DESIGN AND MODELING

Integration of statistical process control methods with engineering modeling tools and digital counterparts to increase the maturity of quality management systems in mechanical engineering

Authors

  • Kangxuan He South Ural State University (National Research Institute), 454080, Russia, Chelyabinsk, 76 Lenin Ave

How to cite

GOST He K. Integration of statistical process control methods with engineering modeling tools and digital counterparts to increase the maturity of quality management systems in mechanical engineering // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 11. P. 123-131.
APA He, K. (2025). Integration of statistical process control methods with engineering modeling tools and digital counterparts to increase the maturity of quality management systems in mechanical engineering. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(11), 123-131.

Abstract

The article examines the integration of statistical process control (SPC) methods with engineering modeling tools and digital twin technologies to improve the maturity of quality management systems in high-tech mechanical engineering. The purpose of the study is to substantiate a methodology and a set of tools that enable the transformation of a traditional reactive quality assurance model based on sampling inspection into a proactive predictive control loop for precision machining of gas turbine engine components. The empirical basis consists of data from monitoring key process parameters over 18 months of production operation: more than 2,5 million measurements of geometric, thermal, and vibration characteristics recorded by an IoT sensor network integrated into the SPID system. The methodology is based on combining classical SPC tools (Cp, Cpk indices, X̄/R control charts, regression and variance analysis) with high-detail engineering modeling of thermoelastic deformations using the finite element method as part of a digital twin of the equipment and processed components, as well as adapting the CMMI maturity model to the requirements of ISO 9001 and AS9100 standards. It is shown that the implementation of the integrated system leads to a reduction of the standard deviation of critical dimensional parameters by more than 60%, an increase in Cp and Cpk indices to levels above 2,7, effective compensation of thermal deformations (92-93%), and a multiple (more than 50-fold) reduction in the average time to detect deviations. Additionally, there was a reduction in internal defect costs from 3,84% to 0,52% of turnover, a decrease in the share of false alarms in the control system, and an increase in the comprehensive maturity index of the QMS from 2,15 to 4,35 points, with the share of processes featuring automatic correction increasing to 85%. A high correlation (r≈0.92) was established between the level of digitalization and product accuracy characteristics, confirming the synergistic effect of combining stochastic and deterministic models within a unified digital quality control loop.

Keywords

statistical process control digital twin engineering modeling quality management system mechanical engineering

References

Анцыферов С.С., Фазилова К.Н., Русанов К.Е. Методика контроля качества технологических процессов интеллектуального машиностроительного производства // Наукоемкие технологии. 2023. Т. 24. № 7. С. 39-43.

Благовещенский Д.И., Козловский В.Н., Шанин С.А., Клейменов С.И. Развитие цифровых инструментов управления качеством в машиностроительном производстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 6. С. 167-174.

Бржозовский Б.М., Мартынов В.В., Бровкова М.Б. Создание и развитие высоконадежных информационно-управляющих систем с элементами искусственного интеллекта для перспективных технологических комплексов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2024. № 7(157). С. 34-42.

Дзюбаненко А.А., Зидерер Ю.Д. Модель повышения качества технологического процесса механообработки с использованием группы нотаций IDEF с применением FMEA-анализа. Часть 2 // Контроль качества продукции. 2023. № 11. С. 35-38.

Дзюбаненко А.А., Зидерер Ю.Д. Обеспечение качества механообработки металлических изделий в условиях цифровизации промышленного производства // Контроль качества продукции. 2023. № 4. С. 51-57.

Ерофеев М.Н., Кравченко И.Н., Крюков М.В. Информационное обеспечение, моделирование и управление жизненным циклом изделий // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2025. № 2. С. 100-106.

Запорожцев А.В., Хазова В.И., Хазова В.И. Ключевые аспекты создания цифрового двойника процесса системы менеджмента качества // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. № 4. С. 105-116.

Калакова Е.С., Хаймович А.И., Мешкова Е.А., Мешков А.А. Разработка концепции интеграции отдельных методов управления качеством механической обработки с MDC-системой // Вестник Международного института рынка. 2022. № 2. С. 96-102.

Корниенко А.В., Мартынец Е.Р., Левенцов В.А. Система качества производственного процесса и надежность технологического оборудования // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 4: Промышленные технологии. 2024. № 3. С. 38-43.

Кузьменко Н.Н., Михайлова А.Д. Методика контроля качества на машиностроительных предприятиях // Вестник Луганского государственного университета имени Владимира Даля. 2023. № 10(76). С. 195-198.

Кушнарев Л.И. Системные проблемы машиностроения по повышению надежности отечественной техники // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. № 1. С. 127-137.

Мартышкин А.П., Майоров А.М. Статистические методы в системе управления качеством продукции машиностроения // Эпоха науки. 2024. № 37. С. 56-61.

Тюрин И.В., Сысоева Е.А. Анализ элементов системы управления качеством предприятия машиностроения // Гуманитарные, социально-экономические и общественные науки. 2023. № 7. С. 248-251.

Утягулов Р.С. Повышение эффективности оценки технологичности сложных корпусных деталей с использованием интеграции цифровых CAD-моделей, CAM-систем для улучшения качества изготовления // Научный Лидер. 2025. № 24 (225). С. 61-64.

Челенко А.В. Содержание и последовательность применения семи инструментов качества в машиностроении // Инновации в менеджменте. 2023. № 4(38). С. 74-79.

Metrics

199 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata