Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА J. Состояние проблемы и цели исследования 16
1Л. Пути повышения качества изделий точного машиностроения 16
1Л Л. Совершенствование системы управления качеством продукции 17
1Л.2. Обеспечение конкурентоспособности изделий на
основе использования сплавов инварного сплава 29
Цель исследования, решаемые задачи 50
Методы исследования 53
1.3.1. Методы оценки результативности от применения нового
инварного сплава ТВ36 53
1.3.2. Выбор методов оценки качества продукции 55
Выводы по главе! 60
ГЛАВА II. Разработка инварного сплава, обеспечивающего высокое
качество изделий 62
2Л Принцип создания инварных сплавов 62
Проведение опытных плавок сплавов на основе титана с легирующими добавками 73
Совершенствование методики измерения теплового
расширения образцов 74
Изучение и анализ теплового расширения сплавов систем титан-ванадий, титан-тантал и титан- ниобий 75
Объяснение аномального изменения температурного коэффициента
линейного расширения на базе рентгеноструктурных исследований 87
2.5Л. Структура сплавов в закаленном и холоднодеформированном
состоянии 89
2.5.2. Влияние нагрева на структурные превращения сплавов
Ti-(20 и 24 ат%) Nb 95
2,5.3.Структурные превращения сплавов Ti-(20 и 24 ат%) Nb
з
при термоциклировании 97
Текстура формирующихся фаз 101
Изменение параметров решетки для
а", Р, ш- фаз при нагреве 102
2.6. Взаимосвязь между структурой и тепловыми свойствами
сплавов Ti-(20 и 24 ат%) Nb 107
Механические, магнитные и технологические свойства-дополнительные преимущества инварного сплава 114
Выбор сплава, обеспечивающего высокие показатели
качества изделий , 119
Выводы по главеП , 120
ГЛАВА Ш.Пути повышения результативности технологической системы за счет внедрения сплава ТВ36 и оценка экономической
эффективности результатов работы 122
3.L Совершенствование методов и путей управления качеством
продукции в процессе изготовления изделий точного машиностроения 123
3.2 Основа повышения результативности технологической системы (ТС)-
выпуск конкурентоспособной продукции на основе нововведений 144
3.3. Формирование качества продукции- задачи взаимодействия
цепи «Заказчик 3 —* Разработчик Р— Изготовитель И —^Заказчик 3» 153
3.4. Оценка экономической эффективности внедрения
сплава ТВ36 в изделиях 163
3.5. Реализация нововведений 168
Выводы по главе III 168
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 170
Литература 173
Приложения 187
Введение к работе
С развитием конкуренции, резким обострением экономической ситуации, истощением природных ресурсов аспекты качества стали играть особую роль в производстве продукции. При этом успешное решение проблем качества в стране напрямую определяет ее экономическое положение. Всеобщая конкуренция сделана прежнюю модель управления качества устаревшей и определила современный взгляд на управление организацией, как на управление ее конкурентоспособностью и конкурентоспособностью производимого ее продукта. Такой подход лежит в основе прогрессивной концепции современной системы управления качества - концепции всеобщего управления качеством (TQM). TQM включает в себя разработку и реализацию долговременной стратегии экономического развития предприятия, которая должна обеспечивать удовлетворение интересов как самой фирмы, так и потребителей ее продукции и общества в целом.
Развитие высоких технологий и уникальных производств, обеспечивающих прорыв в научно-техническом развитии страны, на современном этапе диктуется динамикой развития науки и техники, а также спросом со стороны ведущих отраслей промышленности. Приоритетные направления науки и техники формируют новый технологический базис, который является основой экономики высокоразвитых стран начала XXI века. Они отвечают и национальным интересам России, т. к. предотвращают подрыв научно-технического потенциала страны - одну из вероятных угроз безопасности РФ.
В этой связи, важнейшим аспектом государственной политики, должно быть решение проблемы повышения эффективности использования научно технических разработок. Для России она имеет особое значение, поскольку наиболее слабым звеном является взаимодействие фундаментальной науки со сферой прикладных исследований и разработок, а также внедрение их результатов в производство. Такой подход обеспечит выход на международный
рынок и увеличит доход РФ не только за счет продажи имеющихся ресурсов, (таких как нефть, лес и пр.), но и за счет наукоемкой конкурентоспособной продукции машиностроения.
Мировой опыт развития техники и технологий показывает, что одним из приоритетных направлений является разработка и внедрение новых высокопрочных сплавов, обладающих комплексом уникальных физико-химических, магнитных, механических и других свойств, а также создание изделий на их основе.
Потребность промышленности в таких сплавах обусловлена тем, что конструкторские разработки большинства изделий доведены до такой степени, что практически исчерпаны возможности используемых сплавов и, следовательно, невозможно существенно повысить эксплуатационные свойства изделий, а значит и их качество. Получить качественно новые технические характеристики изделий возможно, если при их изготовлении использовать качественно новые материалы и технологии.
Сплавы инварного класса, благодаря их уникальным тепловым свойствам являются перспективными материалами для использования их в различных областях точного машиностроения. Однако имеется постоянная тенденция, которая заключается в повышении требований к качественным характеристикам сплавов этого класса (ужесточаются допуски на температурный коэффициент линейного расширения и модуля упругости) в комплексе с требованиями на другие параметры, в частности по прочности, твердости, износостойкости, полируемое, стабильности, плотности, коррозионной стойкости и пр.
В промышленности сплавы данного класса применяются для соединения с диэлектриками, стеклом, керамикой, кварцем, кремнием и др., при этом эти сплавы должны иметь: температуру плавления выше температуры их соединения с диэлектриками;
температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близкий к ТКЛР
стекла, керамики и т.п., в температурном диапазоне от 20 до 500С для спаев со
стеклом и до 900С для спаев с керамикой;
определенные физические свойства - удельное электросопротивление,
теплопроводность, модуль упругости и по возможности низкий предел
текучести, что способствует ослаблению напряжений в спае;
хорошую пластичность и способность обрабатываться резанием.
В настоящее время изучены и имеют широкое применение ферромагнитные инварные сплавы на основе системы железо - никель, железо-платина, железо - никель - кобальт, железо - кобальт - хром, в которых наблюдается аномально низкое значение ТКЛР, Из многих сплавов этих систем, наиболее применимы сплавы на железо - никелевой основе, в которых в зависимости от химического состава ТКЛР изменяется в широком интервале (I * 22 -10"6, К"1), При этом классический инвар состава Fe - 36% Ni относится к сплавам инварного класса с низким значением ТКЛР, а суперинвар (сплав, легированный кобальтом марки 32НК), имеет помимо низкого значения ТКЛР еще и повышенный уровень механических свойств.
Несмотря на широкий выбор сплавов на основе железо-никель не все они могут использоваться при создании новых изделий, которые могут составить конкуренцию изделиям, имеющимся на рынке. Это связано с тем, что сплавы на основе железа имеют высокую плотность, не достаточно высокие механические свойства, низкую коррозионную стойкость, узкий диапазон рабочих температур. Помимо этого они являются ферромагнитными сплавами и в ряде случаев при их применении возникают проблемы по устранению влияния внешних магнитных полей.
Развитие же приборостроения, радиотехники и машиностроения в целом, потребовало разработки металлических материалов с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения на неферромагнитной основе. Сплавы на железоникелевой основе, как указывалось выше, не могут
быть использованы в устройствах, где возникает магнитное поле» наводимое остаточным ферромагнетизмом.
Имеющиеся сплавы инварного класса с низким значением ТКЛР на основе хрома и композиционные материалы на основе волокон алюминий ~ бор или углерод-углерод, которые являются неферромагнитными материалами, не могут применяться в качестве конструкционных материалов из-за имеющихся недостатков. Сплавы на основе хрома не технологичны (являются хрупкими материалами), имеют узкий диапазон рабочих температур, в котором сохраняется низкое значение ТКЛР, а также высокую плотность (- 7,3 г/см ), Композиционные материалы имеют нестабильное значение ТКЛР во всем объеме, за счет несимметричной укладки волокон и низкие механические свойства.
При изготовлении ряда изделий точного машиностроения эта проблема стала особенно остро, так как при взаимодействии собственного магнитного поля космического аппарата с магнитным полем Земли возникают возмущающие моменты, которые приводят к изменению показаний приборов и как следствие к изменению положения космического аппарата (КА). Для удержания космического аппарата в заданном положении включается система ориентации, а это требует дополнительных энергетических ресурсов и, следовательно, увеличения массы всего КА. Использование немагнитных инварных сплавов для изготовления размерностабильных ферменных конструкций и консольных штанг приборов астроориентации, устранит отклонения показаний угловых датчиков выше допустимых, а значит, устранит необходимость в дополнительной системе производящей коррекцию центра тяжести всего КА.
Поэтому возникла необходимость разработки сплавов с минимальным коэффициентом линейного расширения, высокими механическими свойствами, низкой плотностью и являющимися не магнитными, т. е. не обладающих
ферромагнетизмом. Разработка нового сплава являлось одной из задач, которая решалась в данной работе.
Проведение разработки инварного сплава на основе титана и его производство малым предприятием, является новым в современных условиях и имеет свои особенности, на которые влияют постоянные изменения законодательной и нормативной базы РФ, экономики и налогового обложения. Поэтому совершенствование управления качеством определяет успех предприятия, которое не может надеяться на выживание в системе, если оно не осуществляет оценку, контроль и совершенствование методов управления качеством, т. е. не становится конкурентоспособным.
Диссертационная работа посвящена повышению качества изделий точного машиностроения на основе инварного титанового сплава, как основы нововведения, проведение теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих получить требуемое сочетание физико-механических свойств сплава, методов оценки его качества, а также оценке путей совершенствования управления качеством на основе принципов TQM, МС ИСО 9000:2000, в условиях взаимосвязи жизненного цикла разработки и жизнедеятельности предприятия.
Актуальность темы.
Поиск путей повышения качества и как следствие, повышение конкурентоспособности становится главной задачей предприятия на современном этапе. Сущность нового подхода к решению проблемы качества состоит в единении всех мероприятий, направленных на получение конкурентоспособной продукции, главными из которых являются управление качеством на всех стадиях жизненного цикла продукции и разработка новых видов продукции с освоением новых технологий.
Среди моделей менеджмента качества главное место отводится модели представленной в стандарте ИСО 9000:2000, а построение системы качества
9 предприятия в сфере малого бизнеса в области точного машиностроения становится актуальной задачей на современном этапе.
Успешное, опережающее развитие точного машиностроения, в том числе современных видов изделий ракетно-космической и военной техники и повышение конкурентоспособности на мировом рынке продукции многих отраслей народного хозяйства России, требуют разработки и производства принципиально новых материалов с уникальными физико-механическими свойствами. Среди этих материалов - прецизионные и высокопрочные сплавы, использование которых позволяет создать конкурентоспособные изделия, возможности которых качественно превосходят существующий уровень техники.
Инварные сплавы на основе железа с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и высокими механическими свойствами являются перспективным конструкционным материалом для использования их в качестве прецизионных в различных областях машиностроения и в частности в ракетостроении при создании космического аппарата. Однако ферромагнетизм классических инваров на железной основе не позволяет использовать их в устройствах, где магнитное поле, наводимое остаточным ферромагнетизмом, является недопустимым. Так как это приводит к изменению структурного состояния сплавов, а значит к изменению тепловых и механических свойств и как следствие к ухудшению параметров и характеристик изготовляемых из них изделий. Существующие немагнитные инварные сплавы с низким значением температурного коэффициента линейного расширения на основе хрома имеют тепловое расширение на уровне классического инвара 3611 только до +40С. Кроме того, большинство сплавов на основе хрома являются хрупкими материалами, имеют низкую технологическую пластичность, что не позволяет их использовать как конструкционные материалы. Помимо указанных недостатков, данные сплавы имеют высокую плотность на уровне 8-7 г/см , что увеличивает массу изделия
и противоречит тенденции направленной на уменьшение веса космического аппарата в целом, так как это приводит к дополнительным затратам. Известно, что каждый килограмм космического аппарата увеличивает его стоимость на 20-30 тыс. долларов США. Недостатки существующих сплавов являются существенным препятствием на пути их практического использования.
Поэтому актуальным является проведение комплексного исследования сплавов на основе титана» имеющего низкую плотность на уровне 4,5 г/см , направленного на создание сплавов с низким значением ТКЛР. Немагнитность сплавов на основе титана также является их существенным, преимуществом.
Работы по исследованию и разработке сплава проводились в рамках малого предприятия НПЦ «ИНОР» и потребовали разработки методов управления качеством, которые позволили бы оперативно управлять процессом создания сплава и обеспечили его стабильно высокое качество. Актуальность создания системы качества на малом предприятия определяется современными условиями рыночной экономики России и является условием его конкурентоспособности. Поэтому система качества малого предприятия должна быть более гибкой, индивидуально зависима от его положения на рынке, снижения издержек производства и создания технического задела, рассчитанного на будущий прорыв на рынке. Решение рассмотренных выше задач важно как с практической, так и с научной точки зрения, поскольку позволит определить критерии эффективности малого предприятия и расширит класс инварных сплавов, что в конечном итоге позволит создать конкурентоспособные изделия нового поколения.
Разработка сплава и создание высокотехнологичной и экологически чистой технологии получения полуфабрикатов данного сплава, с использованием методов управления качеством, является научно практической проблемой, решению которой и посвящены теоретические и экспериментальные работы автора.
п Целью исследования является обеспечение высококачественного производства инварного титанового сплава, как основы нововведения и конкурентоспособности малого предприятия, на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих получить требуемое сочетание физико-механических свойств сплава, методов оценки его качества, а также оценке путей совершенствования управления качеством на основе принципов TQM, ИСО 9000:2000.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
провести оценку организации производства малого предприятия,
проведения технологического процесса и контроля продукции согласно
национальным и международным требованиям МС ИСО 9000:2000, ИСО
14000 и положений TQM;
создать, отвечающую современным требованиям систему технологической документации (тех. процесс изделия, технологические инструкции, паспорта, технические условия, методики и т.п.) процесса производства и обеспечения качества изделий точного машиностроения;
исследовать и выбрать критерии оценки результативности технологической системы при разработке и внедрении качественно нового немагнитного инварного сплава;
разработать и внедрить методы контроля качества сплава и методов оценки эффективности функционирования системы качества предприятия;
изучить технические, технологические и эксплуатационные требования к сплавам инварного класса, применяемых в изготовлении узлов космических аппаратов с целью создания качественно новой конкурентоспособной на мировом рынке продукции в тесном взаимодействии с заказчиком;
изучить существующие методы и технологии разработки и производства
сплавов инварного класса;
изучить результаты исследований и состояние проблемы по немагнитным инварным сплавам, проводимых в нашей стране и за рубежом;
провести экспериментальные исследования сплавов на основе титана, с целью выбора композиции, обладающей требуемым уровнем физико-механических свойств;
изучить закономерности изменения структуры и фазового состава в зависимости от термо-деформационных режимов обработки сплава, в процессе его изготовления;
разработать предложения по технологии производства полуфабрикатов из нового сплава в соответствии с утвержденными техническими условиями.
провести опробование сплава в изделиях точного машиностроения;
Научная новизна.
Для решения поставленных задач нами проведено комплексное исследование, направленное на улучшение качества изделий точного машиностроения путем внедрения методов управления качеством, с целью создания системы качества на малом предприятии, а также на внедрение в производство неферромагнитного инварного титанового сплава с минимальным значением ТКЛР.
Впервые, при производстве изделий точного машиностроения в условиях малого предприятия решен вопрос создания системы качества на основе постоянного совершенствования системы менеджмента качества, объединяющей различные подсистемы менеджмента предприятия, обеспечивающие организацию производства и проведение технологического процесса.
На внутри производственном уровне разработан комплект технологической документации в соответствиями с требованиями TQM, ИСО 9000:2000, который позволил документировать технологический процесс изготовления изделия в целом, используя принцип сквозного интегрирования управления
и качеством продукции в тесной взаимосвязи звеньев цепи «Заказчик —* Разработчик —> Изготовитель —> Заказчик» , что существенно повысило результативность ТС на основе нововведения.
На основе научных закономерностей и экспериментальных исследований разработан ннварнын сплав на основе системы титан-ниобий - марки ТВ36, который в отличие от ранее известных инваров, является немагнитным, обладает высокой коррозионной стойкостью на уровне нержавеющей стали, меньшей плотностью, равной 5,4 г/см3 (вместо 8 г/см3 для инваров на основе железа и 7 г/см" для инваров на основе хрома), высокими механическими свойствами с пределом прочности 700-800 Н/мм2 (вместо 400-500 И/мм2 для инваров на основе железа), сохраняет инварностъ в широком температурном диапазоне от -150 до + 200 С.
Созданы научные основы технологии изготовления листового и трубного полуфабрикатов сплава ТВ36, включающие выплавку, ковку, прокат, термодеформационную обработку. Полуфабрикаты обладают высокими технологическими свойствами, позволяющими изготовлять различные изделия с применением резки, гибки, отбортовки, вытяжки, штамповки, шлифования, клепки и сварки.
Усовершенствована методика определения ТКЛР сплавов с минимально низким значением ТКЛР (< 3 -Iff* fC!), а также разработала методика и аппаратура для определения ТКЛР крупногабаритных конструкций.
Практическая ценность работы.
1. Построена модель управления качеством по принципу разработки и реализации комплекса программ, которые составили основу системы качества предприятия и проведена оценка ее эффективности, с учетом современных тенденций развития системы качества, требований национального и международного стандартов, а также требований, предъявляемых к предприятиям точного машиностроения, в рамках малого предприятия .
Разработаны внутренние стандарты предприятия в виде технических условий на листовой, трубный и др. полуфабрикаты сплава ТВ36 на основе работы проектных команд, в системе «Заказчик —> Разработчик —* Изготовитель —* Заказчик», что позволило создать высоко результативную ТС на малом предприятии, направленную на создание конкурентоспособных изделий точного машиностроения.
Разработаны предпосылки создания электронной документации в соответствии с CALS стандартами, которые позволили осуществить информационную поддержку в процессе жизненного цикла нововведения с учетом интересов всех звеньев цепи «Заказчик —» Разработчик —* Изготовитель —> Заказчик».
4. Разработан и внедрен метод измерения ТКЛР в области малых величин на
образцах и изделиях на предприятиях точного машиностроения, которые
применяют в изделиях сплавы инварного класса.
5. Результаты проведенных исследований позволили расширить диапазон
инварных сплавов, применяемых в изделиях точного машиностроения, в том
числе для изделий, используемых в космических аппаратах, и создана научная
основа для проведения разработок по созданию сплавов данного класса с
заданным сочетанием физико-механических свойств.
6. На основе полученных результатов разработан высокопрочный
неферромагнитный инварный сплав ТВ36, получен патент РФ Ш. 2095455 от
16.07.1996 г, а само изобретение удостоено золотой медали на международной
выставке в Брюсселе «EUREKA'98».
7. На основе полученных результатов предложен ряд принципиально новых
технологических решений получения сплава в различных полуфабрикатах,
методом кристаллизации под давлением. Разработанная технология для
производства изделий получила золотую медаль на Ш Московском
международном салоне инноваций и инвестиций в феврале 2003 года.
Личный вклад автора.
Руководство и организация работ по управлению качеством на предприятии, участие в разработке и создании технологии производства неферромагнитного инварного сплава на основе титана, проведение экспериментов, обработка, анализ, научное обобщение результатов исследований, разработка новых технологических решений, разработка предложений по повышению эффективности управления качеством, результативностью ТС, выводы, рекомендации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, научных совещаниях и семинарах, в том числе на международной конференции по мартенситным превращениям 1995, 1998г., первой Всероссийской научно-технической конференции «МЕХАТРОНИКА. АВТОМАТИЗАЦИЯ. УПРАВЛЕНИЕ», 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 статей (в том числе в соавторстве), получено 2 патента РФ на изобретения, Диплом и Золотая медаль на выставке изобретений в Брюсселе, а так же Диплом и золотая медаль третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 186 страниц машинописного текста и 35 страниц приложений. Работа включает 50 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 164 наименований.
