапа доводки вызывается спецификой опытного производства и его отличием от серийного (п.2).

В процессе опытного производства в первую очередь решаются вопросы обеспечения необходимых тактико-технических данных летательного аппарата. К моменту окончания летных испытаний вносится достаточно большое число конструктивных изменений в изделие. Необходимость этих изменений становится обычно ясна только к концу испытаний и анализа полученных данных. Поэтому в процессе запуска изделия в серийное производство производится конструктивно-технологическая доводка.

Особую важность доводка изделия на стадии серийного производства приобретает в связи с тем, что оборудование серийного и опытно-экспериментального заводов или технологической базы ОКБ имеют различие как по номенклатуре, так и степени износа, отличается также квалификация технического персонала этих подразделений.

Процесс конструктивно-технологической доводки и подготовки серийного производства максимально используется для повышения показателей надежности изделия и корректировки директивных технологических процессов (рисунок 16).

Повышение надежности летательного аппарата на этом этапе достигается в результате значительного улучшения его производственной, эксплуатационной, а для ремонтируемых изделий и ремонтной технологичности, продолжения и расширения объема начатых ранее ресурсных испытаний, уточнения технических условий и программ испытания готовых изделий. В этот период решаются многие вопросы рационального размещения оборудования, коммуникаций и увязки с элементами конструкции аппарата. Параллельно с плазовыми работами ведется разработка технологии монтажных работ. При этом необходимо обращать внимание на выбор баз, относительно которых должны фиксироваться агрегаты силовой установки, систем управления, топливной и гидросистем, связанные трубопроводами.

Окончательную отработку сложных пространственных систем целесообразно проводить на макете, в том числе и электронном летательного аппарата. Это позволяет изыскать еще более простые решения компоновки агрегатов, монтажа элементов коммуникаций, сократить число соединений и повысить эксплуатационные качества изделий. По мере отработки монтажей должны быть изготовлены эталоны всех элементов систем. Эти детали в дальнейшем используются при изготовлении всей заготовительной, монтажной и контрольной оснастки.

На стадии серийного производства технологическая надежность летательного аппарата обеспечивается стабильностью технологического процесса, надежностью технологических систем и введением новых технологических процессов, позволяющих снижать дисперсию и повышать номинальные значения показателей качества продукции (рисунок 17).

Обеспечение надежности технологических систем реализуется за счет выявления технологических дефектов и обоснованной корректировки технологических систем. Стабильность же технологических процессов обеспечивается их адаптивным управлением и адаптивной настройкой средств технологического оснащения, использованием автоматизации и гибких автоматизированных производств, применением САПР ТП и ТПП, а также использованием активного и автоматизированного контроля как параметров качества продукции, так и параметров технологических систем. Важнейшим направлением повышения стабильности производств является уменьшение доли ручных работ, особенно на стадии финишных операций.

Большое влияние на стадии серийного производства на надежность изделия оказывает дальнейшая стабилизация и повышение надежности финишных технологических процессов, особенно оказывающих влияние на свойства приповерхностного слоя детали.

В процессе подготовки производства и в ходе серийного производства продолжаются лабораторные испытания и испытания деталей, агрегатов и систем изделия. Это связано с тем, что в процессе летных испытаний и конструктивно-технологической доводки вносится целый ряд конструктивных и технологических изменений, которые требуют лабораторной проверки. Кроме того, проведение исследований и испытаний необходимо для выявления причин отказов в процессе серийного производства и эксплуатации первых партий серийных изделий.

Заводские испытания серийных образцов подразделяются на приемо­сдаточные, периодические и проверочные.

Обеспечение качества и надежности продукции в процессе её изготовления невозможно без проведения контроля. Контроль может относиться как к проверке качественных и количественных характеристик свойств продукции, так и к контролю режимов, характеристик и параметров технологического процесса. Методика контроля разрабатывается таким образом, чтобы необходимыми техническими средствами были охвачены все стадии производства и испытаний. Средства контроля должны применяться при входном контроле на каждой операции и на всех стадиях технологического процесса изготовления и испытаний деталей и узлов, а также для настройки и оценки средств технологического оснащения. Так же, как и приемо-сдаточные испытания, контроль продукции может быть сплошным и выборочным. При выборочном контроле с помощью статистических методов разрабатываются специальные методики контроля, приемки и браковки продукции.

Однако оценка уровня качества продукции - необходимый, но не достаточный вид статистического контроля для обеспечения высокой надежности и стабильности технологических систем.

Статистические методы контроля должны применяться и для контроля параметров технологических систем. Принципиальная разница между контролем качества продукции и контролем параметров технологических систем заключается в том, что при контроле продукции в основном создаются условия, исключающие поставку дефектной продукции, а при контроле технологических систем создаются предпосылки для неизготовления дефективной продукции. Действительно, при контроле технологических систем появляется возможность определения тенденций изменения характеристик системы и путем её подналадки принятия мер для предотвращения возникновения дефекта, т.е. создать условия для бездефектного изготовления продукции.

Особенно широкие возможности управления качеством продукции имеют место при автоматизации контроля и применения методов активного контроля. Активный контроль, при котором по результатам контроля дается команда на подналадку оборудования, изменения режимов его работы или даже на остановку технологического процесса, совместно с системами автоматизированной поднастройки дает гарантию обеспечения стабильности и надежности технологических систем, а, следовательно, гарантию обеспечения качества и надежности изделия.

Контрольные вопросы к разделу 8

1. Общая схема системы технологического обеспечения надежности изделия?

2. Основные мероприятия по повышению надежности на этапе конструктивно-технологического анализа изделия?

3. Основные мероприятия по повышению надежности на этапе доводки изделия. Причины введения этапа доводки изделия?

4. Основные мероприятия по повышению надежности изделий на этапе производства?

5. Основные операции поверхностного упрочнения и нанесения покрытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Сборочные, монтажные и испытательные процессы в производстве летательных аппаратов: Учебник для студентов высших технических учебных заведений. / В.А.Барвинок, В.И.Богданович, П.А.Бордаков, Б.П.Пешков, И.Н.Желтов, И.А.Докукина. Под ред.проф. В.А.Барвинка. – М.: Машиностроение, 1996. –576 с.

2 Теоретические основы авиа- и ракетостроению (в конспектах лекций): Учеб. пособие для вузов/А.С. Чумадин, В.И. Ершов, В.А. Барвинок и др. – М.: Дрофа, 2005. – 784 с.

3 Надежность и эффективность в технике. Справочник в10т/ ред. совет: В.С. Авдуевский и др. – М.: Машиностроение, 1986.

4 Дэвид Дж. Смит. Безотказность, ремонтопригодность и риск. – М.: ООО «Группа ИТД», 2007. – 432 с.

5Богданович В.И. Теоретические основы обеспечения надёжности летательных аппаратов на стадии их производства: Учебное пособие.- Самара: СГАУ, 2007.- 90 с.

6 Кузнецов А.А. Надежность конструкция баллистических ракет. – М.: Машиностроение, 1978. 256 с.

7Соломонов П.А. Надежность планера самолета. – М.: Машиностроение, 1974. – 320с.

8Надежность технических систем: Справочник /Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин и др. /Под ред. И.А. Ушакова. – М.: Радио и связь, 1985. – 608с.

9 Кирилин А.Н., Ахмедов Р.Н., Сологуб А.В., Макаров В.П. Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли: математические модели, компьютерные технологии. – М: Машиностроение, 2010.- 384 с.

10 Вигдорчик С.А. Технологические основы проектирования и конструирования самолетов: Конспект лекций. Часть II. – М.: МАИ, ротапринт, 1976. – 96с.

11 Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев Ф.З. Надежность машин. – М.: Высшая школа, 1988. – 237с.

12 Проников А.С. Параметрическая надежность машин. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. – 560 с.

13 Гуров С.В., Половко А.М. Основы теории надежности. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 527 с.

14 Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для ВУЗов. – М. Высшая школа, 2003. – 463 с.

15 Кузнецов А.А., Зотов А.А., Комягин В.А. Надежность механических частей конструкции летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1979. – 144с.

16 Богданович В.И. Барвинок В.А. Системный анализ технологических методов обработки в производстве летательных аппаратов: Учеб. Пособие. – Куйбышев: КуАИ, 1989. – 68с.

17 Барвинок В.А. Плазма в технологии, надежность, ресурс. – М.: Наука и технологии, 2005. – 456 с.

18 Барвинок В.А., Богданович В.И. Физические основы и математическое моделирование процессов вакуумного ионно-плазменного напыления.- М.: Машиностроение, 1999. – 306 с.

19 Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел.- М: Наука, 1974.- 560 с.