Повышение качества железнодорожных пружинных клемм на основе совершенствования режимов обработки

Цикл статей:
Глава 1 – Повышение качества железнодорожных пружинных клемм на основе совершенствования режимов обработки 

Состояние производства и проблематика формирования качества пружинных клемм

Современные требования к качеству пружинных клемм ОП 105 для железнодорожных рельсовых скреплений

Жесткие условия эксплуатации, динамические нагрузки, ощутимые температурные перепады, увлажнение и высушивание, замораживание и от­таивание, воздействие нефтепродуктов и других агрессивных веществ, предъявляют исключительно высокие требования к надежности и долговеч­ности железнодорожных рельсовых скреплений (рис. 1.1).

Пружинная клемма ОПЮ5 для железнодорожного рельсового скрепле­ния является изделием сложной пространственной формы с жестко регла­ментированными геометрическими размерами, механическими свойствами, качеством поверхности и специальными свойствами (рис.1.2).

Принципиальным отличием клеммы ОПЮ5 от других видов клемм (АРС, ЖБР) является сложная пространственная форма. Конфигурация клем­мы составлена многочисленными элементами в виде прямых и переходных участков переменной кривизны, работающих на изгиб и кручение. Простран­ственная форма клеммы обеспечивает большую длину изгибаемых и скручи­ваемых участков до мест соприкосновения с рельсом и подкладкой, и поэто­му обладает особо низкими и постоянными значениями жесткости при боль­ших прогибах [1]. Качество пружинных клемм оценивается по ряду парамет­ров — точности исполнения геометрических размеров профиля, твердости, величине обезуглероженного слоя, наличию поверхностных дефектов и др. Структура обеспечения качества пружинных клемм ОПЮ5 для железнодо­рожных рельсовых скреплений показана на рис. 1.3. Конкретные показатели качества железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 установлены в отрас­левых нормативно-технических документах: стандарте ОСТ 32.156-2000 и ТУ ОПЮ5 (таблица 1.1.).

Для производства клемм нормативно-технической документацией пре­дусмотрено использование нестандартной кремнистой стали 40С2. Кремний создает в твердом растворе направленные связи, а при повышенных концен­трациях обеспечивает упорядоченность распределения атомов в решетке, что, в свою очередь, повышает сопротивление движению дислокаций на ста­дии микропластической деформации [2]. Кремний в малой степени увеличи­вает количество остаточного аустенита, но значительно повышает сопротив­ление малым пластическим деформациям, что оказывает положительное влияние на величину длительной прочности клемм [3]. Применение стали 40С2 позволяет использовать в качестве закалочной среды воду вместо мас­ла, что значительно удешевляет технологический процесс производства клемм и делает его экологически безопасным. Сталь марки 40С2 менее склонна к обезуглероживанию поверхности и трещинообразованию, харак­теризуется-большей пластичностью и пониженным сопротивлением пласти­ческой деформации в холодном и горячем состоянии, по сравнению с други­ми, потенциально возможными для изготовления клемм, марками стали 55С2, 60С2, 60С2ХА и 60С2ХФА. Это дает возможность вести обработку давлением на универсальном оборудовании при удовлетворительной стойко­сти инструмента [4].

Особенности технологического процесса и проблематика формирования качества пружинных клемм

Содержание любой технологии производства составляют технологиче­ские процессы, материализованные в виде конструкций и компоновок ма­шин. Именно в них, наряду с качеством исходного материала и режимами обработки, закладываются потенциальные возможности по формированию качества готовой продукции.

В условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» процесс производства железнодо­рожных пружинных клемм ОП 105 был организован в короткое время, на ос­нове обобщения собственного производственного опыта в процессе поиска и сравнения большого числа возможных вариантов изготовления, так как тео­ретические данные по технологии получения пружинных клемм в научной литературе не содержались, а опыт зарубежных фирм был не доступен [88]. В связи с оригинальной сложной формой клеммы оказалось невозможным заимствование опыта отечественных производителей пружинных клемм бо­лее простых конструкций ЖБР, АРС калужского завода «Ремпутьмаш», Пермского мотовозоремонтного завода, горновского завода «Спецжелезобе­тон».

Ограниченные возможности прямого использования зарубежного опы­та объективно предопределили проведение широкомасштабной подготови­тельной экспериментальной, исследовательской и конструкторской работы по разработке производства и его освоению. Основное внимание было сосре­доточено на поиске эффективных приемов формирования сложного про­странственного контура пружинной клеммы и разработки технологической оснастки и оборудования для производства данного вида продукции [85,88]. Решение вопросов подготовки металла к формообразованию и окончатель­ной термической обработки было сориентировано на существующую мате­риально-техническую базу предприятия.

Намеченные технологические подходы и технические решения по формообразованию профиля клеммы [85], базирующиеся на использовании холодной гибки и горячей штамповки, были предоставлены машино­строительным фирмам стран Западной Европы, имеющим опыт проектиро­вания и изготовления комплектов оборудования для производства¹ пружин­ных клемм. Впоследствии фирмами “MRP” (Германия), “ВКЕТ”(Франция), NEWELCO (Англия) были сконструированы, изготовлены и поставлены ав­томат холодной гибки заготовки клеммы, пресс гибки-штамповки для прида­ния изделиям окончательного профиля и индукционная установка для нагре­ва заготовок под горячую штамповку.

Решение многочисленных вопросов организации выпуска нового ви­да продукции было инициировано ходом последующей работы по налажива­нию и освоению производства после монтажа и наладки оборудования, по­ставленного на завод от зарубежных фирм [5].

Сложившийся технологический процесс изготовления клемм в услови­ях ОАО «ММК-МЕТИЗ» имеет линейно-последовательную структуру: каж-. дая последующая операция выполняется после полного завершения предше­ствующей,, совмещение операций во времени осуществляется при синхрони­зации их выполнения. На рис. 1.4. показана карта технологического потока производства пружинных клемм.

Анализ технологии позволяет выделить в сложившейся схеме произ­водства железнодорожных пружинных клемм три взаимосвязанных техноло- , гических блока: технологический блок подготовительных операций, блок формообразующих операций, блок окончательной термообработки и контро­ля. Структуру процесса формировании качества пружинных, клемм в выде­ленных технологических блоках составляют операции, базирующиеся на ис­пользовании методов различной-физической природы: термической обработ­ки, холодной и горячей пластической деформации, обработки резанием (рис. 1.5).

Формирование оригинального нестандартного профиля* клеммы осу­ществляется в два этапа с использованием операций холодной гибки и горя­чей штамповки, выполняемых на специализированной поточной линии, и является: одним из наиболее важных звеньев в технологии производства. На* первом этапе: формообразования предусмотрена холодная гибка промежу­точного профиля» клеммы «омега»’ из круглой заготовки. На втором – про­странственный контур клемма приобретает в процессе горячей; штамповки с индукционного нагрева в штампе с выталкивателем-прижимом.

Холодная гибка осуществляется: последовательно по различным участ­кам заготовки в несколько стадий (рис. 1.6).

Гибка, с точки зрения ОМД, относится к формоизменяющим операци­ям штамповки [20], для которых характерна реализация пластической де­формации в специальной технологической’ оснастке – гибочных штампах. При этом необходимо обеспечить получение заданной точности изделий и реализацию пластической деформации давлением без разрушения заготовки.

Проблемным аспектом, в случае применения в качестве формообра­зующей операции при изготовлении пружинных клемм метода холодной гибки, является возможность выполнения малого радиуса кривизны в гото­вых изделиях, отличающихся большими размерами сечения обрабатываемого металла [94]. Критерием приемлемости данного процесса и одним из основ­ных требований к его технологичности является значение относительного радиуса гибки г_от = г_тщ/с1, которое определяет возможность деформирования металла без нарушения его сплошности (с! – диаметр заготовки). На техно­логических переходах гибки среднее значение величины г_от составляет 1,24, что согласно данным работ [83,84], соответствует для доэвтектоидных угле­
родистых и некоторых конструкционных легированных сталей с содержани­ем углерода от 0,3 до 0,7 % наименьшему допустимому значению.

Для осуществления гибки в таких условиях и достижения требуемых геометрических размеров промежуточного профиля клемм резко возрастает роль качества исходного металла, и подготовки его к формообразованию с обеспечением однородной структуры и механических свойств.

Производственный опыт показывает, что структура и механические свойства исходного металла играют большую роль в формировании качества передельной заготовки, предназначенной для производства пружинных клемм. В связи с этим особое внимание на подготовительных операциях должно уделяться подготовке структуры металла, как основного фактора, определяющего стабильность процессов последующего деформирования [6,7]. Вопросы, влияния- структуры металла на пластичность при холодной; деформации рассмотрены в работах [8-10].

Установлено, что наибольшими пластическими свойствами и: мини­мальным сопротивлением деформации обладает сталь, подвергнутая отжигу на структуру зернистого перлита. Структура зернистого перлита обеспечива­ет высокий¹ запас пластичности, а следовательно; и более высокую техноло­гичность операций холодного формообразования профиля клеммы. Зерни­стый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой, так как обеспечивает меньшую склонность к росту аустенитного зерна, расши­ряет интервал допустимых закалочных температур, уменьшает склонность к растрескиванию [11]. В технологии производства пружинных клемм струк­тура зернистого перлита достигается использованием, сфероидизирующего (структурного) отжига.

Особенности эксплуатации пружинных изделий, к которым относятся и упругие клеммы, заключаются в том, что наиболее нагруженными-являют­ся поверхностные слои прутка клеммы. Напряжения кручения и изгиба, дей­ствующие в поверхностных слоях и принимающие наибольшие значения в местах технологических перегибов клемм, могут при наличии дефектов на поверхности клемм в виде трещин, волосовин, рисок, вмятин от технологи­ческой оснастки приводить к излому клемм в эксплуатации. Важнейшим фактором, отвечающим за эксплуатационную стойкость упругих клемм рель­совых скреплений, является качество их поверхности, которое определяется техническими мероприятиями как на стадии производства прутка стали 40С2, так и на стадии производства самой клеммы. Из литературы известно, что кремнистые стали при горячей прокатке более склонны к возникновению на поверхности проката дефектов в виде волосовин, рисок и др. [12,13]. Экс­плуатация готовых изделий с наличием в них обезуглероженного слоя и по­верхностных дефектов прокатного происхождения при работе в условиях многоцикловой усталости, как известно, приводит к резкому снижению пре­дела выносливости и релаксационной стойкости упругих элементов [14]. Во ВНИИЖТ для сравнительной оценки горячекатаного и калиброванного прут­ка стали 40С2 были проведены,их усталостные (в воздушной среде) и корро- зионно-усталостные (в 0,5*н растворе хлорида натрия) испытания [15].

Испытания образцов стали 40С2 с различной чистотой поверхности прутка проводили после стандартной термической обработки — закалки и отпуска. Результаты испытаний показывают, что в воздушной среде предел выносливости стали 40С2 с калиброванной поверхностью значительно выше (на 17 %), чем у горячекатаной (рис. 1.7). Опыт эксплуатации рельсовых скреплений показывает, что срок службы клемм из калиброванного или об­точенного прутка на 30…40 % выше срока службы клемм из горячекатаного прутка.

Этот результат подтверждает необходимость применения калиброван­ного (обточенного) проката для изготовления клемм. Данное направление реализовано всеми основными производителями упругих элементов верхнего строения пути в мировой практике производства упругих деталей, в том чис­ле и такими известными у нас фирмами, как Уобб^Ь и Репс1го1 [16,17].

Также мировым опытом производства и эксплуатации упругих клемм показано, что повышение их стоимости в результате применения качествен­ного прутка экономически оправданно за счет снижения затрат на текущее содержание пути с такими клеммами [18].

Это обстоятельство инициировало включение в технологический про­цесс подготовки металла к формообразованию операции калибрования или обточки поверхности отожженного горячекатаного подката вращающимися резцами на установке «Кизерлинг».

Однако в процессе калибрования или обточки сталь наклёпывалась и становилась непригодной для стабильного осуществления последующих операций холодного формообразования профиля омега, осуществляемых с малыми радиусами гибки [19]. Это вызвало необходимость включения в тех­нологический процесс еще одной термической обработки рекристаллизационного отжига.

В условиях завода процессы отжига на зернистый перлит и рекристал­лизационного отжига выполняются в колпаковых печах без защитной атмо­сферы. В силу специфики садочных печей режим термообработки, обеспе­чивающий требуемый уровень структурного состояния металла и механиче­ских свойств, характеризуется низкой производительностью и значительной продолжительностью, а следовательно, и большими материальными затрата­ми. Отожженный металл приобретает на поверхности значительный обезуг- лероженный слой, а вследствие перепада температур по высоте садки нерав­номерность структурного состояния и механических свойств. Качество ме­талла, получаемое по действующим режимам, не обеспечивает стабильного процесса формообразования на этапе холодной гибки.

Окончательная термообработка, то есть закалка и отпуск отформован­ных клемм, осуществляется на агрегатах непрерывного действия типа СКЗА, в условиях поточного производства. В настоящее время на заводе при окон­чательной термической обработке отформованных пружинных клемм тем­пература нагрева металла в закалочной печи составляет 880 °С. Как показы­вает обзор литературы [3,8] такая температура более свойственна сталям 55С2, 60С2 и может быть недостаточной для гомогенизации аустенита в кремнистой стали 40С2 с пониженным содержанием углерода. Это иниции­рует разброс показателей твердости клемм и снижает эксплуатационные показатели качества готовых изделий.

В процессе освоения нового типа рельсовых скреплений и накопления сведений о его эксплуатации, требования к качеству клемм ОПЮ5 постоян­но ужесточались.

В целях обеспечения гарантированного качества выпускаемой продук­ции по инициативе ОАО «Российские железные дороги», в новые редакции отраслевых стандартов на пружинные клеммы, включено требование 100 % контроля всех изделий по окончании производственного цикла их изготовле­ния и введены новые требования по пружинящим свойствам изделий. Спо­собом такого контроля является испытание клемм принудительным обжати­ем регламентированным нормативно-технической документацией усилием 30 кН. Испытание клемм на осадку является последней операцией производ­ственного процесса их изготовления, предназначенной исполнять исключи­тельно контрольные функции, такие как выявления брака после термообра­ботки и скрытых дефектов изделия.

Опыт производства пружинных клемм по новой нормативно- технической документации показал, что действующая технология оказалась не готова к удовлетворению ужесточившихся требований потребителя к ка­честву продукции. Как следствие увеличился выпуск несоответствующей продукции.

Из анализа диаграмм Парето установлено, что наибольшие несоответ­ствия наблюдаются по геометрическим размерам и значениям твердости го­товых клемм, определяющим уровень их служебных характеристик (рис. 1.8).

Технологический процесс, который был разработан в условиях дефи­цита времени, средств и сложности решаемых задач в период освоения уни­кального оборудования требует своего совершенствования, поскольку мно­гие технологические режимы подготовки используемой нестандартной стали 40С2 к холодной пластической деформации и придания конечных свойств отштампованным изделиям назначались исходя из общих представлений о процессах, а не в результате целенаправленных научных и производственных исследований, без учета взаимодействия технологических методов разной физической природы на этапах подготовительных операций, формообразова­ния и финишной обработки.

Без проработки вопросов повышения качества продукции, изготовлен­ные на ОАО «ММК-МЕТИЗ» клеммы могут оказаться невостребованными на рынке. Принимая во внимание значительные средства, вложенные заво­дом в организацию производства нового вида продукции, приобретенный при этом практический опыт и накопленный научный потенциал, по которо­му предприятие занимает лидирующее положение в отрасли, вопросы повы­шения качества клеммы ОП 105 являются приоритетными.

Современные подходы к управлению качеством продукции, выбор и обоснование направлений исследований

В любом технологическом процессе объектом управления являются показатели качества продукции, установленные нормативно-технической до­кументацией [21]. Для современного этапа развития характерен процесс рас­
ширения набора показателей качества, определяющих способность удовле­творять те или иные потребности. Это свидетельствует о том, что происходит углубление знаний, расширяются возможности использования различных свойств материалов и изделий с целью более полного удовлетворение по­требностей [22]. В достижении нормируемого уровня показателей качества используются различные методы: экономические, организационные, иннова­ционные, технологические, статистические и др. (рис. 1.9) [23]. От грамотно­го сочетания этих методов зависит эффективность и результативность техно­логических процессов, и конкурентоспособность продукции [24]. Негласным правилом при этом является разработка путей повышения результативности (экономичности, прибыльности, производительности, действенности) на ос­нове принципа сквозного интегрированного управления качеством и поло­жений всеобщего управления качеством (TQM) [93].

Развиваются комплексные методы, объединяющие различные подходы к управлению качеством [25,26]. Одним из эффективных методов повышения качества на современном этапе принято считать концепцию «Шесть Сигм». Коротко суть этой системы можно сформулировать так: статистический ана­лиз-качество-клиент-прибыль [27]. Внедрение этого метода предусматрива­ет сравнение уровня производства определенной продукции с конкурирую­щими организациями и определение степени конкурентоспособности произ­водимой продукции [28]. Однако в условиях сложившихся российских про­изводственных отношений получить достоверные данные о конкуренте практически невозможно. В России руководством по разработке и внедрению современной методологии управления качеством являются нормативные до­кументы, созданные на основе стандартов ISO серии 9000; одним из положе­ний которого рекомендуется применение, широко используемых зарубежны­ми производителями, статистических методов для понимания изменчивости- в процессах и их результатах [29] (рис. 1.10)

Для оценки стабильности и воспроизводимости технологических про­цессов используется метод анализа процессов, который включает обшир­ный набор технологий, таких как анализ пригодности процесса, анализ по­вторяемости и воспроизводимости измерений, анализ Вейбулла, выборочных планов и компонентов дисперсии для случайных эффектов, для расчетов ин­дексов пригодности процесса (например, Ср, Сг, Срк, Ср1, Сри, К, Срт, Рр, Рг, Ррк, Рр1, Рри) [30,31]. В отечественной практике для оценки и управления качеством в технологических процессах применяют коэффициент относи­тельного рассеяния К, коэффициент относительной асимметрии а, коэффи­циент настроенности процесса Е, коэффициент точности Кт. Совместное ис-

пользование всех вышеперечисленных параметров и коэффициентов можно считать взаимодополняющим.

Основу этих оценок составляют данные статистического приемочно­го контроля. Определенный недостаток этих методов заключается в отсутст­вии возможности оперативного вмешательства в технологический процесс в случае неудовлетворительных результатов контроля, так как процедура при­емки готовой продукции требует значительных затрат времени. Методы оценки воспроизводимости и стабильности технологических процессов при­менимы только в том случае, если объект находится в статистически управ­ляемом состоянии. Известные статистические методы (контрольные карты, метод Парето, причинно-следственные диаграммы, гистограммы, контроль­ные листы, стратификация, диаграмма разброса) позволяют оценить несоот­ветствия, однако не дают конкретных рекомендаций по выявлению причин, вызывающих изменчивость и вариативность технологических процессов и качества продукции. В то же время, когда коренные причины рассматривае­мой проблемы устранены, использование методов статистического контроля качества в сочетании с другими подходами, например методом экономного производства, ориентированного на устранение излишних затрат, может дать значительный эффект [32].

При решении задач комплексной оценки эффективности и результа­тивных технологических процессов перспективность использования показал теоретический и математический аппарат квалиметрии [33,87]. В работах [34,35] данный аппарат был использован при оценке эффективности разных вариантов технологии производства через оценку изменения качества про­дукции при изменении технологии. Однако получаемые при этом единичные и комплексные оценки, учитывающие стабильность и воспроизводимость процессов получения требуемых параметров качества изделия, основываются на значениях коэффициентов конечных операций и не учитывают влияния предыдущих операций технологического процесса, на которых так же формировался этот параметр качества. Большую роль в получении этих оценок- играет достоверность информации, получаемой от экспертов, которая зачастую носит субъективный характер. Применение методов квалиметрии можно считать особенно эффективными в начальной фазе реализации инно­вационных проектов, связанных со значительными капитальными затратами, для анализа которых оправданным является привлечение значительного круга экспертов-специалистов из различных областей знаний.

Для действующей технологии производства пружинных клемм при­оритетом становится обеспечение заданных показателей качества по геомет­рическим размерам и механическим свойствам, уменьшение несоответствий и дефектности при снижении затрат на производство. Для многостадийного технологического процесса производства пружинных клемм управление ка­чеством продукции может быть эффективно обеспечено через технологию производства, совершенствование технологических переделов, применением современного оборудования^без изменения предназначения операций [37].

Отечественные исследования производства близких по конфигурации к клемме ОП 105 изделий не учитывают многопараметричность технологии, начиная от химического состава стали, прокатки, термической обработки, холодной пластической деформации, повторных термообработок и оконча­тельной термообработки[3,36,38-44]. Результаты исследований не содержат описания и рекомендаций по достижению требуемого уровня качества слож­ных по форме пружинных изделий из нестандартной кремнистой стали 40С2 в таком сочетании технологических воздействий.

На наш взгляд повышение качества клемм может быть достигнуто на основе совершенствования технологических режимов подготовки металла к формообразованию, обеспечивающих устранение причин неблагоприятной технологической наследственности при формировании требуемых геометри­ческих размеров клемм, и режимов окончательной термообработки от­штампованных клемм.

Руководствуясь одним из главных принципов теории технологической наследственности о том, что качество готовой продукции формируется на всем протяжении технологии производства, становится очевидно, что в пер­вую очередь неблагоприятные проявления технологической наследственно­сти должны быть учтены в первоначальных этапах обработки, то есть в блоке подготовительных операций. Этому не противоречит и экономическая целе­сообразность организации производства, из которой следует, что бороться с несоответствиями и дефектами продукции значительно дешевле на началь­ных этапах процесса, чем на финишных операциях.

Такой подход позволит получать на этапе подготовительных операций металл с качеством, отвечающим специфике дальнейшей переработки в тех­нологическом блоке формообразования и обеспечивающим формирование требуемых геометрических размеров промежуточных заготовок и простран­ственного контура клемм, а на этапе окончательной термообработки достичь необходимого уровня качества готовой продукции по механическим свойст­вам.

В развитие этого направления необходимо раскрыть причины возник­новения неблагоприятных наследственных связей на начальных этапах про­изводства, инициирующих несоответствия по геометрическим размерам клемм и разработать меры, направленные на их устранение, при подготовке металла к формообразованию.

Основной задачей такой работы является отыскание в технологических процессах тех операций и переходов, на которых возникают несоответствия снижающие качество продукции, и научное предвидение их дальнейшего развития. По своей сути эта работа представляет задачу «анализа» и выгодно отличается от задачи «черного ящика», распространенной в теории техниче­ских систем [49]. Такой анализ позволит наметить соответствующие техно­логические методы управления качеством продукции, направленно сформи­ровать режимы обработки, обеспечивающие устранение неблагоприятных проявлений технологической наследственности на начальных этапах произ­водства.

Наибольшее развитие учение о технологической наследственности получило в машиностроении, наиболее значимые закономерности которой изложены в работах П.И. Ящерицына. A.M. Дальского Г.Д. Деля, В.И., Авер- ченкова, Э.В. Рыжова, JI.A. Хворостухина и других авторов [45-47, 95,96]. Носителями наследственной информации являются показатели качества из­делий. Они активно участвуют в технологическом процессе проходя, по вы­ражению академика П.И.Ящерицына, через различные “барьеры”, либо за­держиваясь на них частично или полностью [45]. Операции технологическо­го процесса могут ликвидировать некоторые свойства объектов и создавать новые. Наследование свойств в ходе технологического процесса свойственно как для детерминированных, так и для вероятностных систем. Первый случай характерен для уже разработанных и требующих совершенствования процес­сов, где не возникает никакой неопределенности в. передаче свойств. Если известны предыдущее состояние системы-и способ переработки информации, то можно предсказать ее последующее состояние. Для разработанных детер­минированных технологических процессов закономерности технологическо­го наследования могут быть установлены на основе экспериментальных ис­следований и обработки статистической информации, направленных на уста­новление причинно-следственной-связи между значениями технологических факторов и показателями качества изделия. Для описания трансформации свойств предмета труда с учетом явлений технологической наследственности разработан эффективный математический аппарат, позволяющий прогнози­ровать качество изделий. Множество значений показателей качества изделия после выполнения j-ой операции его производства имеет вид [45]:

На основе результатов этих исследований в настоящее время, накоплен значительный массив коэффициентов трансформации показателей качества изделий машиностроения, позволяющий реализовывать технологии управ­ления эксплуатационными свойствами высокоточных деталей, в первую очередь, на начальной стадии их изготовления в процессах резания. Резуль­таты исследований дают возможность проанализировать влияние технологи­ческой наследственности на параметры поверхностного слоя (шероховатость поверхности, точность размеров деталей, полей допусков) [48,90,91].

Применительно к технологии получения пружинных клемм, наряду с решением этих задач, в большей степени имеют место задачи связанные с прогнозированием формирования показателей качества металла в техноло­гических процессах, реализующих методы различной физической природы. Для эффективного использования указанного математического аппарата не­обходимо установить закономерности и диапазоны изменения значений ко­эффициентов трансформации механических свойств стали 40С2 в блоке под­готовительных операций, сформировать на этой основе систему технологи­ческих ограничений, получить исходные данные для проектирования резуль­тативных режимов подготовки, металла формообразованию, устраняющих неблагоприятные наследственные связи на операциях холодной гибки.

Осуществление качественных процессов термообработки на этапах подготовки металла к формообразованию и окончательной термообработки возможно только при условии надежного представления об особенностях и основных характеристиках обрабатываемой стали. Особенно большое значе­ние имеют сведения о температурных границах фазовых превращений, ха­рактеризуемых положением критических точек А] и А₃. Сталь 40С2 не вхо­дит в перечень стандартных материалов, используемых в производстве упру­гих элементов деталей машин. Сведений об этой стали в литературе пред­ставлено недостаточно. Одним из немногочисленных источников, содержа­щим информацию о температурах фазовых равновесий и особенностях пове­дения переохлажденного аустенита в стали 40С2, явилась работа [55]. Одна­ко эти данные были получены в 50-60 годах прошлого века и сегодня нуж­даются в проверке и уточнении в связи со значительным изменением техно­логии получения стали 40С2 на современных металлургических предпри­ятиях.

Также необходимо выполнить оценку точности исполнения геометри­ческих размеров промежуточного профиля «омега» в процессе- холодной гибки круглой заготовки в зависимости от уровня механических свойств ста­ли, подготовленной для формообразования. Пластический изгиб полосы с учетом этих вопросов исследовали Н.И. Безухов [50], А.А.Ильюшин [51], H.H. Малинин [52], А. Надаи [53], Р. Хилл [54], М.В.Сторожев, Е.А. Попов [92]. Однако данные работы относятся к пластическому изгибу заготовки в форме полосы прямоугольного сечения или листовой заготовки и требуют дополнительной адаптации применительно к процессу гибки заготовки круг­лого сечения.

С целью удовлетворения этих требований необходимо провести иссле­дования процессов формирования качества стали 40С2 в блоке подготови­тельных операций и разработать усовершенствованные режимы подготовки металла к формообразованию, устраняющие проявления- неблагоприятной технологической наследственности и обеспечивающие на последующих опе­рациях достижение геометрических размеров, промежуточных заготовок и пространственного контура клемм требуемого качества. Окончательные свойства отформованная клемма приобретает в процес­се выполнения операций закалки и отпуска. Учитывая ограниченность сведе­ний о данной стали, обеспечить заданный уровень качества клемм на этой стадии возможно только получив достоверные знания о характере формиро­вания ее механических свойств в зависимости от температурно-временных режимов термического упрочнения. В этом направлении необходимо опре­делить рациональные диапазоны закалочных температур и температурно- временные параметры отпуска. Рациональный режим закалки обеспечит дос­тижение максимального уровня твердости стали и необходимую микро­структуру и механические свойства стали при последующем отпуске.

Рациональный режим отпуска обеспечивает условия для достаточно полного распада остаточного аустенита и образования большого количества дисперсных частиц карбидов. Эти частицы не только закрепляют дислока­ции, но и сами непосредственно увеличивают сопротивление малым пласти­ческим деформациям. При этом сталь обладает наибольшей усталостной прочностью и релаксационной стойкостью. Во избежание нежелательных изменений в структуре (коагуляция* карбидов) режим отпуска должен быть регламентирован по температуре и времени на достижение заданного уров­ня твердости клемм. Для большинства стандартных кремнистых сталей, вы­пускаемых по ГОСТ 14959-79, в литературе [3,8] приводятся зависимости изменения механических свойств от температуры и продолжительности от­пуска. Для нестандартной стали 40С2 такие данные в литературе не встреча­ются. В работе [80] приведены результаты исследований поведения закален­ной стали 40С2 в процессе индукционного отпуска. Однако эти данные полу­чены на образцах профилированной в холодном состоянии арматуры перио­дического профиля и не могут быть напрямую использованы в технологии производства пружинных клемм.

Для обеспечения новых требований нормативно-технической докумен­тации по уровню пружинящих свойств необходимы исследования по оценке взаимосвязи механических свойств термически упрочненной стали 40С2 с величиной остаточной деформации петли клеммы после контрольных испы­таний, так как этот вопрос ранее не исследовался и в литературе не описан.

Таким образом, в- блоке окончательной термообработки и контроля требуются комплексные исследования динамики формирования прочност­ных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении с оценкой их взаимосвязи с уровнем пружинящих свойств изделия. Результа­том исследований должны стать математические модели, описывающие причинно-следственные связи между технологическими факторами и показа­телями механических свойств отформованных клемм при окончательной- термообработке. Это позволит прогнозировать механические свойства клемм по состоянию технологических режимов, а изменением значений технологи­ческих факторов влиять на показатели качества, и в конечном счете разрабо­тать усовершенствованные режимы окончательной термообработки отфор­мованных клемм, обеспечивающие достижение заданного уровня качества готовой продукции.

Изучив процессы формирования качества в технологических блоках подготовки металла к формообразованию и окончательной термообработки и контроля, на основе установленных закономерностей, необходимо разрабо­тать методику управления качеством пружинных клемм, позволяющую оп­ределять результативные технологические режимы, предупреждающие и корректирующие воздействия по обеспечению заданного уровня качества го­товой продукции.

Цель и задачи исследования

Целью работы является обеспечение заданного уровня качества же­лезнодорожных пружинных клемм ОП105 совершенствованием технологи­ческих режимов обработки.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить сле­дующие задачи:

– Выполнить анализ причин возникновения неблагоприятных наследствен­ных связей, инициирующих несоответствия по геометрическим размерам и механическим свойствам клемм и разработать меры, направленные на их устранение;

• Выполнить исследования процессов формирования качества металла в бло­ке подготовительных операций и разработать усовершенствованные режимы подготовки металла к формообразованию, устраняющие проявления небла­гоприятной технологической наследственности на последующих операциях гибки и обеспечивающие достижение требуемых геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура клемм; -Провести комплексные исследования динамики формирования прочност­ных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении и раз­работать усовершенствованные режимы окончательной термообработки, обеспечивающие достижение заданного уровня твердости и пружинящих свойств отформованных пружинных клемм;
• Разработать методику управления качеством железнодорожных пружинных клемм, позволяющую определять результативные технологические режимы, предупреждающие и корректирующие воздействия по обеспечению заданно­го уровня качества готовой продукции при взаимодействии технологических методов различной физической природы между процессами подготовитель­ных операций, формообразования и окончательной термообработки;
• Внедрить результаты исследований в промышленное производство и вы­полнить оценку уровня качества железнодорожных пружинных клемм.

1. Шарапов С.Н. Разработка и внедрение рельсовых скреплений// Железнодорожный транспорт.- 1997.- № 7.- С.47-51
2. Термическая обработка в машиностроении: Справочник (под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта).- М.: Машиностроение,- 1980.- 467С.
   З.Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы,- М.: Металлургия.- 1982,- 400С.
3. Федоров Н.Я. Универсально-гибочные автоматы.- М.:Машгиз.- 1961,- 237С.
4. Кривощапов В.В., Вершигора С.М., Мезин И.Ю., Чукин В.В. Разработка и совершенствование технологии производства пружинных клемм // Производство проката.- 2000.- №7.- С. 21-24.
5. Е.В. Карпов, В.В. Чукин, И.Ю. Мезин Обеспечение качества подготовки металла в сквозной технологии производства упругих элементов рельсовых скреплений//Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб.науч.тр.,вып.З / под ред.В.Н. Урцева-Магнитогорск, 2003.-С.510-515.
6. Рудаков В.П., Пестряков А.П. Связь качества штампованных изделий с состоянием исходного металлопроката // Производство проката.- 2003.- №7.-С23-25.
7. Зубов В.Я. Структура и свойства стальной пружинной ленты. – М.: Металлургия.- 1964.-224С.
8. Гриднев В.Н. Современные представления о влиянии пластической деформации на структуру и свойства стали.- Киев: Техника.- 1964.- 120С.
9. Ю.Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали.- Киев: Наукова думка.- 1974.- 232С.
10. П.Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали.- М.: Машиностроение.-1978.- 325С.
11. Высокопрочная арматурная сталь / Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко А.В. М.: Металлургия.- 1986.- 272G.
12. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия.- 1979.-320С.
13. Бараз Р.В., Зубов В.Я. Стабильность структуры и релаксация напряжений в цилиндрических пружинах// Известия вузов- №2.- 1970.-С. 34-38.
14. 15.Федин В. М., Борц А. И., Кузнецов В. В. Технология производства упругих клемм рельсовых скреплений ЖБР-65: пути совершенствования//Вестник ВНИИЖТ.- 2005.- №5.- С.5-8.
15. Патент СССР №1482536, МКИ Е01В9/48 Устройство для крепления рельса. Фирма Vossloh. Опубл. 23.05.89.Бюл.№19.
16. А.С. 1210666 СССР, МКИ Е01В9/48 Клемма рельсового скрепления. Фирма Pendrol Limited(GB). Опубл. 07.02.86 .Бюл. №5.
17. Айсенманн И. Совершенствование верхнего строения железнодорожного пути //Железные дороги мира.- 1997,- №2.-С. 61-65.
18. Корчунов А.Г Чукин В.В., Слабожанкин Е.А. и др. Влияние поверхностной механической обработки на структуру и свойства калиброванного металла // Труды пятого конгресса прокатчиков. М.: Черметинформация, 2004.-С. 410-412.
19. Сторожев М.В. Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М. Машиностроение, 1971, С.324.
20. Тавер Е. Объект управления при управлении качеством // Стандарты и качество.-2001.-№ 2.-С. 15-19.