автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Повышение качества железнодорожных пружинных клемм на основе совершенствования режимов обработки

К О П'Т? О Л Ь И Ы Й Э КЗ Е М П Л Я Р

На правах рукописи

СЛАБОЖАНКИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПРУЖИННЫХ КЛЕММ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЖИМОВ

ОБРАБОТКИ

Специальность 05 02 23 - Стандартизация и управление качеством продукции (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ

Магнитогорск - 2008

003166703

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

кандидат технических наук, доцент

Корчунов Алексей Георгиевич

доктор физ-мат наук, профессор

Гитман Михаил Борисович

кандидат технических наук Ситников Игорь Викторович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет»

Защита состоится 29 апреля 2008 г в 14-00 ч на заседании диссертационного совета Д 212 111 05 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова» по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель

Официальные оппоненты-

Автореферат разослан « 28 » марта 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Полякова М А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Темпы роста отечественной экономики диктуют значительное увеличение объемов грузооборота и повышение производительности железных дорог Основными направлениями интенсификации перевозок служат повышение скоростей движения и веса поездов, что связано с резким ростом силового воздействия на путь В подобных условиях устойчивое и безопасное функционирование дорог во многом зависит от качества рельсовых скреплений

На железных дорогах страны осваивается новый узел рельсового скрепления, используемый на стрелочных переводах, кривых малых радиусов, участках пути с высокими осевыми нагрузками Принципиальным отличием нового узла является замена в нем промежуточной жесткой клеммы на пружинную прутковую клемму ОПЮ5 С использованием данного вида клемм рельсовый путь приобретает пространственную упругость, обеспечивается усиление самого промежуточного скрепления, оно становится способным выдержать длительные динамические нагрузки При этом резко снижаются трудоемкость и затраты на текущее содержание пути, что особенно актуально для России с ее большой протяженностью железных дорог в различных климатических условиях Пружинные клеммы являются изделиями сложной пространственной формы с жестко регламентированными показателями качества по геометрическим размерам, механическим и специальным свойствам.

Передовым предприятием, на котором было организовано производство пружинных клемм ОПЮ5, стало ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (сегодня ОАО «ММК-МЕТИЗ») Освоение новой технологии потребовало значительных усилий, принимая во внимание уникальность применяемого специализированного оборудования, разнородный состав и нетрадиционное содержание производственных операций, включающих процессы из смежных отраслей науки и техники, высокие требования, предъявляемые к точности исполнения режимов обработки Это позволило заводу в течение длительного времени удерживать значительную часть рынка данной продукции Однако требования к качеству клемм непрерывно ужесточаются, что нашло отражение в новых редакциях нормативно-технической документации, в которой введены новые требования по геометрическим размерам и специальным свойствам, а также 100% контроль качества выпускаемой продукции Это предполагает исключение их внезапного хрупкого разрушения при сборке скреплений, а также в процессе эксплуатации под действием испытываемых нагрузок

Опыт производства пружинных клемм показал, что действующая технология не обеспечивает повышенных требований потребителей к качеству данного вида продукции В связи с этим актуальным является комплекс исследований, направленный на обеспечение заданных показателей качества пружинных клемм, уменьшение количества несоответствий требованиям нормативно-технической документации

Цель работы Обеспечение заданного уровня качества железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 совершенствованием технологических режимов обработки

/

/

Научная новизна

• Разработана методика управления качеством железнодорожных пружинных клемм, отличающаяся учетом наследственных связей при взаимодействии технологических методов различной физической природы между процессами подготовительных операций, формообразования, окончательной термообработки и контроля при формировании потребительских свойств готовой продукцию

• Разработана математическая модель трансформации показателей качества стали 40С2 при термическом и деформационном воздействии, позволяющая направленно формировать рациональные режимы ее обработки для достижения заданного уровня качества, с учетом специфики холодной пластической деформации при формообразовании геометрических размеров пружинных клемм

• Получены статистические модели оценки динамики формирования прочностных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении, на основе которых определены результативные режимы окончательной обработки, обеспечивающие достижение заданного уровня качества пружинных клемм по механическим свойствам

• Установлена количественная взаимосвязь величины остаточной деформации петли пружинной клеммы ОПЮ5 при контрольном нагружении регламентированным усилием с заданным нормативно-технической документацией уровнем твердости изделия после термического упрочнения

Практическая ценность.

• Разработаны ресурсосберегающие промышленные режимы подготовки металла к формообразованию, обеспечивающие требуемый уровень механических свойств при сокращении длительности процесса и увеличении производительности

• Разработаны режимы окончательной термической обработки пружинных клемм, обеспечивающие формирование заданного уровня качества готовой продукции

• Экономический эффект от внедрения разработок в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» составил 992,7 руб на 1 тонну товарной продукции

• Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «МГТУ» при подготовке инженеров по специальностям 200503 - «Стандартизация и сертификация» (металлургия) и 150106 - «Обработка металлов давлением»

Реализация работы в промышленности Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО "ММК-МЕТИЗ" в виде изменений в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241-2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ КР-390-2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОПЮ5 ТУ» Результаты работы использованы при успешном прохождении сертификационных испытаний клемм ОПЮ5 производства ОАО «ММК-МЕТИЗ» во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ, г Москва)

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на V и VII конгрессах прокатчиков (Череповец, 2003г , Москва, 2007г), V школе - семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Кусимово, Башкортостан, 2006г), Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007г), Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007г), научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» в 2004-2007 гг , технических советах ОАО «ММК-МЕТИЗ» в 2004-2008 гг

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 10 научных статей, в т ч 3 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 151 странице машинописного текста, иллюстрирована 43 рисунками, содержит 23 таблицы, четыре приложения, библиографический список из 96 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований

В первой главе выполнен анализ современных требований, предъявляемых к показателям качества прутковых пружинных клемм ОПЮ5 для железнодорожных рельсовых скреплений, обобщены материалы по проблемам достижения требуемого уровня их качества, рассмотрены современные методы управления качеством продукции Качество пружинных клемм оценивается по точности исполнения геометрических размеров профиля, механическим и специальным свойствам, величине обезуглероженного слоя, наличию поверхностных дефектов Выполненный анализ технологии производства пружинных клемм в условиях завода позволяет выделить три взаимосвязанных технологических блока блок подготовительных операций, блок формообразующих операций, блок окончательной термической обработки и контроля, в которых качество пружинных клемм формируется сочетанием методов различной физической природы холодной и горячей деформацией, обработкой резанием, термической обработкой (рис 1) Исходным материалом для производства пружинных клемм служит сталь 40С2, которая не входит в перечень стандартных материалов, используемых в производстве упругих элементов деталей машин Основу технологии составляют процессы формообразования профиля клеммы путем холодной гибки и горячей штамповки, подготовки металла к деформации и окончательной термообработки Проблемными аспектами в технологии производства являются операции формообразования методом холодной гибки с исполнением малых радиусов кривизны промежуточного профиля клеммы и возможность последующего достижения заданных механических и специальных свойств готовых изделий Это предъявляет особые требования к подготовке металла к формообразованию и режимам окончательной термообработки, которые не обеспечивают достижения необходимых параметров качества изделий Анализ несоответствующей продукции с применением диаграммы Парето показал, что наибольшие несоответствия наблюдаются по геометрическим размерам и значениям твердости пружинных клемм

Технологический процесс производства пружинных клемм

Технологический

блок подготовительных операций

Отжиг подката 014,0 мм из стали 40С2 на структуру зернистого перлита

Подготовка поверхности металла

Калибровка или обточка поверхности металла на 0 12,9 мм

Рекристаллизационный отжиг

Технологический блок

формообразующих операций

_ Холодная гибка промежуточной профильной заготовки «о»

Правка и отрезка мерной прутковой заготовки

Горячая штамповка окончательного профиля клеммы с индукционного нагрева

Нормализация отштампованных клемм

Технологический

блок окончательной термообработки и контроля

Закалка клемм с печного нагрева

Печной отпуск клемм

Охлаждение клемм после отпуска

Приемо-сдаточные испытания готовых клемм

Рис 1 Структура процесса формирования качества пружинных клемм

На наш взгляд повышение качества пружинных клемм может быть достигнуто на основе совершенствования технологических режимов подготовки металла к формообразованию, обеспечивающих устранение причин неблагоприятной технологической наследственности при формировании требуемых геометрических размеров изделий, и режимов их окончательной термообработки, формирующих сдаточные показатели качества продукции Такой подход открывает более широкие возможности в управлении качеством продук- -ции, позволяет раскрыть причины возникновения неблагоприятных наследственных связей, инициирующих несоответствия на начальных этапах производства и направленно сформировать режимы обработки, обеспечивающие их устранение Это дает возможность получать на этапе подготовительных операций металл с комплексом свойств, отвечающим специфике дальнейшего формообразования требуемых геометрических размеров пружинных клемм, а на этапе окончательной термообработки - достичь необходимого уровня качества готовой продукции по механическим свойствам

В развитие этого направления необходимо установить причины возникновения неблагоприятных наследственных связей, инициирующих несоответствия, разработать меры, направленные на их устранение; провести исследования процессов формирования качества стали 40С2 с учетом специфики взаимодействия различных технологических методов на этапах подготовки металла, формообразования и окончательной термической обработки На основе установленных закономерностей требуется разработать методику управления качеством пружинных клемм, позволяющую определять результативные технологические режимы обработки, предупреждающие и корректирующие воздействия по обеспечению заданного уровня качества готовой продукции В связи с этим в работе необходимо решить следующие задачи

- выполнить анализ причин возникновения неблагоприятных наследственных связей, инициирующих несоответствия по геометрическим размерам и механическим свойствам пружинных 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 холодной гибки и обеспечивающие достижение требуемых геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура пружинных клемм,

- провести исследования динамики формирования прочностных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении и разработать усовершенствованные режимы окончательной термообработки, обеспечивающие достижение заданного уровня качества 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

Во второй главе выявлены причины возникновения неблагоприятных наследственных связей между выделенными технологическими блоками с учетом характера взаимодействия составляющих их операций и показана взаимосвязь качества подготовки металла к формообразованию с точностью исполнения геометрических размеров и механических свойств готовых пружинных клемм С этой целью был выполнен комплекс исследований, включающий изучение качества исходного подката, режимов его переработки в блоке подготовительных операций, оценку взаимосвязи качества подготовки металла с условиями формообразования на операциях холодной гибки

Результаты испытаний показали, что исходный подкат в состоянии поставки имеет значительный разброс показателей качества по механическим свойствам, наследуемый с прокатного передела, что является неблагоприятным технологическим фактором Так, при средней величине временного сопротивления разрыву металла сгв = 847 МПа абсолютный разброс значений достигал 135 МПа

Наибольшее воздействие на качество металла в блоке подготовительных операций следует ожидать от операций термической обработки, формирующих необходимый для осуществления последующего формообразования профиля пружинных клемм комплекс показателей качества Операции термической обработки в теории технологической наследственности принято считать «технологическими барьерами», полностью ликвидирующими неблагоприятные наследственные связи Однако выполненный анализ показал, что в рассматриваемом сочетании технологических операций отжига подката, механической обработки, рекристаллизационного отжига и назначаемых без учета специфики их взаимодействия режимов обработки эта негативная наследственность не устраняется Условия термообработки в используемых на предприятии садочных печах обуславливают значительный разброс формируемой микроструктуры и механических свойств стали по высоте садки, способствуют прогрессивному обезуглероживанию поверхности Хотя при этом обеспечивается снижение показателей прочности и повышение показателей пластичности стали, подготовленный к формообразованию металл характеризуется неоднородностью микроструктуры и механических свойств, а величина их разброса сопоставима с разбросом механических свойств горячекатаного проката в состоянии поставки Анализ микроструктуры металла показал колебание содержания зернистого перлита в стали от 20 до 80% Фактические значения механических свойств металла имели значение ав = 620-740 МПа, 8 = 20-31 %

С целью оценки влияния качества подготовки металла на формообразование клеммы были проведены опыты по изучению стабильности геометрических размеров элементов контура промежуточного профиля омега в процессе холодной гибки В производственных условиях отбирали образцы, сформированные на холодно гибочном автомате иВН-600 из заготовок, принадлежащих к различным частям бунтов металла Для оценки постоянства конфигу-

рации получаемого профиля определяли точность исполнения геометрических показателей качества Измерение размеров промежуточного профиля после операций формообразования показало, что процесс холодной гибки не обеспечивает стабильности достижения требуемых показателей качества В среднем величина отклонений контролируемых размеров профиля от требуемых значений составляла 5% , а по отдельным элементам контура достигала 12% Нестабильность размеров профиля, сформированного холодной гибкой, определяется неоднородностьк> свойств обрабатываемой заготовки, что предопределяет различную степень проявления упругого последействия металла после снятия нагрузки, а следовательно, и точность исполнения контура В свою очередь отклонения размеров промежуточного профиля омега наследуются на последующих операциях штамповки окончательной конфигурации пружинной клеммы и в дальнейшем не устраняются в ходе операций окончательной термообработки и контроля, что приводит к несоответствиям по геометрическим размерам готовой продукции

С целью оценки количественной взаимосвязи качества подготовки металла с точностью исполнения геометрических размеров промежуточной заготовки омега получена инженерная формула для расчета величины угла упругого пружинения после гибки Да , необходимая для определения окончательных размеров профиля

где ав - временное сопротивление разрыву стали, МПа, Е - модуль упругости стали, МПа, Яи- радиус гибки, мм, Я - радиус заготовки, мм, а -угол изгиба, град

Анализ расчетных данных подтвердил, что в формировании геометрических размеров промежуточного профиля пружинных клемм основную роль играет стабильность механических свойств металла, получаемого в блоке подготовительных операций Расчеты по полученному выражению также позволили определить рациональный диапазон прочностных свойств металла, обеспечивающий требуемую точность исполнения промежуточного профиля омега

Таким образом, в результате анализа установлено, что основной причиной зарождения неблагоприятных наследственных связей на начальных этапах производства, инициирующих несоответствия в последующих технологических блоках, является значительная неоднородность структуры и механических свойств металла, подготовленного к формообразованию

Третья глава посвящена исследованию процессов формирования качества металла в технологическом блоке подготовительных операций и выработке управляющих воздействий, направленных на устранение причин инициирующих несоответствия по качеству продукции

С целью повышению однородности структуры и механических свойств металла было предложено в блоке подготовительных операций выполнять процессы термообработки в защитной атмосфере в печах непрерывного действия, отличающихся от садочных печей большей технологической гибкостью,

О)

большей равномерностью нагрева металла при меньшей длительности цикла обработки

Осуществление качественных процессов термообработки возможно только при условии надежного представления об особенностях и основных характеристиках обрабатываемой стали Учитывая ограниченность сведений о стали 40С2, были проведены исследования по изучению влияния теплового воздействия на изменение ее механических свойств Дилатометрическим методом были уточнены температуры критических точек (АС1 - 760°С, АСз -890°С), необходимые для проектирования результативных режимов термической обработки как на этапе подготовки металла к формообразованию, так и на этапе окончательной термической обработки отформованных пружинных клемм В лабораторных и производственных условиях были выполнены исследования процессов формирования качества металла при отжиге на зернистый перлит В лабораторных условиях отжиг исходного подката моделировали в камерной печи по типовому режиму с нагревом до температуры ниже точки Ас1 (720 ±10 °С) и последующей выдержкой при этой температуре В производственных условиях исследуемый режим многократно тиражируется в печи непрерывного действия, он достаточно хорошо отработан, что предполагает устойчивость формируемых на его основе режимов отжига на зернистый перлит Динамику увеличения количества сфероидизированной фазы и изменения механических свойств стали изучали при варьировании продолжительностью отжига Было установлено, что отжиг при выдержке 9-12 часов обеспечивает необходимую микроструктуру (до 60 % зернистого перлита) и механические свойства стали ав = 600-660 МПа, д = 28-32% Полученные данные послужили основой для выполнения экспериментов в печи непрерывного действия РПП-2 в условиях калибровочного цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» В результате были определены температурно-временные режимы отжига, обеспечивающие формирование качества металла, отвечающего условиям последующего стабильного осуществления процессов холодной гибки

Следующим этапом исследований явилось изучение динамики накопления деформации по сечению отожженной стали при механической обработке Из отожженных образцов диаметром 14,0 мм по штатным режимам были получены холоднотянутые и отдельно обточенные образцы диаметром 12,9 мм Выполненные исследования показали, что процессы накопления деформации по сечению стали при калибровании или обточке протекают неоднородно и локализуются в основном в поверхностных слоях металла (рис 2) В свою очередь, это предопределило специфику проектирования режимов последующего рекристаллизационного отжига, предусматривающих сокращение длительности обработки Учитывая характер распределения деформации по сечению стали после механической обработки, были определены сокращенные по времени режимы отжига в печи непрерывного действия Для оценки качества термообработки провели измерения микротвердости по сечению стали, результаты которых показали, что различия величины микротвердости поверхностных и центральных слоев составляет не более 6%, что свидетельствует об однородности структуры металла

3600

3400 3200 3000 2800 2600 2400 1 ! !

—' Ф -отжиг —I —а— калибрование

/

**

1 1

1

0,00 0.20 0,40 0.60 0.80 1,00

а б

Рис. 2. Характер распределения микротвердости по сечению стали после отжига и калибрования (а), после отжига и обточки металла (б)

Таким образом, отжиг по разработанным режимам позволил устранить зональный характер структурной неоднородности, возникающий ввиду различных условий деформации поверхностных и центральных слоев металла на предыдущих операциях механической обработки и получить качественную с минимальной величиной обезуглероженного слоя и однородными механическими свойствами заготовку для формообразования.

Выполненный комплекс исследований процессов формирования качества стали 40С2 позволил оценить динамику пооперационного изменения свойств металла и их чувствительность к технологическим воздействиям, основанным на взаимодействии методов различной физической природы.

Было предложено выполнять описание трансформации показателей качества металла через коэффициент оперативного наследования, количественно отражающий «копирование», увеличение, уменьшение или «ликвидацию» значения / -го свойства в ходе выполнения ] -ой технологической операции:

Кн

где К(- значение показателя качества металла после /-ой и (/-1)-ой операции.

Физический смысл коэффициента оперативного наследования свойств заключается в следующем: при Д ■ = 0 значение г -го показателя качества

после выполнения технологической операции соответствует исходному значению т.е имеет место полное «копирование» свойства. При

Д < 0 наблюдается уменьшение числового значения показателя качества К{) > Л'((/_]), а при Д. > 0 - увеличение К у < ■ При Д. = -1 происхо-

дит ликвидация свойства^ = 0.

На этой основе разработана математическая модель пооперационной трансформации показателей качества металла в блоке подготовительных операций

Множество значений показателей качества металла после выполнения )-ой технологической операции представили в виде

[*.!=[о+д№и (з)

где^] ,[ЛГ(] вектор-столбец значений показателей качества металла К1 послеу-ой и (/'-1)-ой технологической операции 1 = 1 . . п,П- общее число показателей качества, [(1 + Д - матрица коэффициентов трансформации показателей качества металла технологическими методами у-ой операции При моделировании в качестве основных показателей качества были

выбраны К] - временное сопротивление разрыву ов, МПа, К2 - относительное удлинение 6, %, К3 - относительное сужение К4 - глубина обезугле-

роженного слоя А, мм

Применительно к процессу формирования качества металла в блоке подготовительных операций за три технологических перехода модель приобретает вид

М,Чо+ММо

кИа+/Ш4 (4>

14Ф+/Ш4.

где = [/Г,, К2; Къ; К4 ]д7 - вектор-столбец показателей качества исходного подката, — векторы-столбцы показателей качества металла после

структурного отжига (индекс 1), калибрования или обточки (индекс 2) и рекристаллизационного отжига (индекс 3)

В ходе выполненных лабораторных и промышленных исследований были установлены диапазоны значений коэффициентов оперативного наследования, на основе которых сформирована система технологических ограничений, обеспечивающих, заданный уровень качества металла в блоке подготовительных операций (табл 1)

Таблица 1

Рекомендуемые значения коэффициентов оперативного наследования

Операция Коэффициент наследования по выделенному свойству

Рав Рг Р* Л

1 Отжиг подката -0,3 >/7^ >-0,2 0,57 > Д. >0,19 0,2>^>0,07 /?.<0,5

2 Обточка Калибрование 0,06 > В >0,05 5 ~ О" в 9 0,33 > >0,25 -0,08 > Д . > -0,09 -0,6 >£,>-0,5 Д, <-0,04 -0,18>^>-0,15 /?„=-1,0 /?„<о

3 Рекристал-лизационный отжиг после - обточки -калибрования -0,07 > /Зав >-0,04 -0,25 > В >-0,23 0,14 > Ду > 0,02 1,6 >&> 1,3 0,03> Ру >0,02 0,29>Дг>0,23 Л-о

С учетом этого математическая модель трансформации показателей качества металла в блоке подготовительных операций окончательно записывается в виде

Х~ "&+/0 0 X"

_ (1+&)

(1 + Д,)

Л. I 0 Х»!

X' 0 X"

= (1+А)

0+Д,)

Л. 2 0 (1 + А)_ 2 х!

X" "(1+А.) 0 X"

кг -- (1 + А)

0 + &)

V 3 0 0 + А)_ 3 Х1

Модель позволяет по заданным значениям показателей качества исходного подката направленно формировать рациональные режимы обработки в блоке подготовительных операций, устраняющие проявления неблагоприятной технологической наследственности и обеспечивающие заданный уровень качества металла, отвечающего условиям последующего формообразования

На основе модели определили результативные режимы обработки в блоке подготовительных операций с достижением качества металла, позволяющего стабильно обеспечивать на последующих операциях формообразования требуемые геометрические размеры промежуточных заготовок и пространственного контура пружинной клеммы ОПЮ5

Четвертая глава посвящена вопросам исследования процессов формирования качества пружинных клемм в технологическом блоке заключительных операций термообработки и контроля В лабораторных и промышленных условиях проведены исследования влияния температуры закалки, температуры и времени отпуска на механические свойства стали 40С2 В качестве исходного материала использовали образцы обточенного и отожженного подката Для обоснования выбора температуры закалки при осуществлении окончательной термической обработки пружинных клемм были проведены опыты по определению уровня твердости стали 40С2 после печного нагрева в интервале температур 860 - 1000°С и последующего охлаждения в воде Было установлено, что для стали 40С2 максимальная твердость 59-60 Н11С достигается при закалке с диапазона температур 910 - 930°С Закаленные в воде с оптимальной температуры образцы подвергали отпуску в электрической камерной печи при температурах 350-450°С в течение времени от 20 до 90 мин Механические свойства термообработанных образцов определяли в сертифицированной лаборатории ОАО «ММК-МЕТИЗ» По результатам исследований с использованием методов статистической обработки экспериментальных данных разработали статистические модели оценки изменения прочностных и пластических показателей качества стали 40С2 в зависимости от температуры (Г, °С) и длительности (/, мин) отпуска (табл 2)

Таблица 2

Зависимости изменения показателей качества стали 40С2 при отпуске

Показатели качества Вид уравнения Коэффициент эластичности

Э1 э2

Условный предел упругости, МПа ег0, = 2858,78 - 3.595Г -1,795/ -1,07 -0,04

Временное сопротивление разрыву, МПа ав =3375,57 — 4,421Т - 2,523/ -1,18 -0,05

Твердость, НЯС НЕС = 100,71 - 0,13 \Т - 0,075/ -1,14 -0,04

Относительное сужение, % ц> = 0,159Г + 0,116/-14,32 1,2 0,66

Модели позволяют определить результативное технологическое пространство окончательной термообработки (рис 3) и обоснованно управлять процессом формирования заданного уровня качества готовых пружинных клемм Путем расчетов коэффициентов эластичности, показывающих степень влияния каждого из факторов на исследуемую величину, было установлено, что наиболее значительное влияние на свойства стали при отпуске оказывает температура Отсюда следует, что наиболее рационально управлять парамет-

рами отпуска через температуру нагрева с учетом времени выдержки, обеспечивающим синхронизацию выполнения операций закалки и отпуска в потоке

Конкретные режимы отпуска на заданный уровень служебных характеристик необходимо назначать с учетом обеспечения новых требований по пружинящим свойствам готовых изделий Пружинящие свойства оцениваются величиной остаточной деформации петли клеммы (менее 2,0 мм) после контрольного обжатия регламентируемым нормативно-технической документацией усилием 30 кН

450 -| j-> 440 430 £ 420 | 410 g. 400 g" 390 S. 380

и

§ 370 g 360 350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 время отпуска, мин

Рис 3 Графическое представление технологического пространства отпуска 1 - подобласть формирования требуемых показателей качества, 2,3 - подобласти, в которых не достигается требуемое качество

Для проведения необходимых исследований были отобраны клеммы от нескольких партий после технологического блока формообразующих операций В лабораторных условиях клеммы подвергали закалке и отпуску на различный уровень твердости по режимам, определенным по полученным математическим моделям Исследования проводили на испытательной машине EDZ-20 (Германия) путем нагружения петли пружинных клемм нарастающим до 30 кН усилием После снятия нагрузки изделия подвергали контролю остаточной деформации В результате обработки экспериментальных данных была получена зависимость величины остаточной деформации петли пружинной клеммы Д (мм) от уровня твердости изделий после проведения операций окончательной термообработки

Д = \U1IIRC-0,0446HRÖ - 81,408 (6)

Это позволяет определять значения температурно-временных параметров отпуска на заданный уровень твердости стали с учетом обеспечения требуемых пружинящих свойств готовых изделий

Установленные закономерности формирования показателей качества стали 40С2 при окончательной термообработке и характер поведения пружинных клемм при нагружении регламентированным усилием послужили основой для определения результативных управляющих воздействий на качество продукции в блоке окончательной термообработки и контроля

В пятой главе на основании выполненных исследований разработана методика управления качеством железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 и определены усовершенствованные режимы обработки, обеспечивающие повышение качества готовой продукции

Исходной информацией при реализации методики служат показатели качества горячекатаного подката стали 40С2 диаметром 14,0 мм Оцениваются геометрические показатели качества подката, качество поверхности, механические свойства (с учетом реальной вариации), микроструктура В зависимости от качества поверхности исходного подката (металлургических дефектов поверхности, глубины обезуглероженного слоя) организация исполнения подготовительных операций может быть скомпонована по двум вариантам В случае наличия поверхностных дефектов металлургического происхождения и обезуглероженного слоя глубиной (0,2 - 0,5 мм) в технологический процесс включается операция обточки на диаметр 12,9 мм При более высоком качестве поверхности исходного подката осуществляется подготовка поверхности стали к деформации и калибрование на размер 12,9 мм Формирование необходимых технологических режимов подготовки металла на заданный уровень механических свойств осуществляется на базе разработанной математической модели трансформации показателей качества (5) с учетом специфики технологического наследования свойств и характера обработки в последующих технологических блоках С использованием инженерной формулы (1) оценивается точность исполнения геометрических размеров промежуточного профиля омега на операции холодной гибки в зависимости от качества подготовки металла к формообразованию При последующей реализации методики осуществляется расчет режимов обработки пружинных клемм в технологическом блоке окончательной термообработки и контроля на основе математических моделей изменения механических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении (см табл 2) и оценки их взаимосвязи с величиной остаточной деформации петли клемм по выражению (6) При этом учитываются условия обеспечения поточности обработки и синхронизации исполнения операций закалки и последующего отпуска Необходимыми элементами методики являются ограничения, которые обеспечивают выполнение требований по стабильности формирования требуемого качества пружинных клемм В технологическом блоке подготовительных операций режимы обработки определяются с учетом следующих ограничений неудовлетворительные механические свойства стали, повышенный разброс механических характеристик, несоответствие по микроструктуре, повышенная овальность калиброванной стали В технологическом блоке окончательной термической обработки и контроля в роли ограничений выступает несоответствие полученных механических и специальных свойств готовой продукции заданному уровню качества

Для обеспечения соответствия между заданным и достигнутым по результатам контроля уровнем показателей качества готовой продукции методика предусматривает корректирующие воздействия на свойства исходной заготовки, режимы ее обработки в блоке подготовительных операций и блоке окончательной термообработки и контроля Итогом служат технологические режимы подготовки металла к формообразованию и окончательной термиче-

ской обработки, обеспечивающие стабильное формирование заданных значений геометрических показателей качества, механических и специальных свойств пружинных клемм ОПЮ5

Разработанные усовершенствованные режимы обработки реализованы в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» Исходный горячекатаный прокат стали 40С2 диаметром 14,0 мм производства ОАО «Мечел» по предельным отклонениям соответствовал группе В по ГОСТ 2590, по качеству поверхности группе 2ГП по ГОСТ 1050-88 Отжиг подката на структуру зернистого перлита вели в печи непрерывного действия РПП-2 в защитной атмосфере в условиях калибровочного цеха по режиму I зона - 760±WoC, II зона - 780 ±10°С, III зона -720±10оС, IV зона - 700±,о°С Общее время термообработки составляло 540 мин С целью удаления с поверхности отожженного подката поверхностных дефектов осуществляли резцовую обточку на размер 12,9 мм на стане «Кизер-линг» Обточенный металл подвергали рекристаплизационному отжигу в печи РПП-2 по режиму I зона - 740±10оС, II зона - 760 ±Ю°С, III зона - 720±10°С, IV зона - 700±|О°С Общее время термообработки составляло 160 мин Механические испытания проводили в сертифицированной лаборатории завода по ГОСТ 1497-84 Обработку данных выполняли методами математической статистики (табл 3)

Таблица 3

Результаты переработки металла в блоке подготовительных операций (исходный подкат/после обработки)

Результаты статистической обработки Показатели качества

Временное сопротивле- Относительное Относительное

ние разрыву (7В МПа удлинение 8, % сужение vy, %

Среднее значение 831/636,6 22,7/30 53/59

Минимальное значение 784/617,4 26/28 57/58

Максимальное значение 911/656,6 19/32 48/61

Интервал 127/39,2 7/4 9/3

Выборочная дисперсия 147,93/118,9 5,94/1,43 8,51 /1,046

Стандартное отклонение 38,07/10,9 2,43 /1,19 2,91 /1,02

Доверительный интервал при а = 0,05 14,63 /4,19 0,93 /0,46 1,12/0,39

Анализ результатов показал, что совершенствование режимов подготовки металла позволило повысить однородность его микроструктуры, снизить интервалы разброса показателей качества по временному сопротивлению разрыву в 3,07 раза, по относительному удлинению в 2,76 раза, по относительному сужению в 2,33 раза по сравнению с ранее действующими режимами При переработке металла в блоке формообразования вариации изменения контролируемых размеров пружинных клемм были снижены в среднем в 2,5 раза

Далее задачу достижения требуемого уровня качества отформованных пружинных клемм решали с использованием термического упрочнения Окончательная термическая обработка проводилась на конвейерном закалочно-отпускном агрегате СКЗА Температура нагрева под закалку составляла

910-920°С, а температура отпуска - 400-410°С Настройку агрегата выполнили, обеспечив продолжительность пребывания пружинных клемм в закалочной печи в процессе нагрева 30-35 мин и продолжительность выдержки в отпускной печи в течение 30-35 мин В качестве охлаждающей среды при закалке использовали воду После проведения операций термоупрочнения 100% клемм подвергали испытаниям на пружинящие свойства путем обжатия петли клеммы усилием ЗОкН на стенде специальной конструкции Затем измеряли все необходимые показатели качества готовых изделий. Проверку геометрических показателей качества пружинных клемм проводили с использованием контрольных шаблонов в соответствии с ЦПТ 82/23 «Методика проведения контроля размеров прутковой пружинной клеммы ОПЮ5», согласованных с ОАО «Российские железные дороги» Твердость пружинных клемм определяли на темплетах, изготовленных из центральной части изделия после выполнения контрольных испытаний Результаты измерений приведены в табл 4

Таблица 4

Результаты контроля твердости и величины остаточной деформации петли

пружинных клемм

Результаты статистической обработки Показатели качества

Твердость, НЯС Остаточная деформация петли клеммы, мм

Среднее значение 46,5 0,8

Минимальное значение 45 0,4

Максимальное значение 48 1,2

Интервал 3 0,45

Выборочная дисперсия 1,15 0,09

Стандартное отклонение 1,07 0,31

Доверительный интервал при а = 0,05 0,66 0,19

Из анализа результатов промышленной апробации разработанных режимов обработки установлено, что расхождение между значениями, предсказываемыми математическими моделями, и фактическим уровнем показателей качества пружинных клемм не превышает 7 % Разработанные режимы обработки были внедрены в действующее производство, внесены изменения в технологические инструкции и технологические карты В результате в общей структуре несоответствующей продукции на 93 % была снижена дефектность по геометрическим размерам и полностью устранены несоответствия по твердости пружинных клемм, что свидетельствует о значительном повышении качества готовой продукции. После внесения изменений в технологию производства были проведены сертификационные испытания качества пружинных клемм ОПЮ5 во ВНИИЖТ (г Москва) По заключению института пружинные клеммы по всем показателям качества полностью соответствовали требованиям отраслевой нормативно-технической документации и были рекомендованы для эксплуатации на отечественных железных дорогах

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Выполнен анализ процессов формирования качества железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 с позиций теории технологической наследственности во взаимосвязи технологических блоков подготовительных операций, формообразования, окончательной термообработки и контроля, на основе которого определены основные направления исследований по повышению качества готовой продукции, а именно совершенствование режимов подготовки металла к формообразованию профиля клемм и их окончательной термической обработки

2 Разработана математическая модель трансформации показателей качества стали 40С2 на этапе подготовительных операций к формообразованию с учетом технологического наследования свойств На основе модели разработаны режимы обработки металла, обеспечивающие требуемый уровень и однородность его механических свойств, что позволило устранить неблагоприятные проявления технологической наследственности на этапе формообразования и обеспечить стабильное достижение геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура пружинных клемм требуемого качества

3 Получены статистические модели оценки динамики изменения прочностных и пластических показателей качества стали 40С2 в зависимости от температурно-временных факторов термического упрочнения Установлена взаимосвязь уровня твердости пружинных клемм ОПЮ5, требуемого нормативно-технической документацией, с величиной остаточной деформации петли изделия после контрольного испытания путем нагружения регламентированным усилием Выявленные закономерности послужили основой для определения результативных управляющих воздействий на процессы формирования качества клемм в технологическом блоке окончательной термообработки и контроля, что позволило определить режимы обработки, обеспечивающие достижение заданного уровня механических и специальных свойств готовой продукции

4 Разработана методика управления качеством пружинных клемм с учетом характера взаимодействия мезаду технологическими блоками подготовительных операций, формообразования, окончательной термообработки и контроля, позволяющая определять результативные технологические режимы обработки, предупреждающие и корректирующие воздействия по обеспечению требуемого качества готовой продукции На основе методики определены усовершенствованные режимы обработки, обеспечивающие повышение уровня качества железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 по геометрическим размерам и механическим свойствам

5 Результаты исследований внедрены в действующее производство на ОАО «ММК-МЕТИЗ», внесены изменения в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241-2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ КР-390-2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОПЮ5 ТУ» В итоге в общей структуре несоответствующей продукции на 93 % была снижена дефектность по геометриче-

ским показателям качества и полностью устранены несоответствия по твердости готовых пружинных клемм, что свидетельствует о значительном повышении качества продукции по сравнению с исходной технологией Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы составил 992,7 руб на 1 тонну продукции Результаты работы использованы при успешном прохождении сертификационных испытаний железнодорожных пружинных клемм ОПЮ5 во ВНИИЖТ (г Москва)

6 Полученные в работе теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «МГТУ» при подготовке инженеров по специальности 200503 - «Стандартизация и сертификация» (металлургия) и 150106 - «Обработка металлов давлением»

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1 Слабожанкин, Е А Структура и свойства перспективных металлических материалов / В Е Громов, А Д Носов, Г С Гун, А Г Корчунов, Е А Слабожанкин и др Монография Томск Изд-во «Научно-техническая литература», 2007 - 580 с

2 Слабожанкин, Е А Влияние поверхностной механической обработки на структуру и свойства калиброванного металла [Текст] / А Г Корчунов, В В Чукин, Е А Слабожанкин // Труды V конгресса прокатчиков - М Черметин-формация, 2004-С 410-412

3 Слабожанкин, Е А Проектирование ресурсосберегающих режимов производства калиброванной стали для пружинных клемм [Текст] / А Г Корчунов, В В Чукин, Е А Слабожанкин и др // Вестник МГТУ им Г И Носова - 2007 -№ 1 - С 74-76

4 Слабожанкин, Е А Исследование и совершенствование процессов формирования качества пружинных клемм для железнодорожных рельсовых скреплений [Текст] / А Г Корчунов, Е А Слабожанкин // Барнаул Ползуновский альманах, ГОУ ВПО «АлГТУ им ИИ Ползунова» -2007-№1-2-С 89-93

5. Слабожанкин, Е А Статистические модели оценки изменения механических свойств метизных изделий из кремнистых сталей при термическом упрочнении [Текст] /АД Носов, Е А Слабожанкин, А Г Корчунов // Производство конкурентоспособных метизов Сб науч тр Вып 2 / Под ред Носова А Д -Магнитогорск ГОУ ВПО «МГТУ» -2007-С 71-74

6 Слабожанкин, Е А Повышение эффективности производства пружинных клемм совершенствованием технологического блока подготовительных операций [Текст] /АД Носов, Е А Слабожанкин, А Г Корчунов //Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов Труды междунар - науч - техн конф - С-Петербург, 2007 -С 374-376

7 Слабожанкин, Е А Моделирование режимов волочения калиброванной стали [Текст] /АД Носов, А Г Корчунов, Е А Слабожанкин и др // Вестник МГТУ им Г И Носова - 2007 -№ 2 - С 49-51 (рецензируемое издание из перечня ВАК)

8 Слабожанкин, Е А Возможности повышения качества и снижения затрат на производство калиброванной стали для пружинных клемм ОП 105 [Текст] / А Г Корчунов, В Н Лебедев, Е А Слабожанкин и др // Труды VII конгресса прокатчиков Том 1 - М МОО «Объединение прокатчиков», 2007 - С 369-372

9 Слабожанкин, Е А Использование малых пластических деформаций в технологических процессах формирования качества метизных изделий [Текст] / А Г Корчунов, К Г Пивоварова, Е А Слабожанкин и др // Вестник МГТУ им Г И Носова - 2007 -№ 3 - С 52-55 (рецензируемое издание из перечня ВАК)

10 Слабожанкин, Е А Совершенствование процесса управления качеством железнодорожных пружинных клемм [Текст] / А Г Корчунов, В В Чукин, Е А Слабожанкин // Сталь - 2008 - № 1 - С 52-54 (рецензируемое издание из перечня ВАК)

11 Слабожанкин, Е А Исследование деформационного упрочнения сталей с различной исходной структурой [Текст] / В В Андреев, А Г Корчунов, Е А Слабожанкин // Фазовые и структурные превращения в сталях Сб науч тр , вып 5 / Под ред В Н Урцева Магнитогорск МДП - 2008 - С 496-502

Подписано в печать 25 03 2008 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1

Плоская печать Услпечл 1,00 Тираж 100 экз Заказ 247

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние производства и проблематика формирования качества железнодорожных пружинных клемм. Г. Г. Современные требования к качеству пружинных клемм ОПЮ5,для^ рельсовых скреплений.

1.2. Особенности технологического процесса и проблематика формирования качества пружинных клемм.

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

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Анализ наследственных связей в технологических блоках производства железнодорожных пружинных клемм.

2.1. Исследование качества исходного подката стали 40С2'.*.

2.2. Исследование влияния качества металла на формообразование профиля-клеммы

2.3. Оценка формирования точности размеров промежуточного профиля клеммы.

2.4 Анализ причин возникновения неблагоприятных наследственных связей' в технологических блоках производства-клемм

2.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. Исследование процессов формирования качества металла в технологическом блоке подготовительных операций к формообразованию.

3.1. Определение критических точек стали 40С2.583.2. Исследование режимов отжига горячекатаного подката на структуру зернистого перлита в роликовой проходной печи.

3.3. Анализ влияния поверхностной механической обработки на механические свойства стали.

3.4. Исследование режимов рекристаллизационного отжига стали после механической обработки.

3.5. Математическое моделирование трансформации показателей качества металла в блоке подготовительных операций.

3.6 Выводы по главе.

I » |

ГЛАВА 4. Исследование процессов формирования качества клемм в технологическом блоке окончательной термообработки и контроля.

4.1. Определение рационального диапазона температур закалки стали 40С2.

4.2. Исследование влияния отпуска на механические свойства закаленной стали.

4.3 Исследование величины остаточной деформации петли клемм при контрольных испытаниях.

4.4. Оценка возможности упрочнения пружинных клемм при контрольных испытаниях.

4.5. Выводы по главе.f.

ГЛАВА 5. Совершенствование технологических режимов подготовки металла к формообразованию и окончательной термообработки клемм.

5.1. Технические и технологические мероприятия по совершенствованию режимов подготовки металла к формообразованию и окончательной термообработки.

5.2. Разработка методики управления качеством клемм.

5.3. Реализация разработанных мероприятий в промышленности и оценка уровня качества продукции.

5.4. Выводы по главе.

Российская Федерация - мощная железнодорожная держава. Протяженность железных дорог страны огромна, а их эксплуатация осуществляется в различных климатических поясах. Темпы роста отечественной экономики диктуют значительное увеличение объемов грузооборота и повышение производительности железных дорог. Основными путями интенсификации перевозок служат повышение скоростей движения поездов и их веса, что связано с резким ростом силового воздействия подвижного состава на путь. В подобных условиях устойчивое функционирование дорог во многом зависит от решения проблемы рельсовых скреплений. Данная проблема решается на основе перехода на прогрессивные виды упругих рельсовых скреплений для железобетонных шпал. Переход на упругие пружинные скрепления является в настоящее время кардинальным решением при разработке новых конструкций этих узлов, удовлетворяющих современным требованиям и обеспечивающих, повышение эксплуатационных возможностей железных дорог при снижении затрат на их текущее содержание [1].

На железных дорогах страны осваивается новый узел рельсового скрепления используемого на наиболее ответственных участках пути: стрелочных переводах, кривых малых радиусов, участках с высокими осевыми нагрузками. Принципиальным отличием нового узла скрепления является замена, в нем промежуточной жесткой клеммы с двухвитковой пружинной шайбой и стандартным клеммным болтом на пружинную прутковую клемму ОПЮ5 в комплекте с плоской жесткой шайбой и с клеммным болтом с квадратным подголовком. Данная конструкция узла обеспечивает более высокую пружинность скрепления особенно на пути с жестким подрельсовым основанием, возможность регулировки положения рельса по высоте в пределах 10-20 мм, снижение трудоемкости и затрат на текущее содержание пути, что особенно актуально для России с большой протяженностью железных дорог в сложных климатических условиях. Клемма ОП 105 обладает большой податливостью в упругой области и в то же время позволяет прижимать рельс к подкладке со значительным усилием, что исключает необходимость применения противоугонов. Прутковые пружинные клеммы ОП 105 в случае их применения в раздельных скреплениях рельсов со шпалами способны во много раз повысить эксплуатационные характеристики железнодорожного пути. С использованием таких клемм рельсовый путь приобретает пространственную упругость, обеспечивается усиление самого промежуточного скрепления, и оно становится способным выдержать длительные динамические нагрузки [1].

Передовым предприятием, на котором было организовано производство клемм ОП 105, стал ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод ММК-МЕТИЗ».

Технологическая схема производства железнодорожных пружинных клемм ОП105 включает три взаимосвязанных технологических блока: подготовительных операций, формообразующих операций и окончательной термической обработки и контроля. Структуру формирования качества составляют операции,, базирующиесяна использовании методов различной физической природы: термической обработки, холодной и горячей деформации, обработки резанием. Данная технологическая схема позволила заводу наладить бесперебойный выпуск продукции и в течение длительного времени удерживать значительную часть рынка,данной продукции. Однако требования к качеству клемм непрерывно ужесточаются, что нашло отражение в новых редакциях нормативно-технической документации ОСТ 32.156.-2000 и ОП 105 ТУ, в которых предусматривается 100% контроль качества; выпускаемой продукции, введены новые требования по геометрическим размерам и пружинящим свойствам.

Повышение требований к качеству пружинных клемм имеет целью исключить опасность их внезапного хрупкого разрушения при сборке скреплений, а также в процессе эксплуатации под действием прилагаемых: в пути нагрузок. Опыт производства пружинных клемм показал, что действующая технология не в полном объеме отвечает более жестким требованиям потребителя, что привело к увеличению выпуска несоответствующей продукции, особенно по геометрическим показателям качества и твердости готовых клемм.

Технологический процесс, разработанный в условиях дефицита времени, средств и сложности решаемых задач в период освоения уникального оборудования 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, требует своего совершенствования, поскольку многие режимы обработки металла назначались не в результате целенаправленных научных и производственных исследований, а исходя из общих представлений о процессах, и без учета специфики взаимодействия различных по физической природе технологических операций обработки нестандартной кремнистой стали 40С2.

В связи с этим актуальным является комплекс исследований, направленный, на обеспечение заданных показателей качества клемм, уменьшение несоответствий и дефектности.

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 их последующей окончательной термообработки. 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 в целом.

В развитие этого направления необходимо установить причины возникновения неблагоприятных наследственных связей на начальных этапах производства, инициирующих несоответствия по геометрическим размерам клемм, и разработать меры, направленные на их устранение. Провести исследования процессов формирования, качества стали 40С2 в блоке подготовительных операций с учетом специфики взаимодействия различных технологических методов между собой, и разработать, усовершенствованные режимы подготовки металла к формообразованию, обеспечивающие на последующих операциях достижение геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура клемм требуемого качества. Выполнить комплексные исследования динамики формирования прочностных и пластических свойств стали 40С2 при термическом упрочнении, включая оценку их взаимосвязи с уровнем пружинящих свойств изделия, и разработать усовершенствованные режимы окончательной термообработки отформованных клемм, обеспечивающие достижение заданного уровня качества готовой продукции.

Изучив процессы формирования качества в технологических блоках подготовительных операций 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 с целью обеспечения заданного уровня качества готовой продукции.

Представленная диссертационная работа является продолжением и дальнейшим развитием комплекса исследований, выполняемых на кафедре машиностроительных и металлургических технологий ГОУ ВПО «МГТУ», по освоению и совершенствованию производства пружинных клемм различных конструкций для рельсовых скреплений.

7. Результаты работы использованы при успешном прохождении сертификации клемм ОПЮ5 производства ОАО «ММК-МЕТИЗ» во ВНИИЖТ (г. Москва)

8.Полученные в работе теоретические и практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО «МГТУ» при подготовке инженеров по специальности 200503 - «Стандартизация и сертификация» (металлургия), 150106 - «Обработка металлов давлением» (Приложение 5).

Заключение

1. Выполнен анализ процесса производства пружинных клемм ОПЮ5 с позиций теории технологической наследственности во взаимосвязи технологических блоков подготовительных операций, формообразования и окончательной термообработки и контроля, на основе которого определены основные направления исследований по совершенствованию процессов формирования качества готовой продукции, а именно режимов подготовки металла к формообразованию профиля клемм и их окончательной термической обработки.

2. Разработана инженерная формула для прогноза упругого пружинения и оценки точности исполнения промежуточного профиля клеммы «омега» при холодной гибке из круглой прутковой заготовки в зависимости от прочностных показателей качества металла. Анализ расчетных данных подтвердил, что в формировании геометрических размеров профиля клемм основную роль играет стабильность механических свойства металла, получаемого в блоке подготовительных операций. Расчеты по полученному выражению также позволили определить рациональный диапазон прочностных свойств металла, обеспечивающий требуемую точность исполнения промежуточного профиля омега.

3. Разработана математическая модель трансформации показателей качества стали 40С2 на этапе подготовительных операций к формообразованию с учетом технологического наследования свойств. На основе модели с учетом специфики исполнения последующих операций формоизменения разработаны режимы подготовки металла к формообразованию, устраняющие проявления неблагоприятной технологической наследственности и обеспечивающие формирование геометрических размеров промежуточных заготовок и пространственного контура клемм требуемого качества.

4. Получены новые сведения о термическом воздействии на кремнистую пружинную сталь 40С2 в процессах термического упрочнения с использованием тепла печного нагрева. Разработаны математические модели оценки изменения прочностных и пластических показателей качества стали в зависимости от температурно-временных факторов термического упрочнения. Установлена взаимосвязь уровня твердости термически упрочненных пружинных клемм

ОПЮ5 с величиной остаточной деформации петли изделия при нагружении регламентированным нормативно-технической документацией усилием. Выявленные закономерности динамики трансформации показателей качества стали при термическом упрочнении и характер поведения клемм при контрольном нагружении послужили основой для определения результативных управляющих воздействий на процессы формирования качества готовой продукции в блоке окончательной термообработки и контроля.

5. Разработана методика управления качеством пружинных клемм с учетом характера взаимодействия между технологическими блоками подготовительных операций, формообразования, окончательной термообработки и контроля, на основе которой определены усовершенствованные режимы обработки, обеспечивающие формирование заданного уровня качества геометрических показателей клемм и их механических свойств.

6. Результаты исследований внедрены в действующее производство в виде изменений в технологическую инструкцию ТИ 176-Т-241-2002 «Производство проката для изготовления пружинных клемм» и технологическую карту ТК 176-МТ.КР-З90-2006 «Клемма пружинная прутковая для крепления рельсов по ОПЮ5 ТУ». В итоге в общей структуре несоответствующей продукции на 93 % была снижена дефектность по геометрическим размерам и полностью устранены несоответствия по твердости клемм, что свидетельствует о значительном повышении качества готовой продукции по сравнению с исходной технологией. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов работы в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» составил 992,7 руб на 1 тонну товарной продукции.

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. Jlax-тина, А.Г. Рахштадта).- М.: Машиностроение,- 1980.- 467С.

3. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы,- М.: Металлургия.- 1982,- 400С.

4. Федоров Н.Я. Универсально-гибочные автоматы.- М.:Машгиз.- 1961.- 237С.

5. 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.

6. Рудаков В.П., Пестряков А.П. Связь качества штампованных изделий с состоянием исходного металлопроката // Производство проката.- 2003.- №7.-С.23-25.

7. Зубов В .Я. Структура и свойства стальной пружинной ленты. М.: Металлургия.» 1964.- 224С.

8. П.Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали,- М.: Машинострое-ние.-1978,- 325С.

9. Высокопрочная арматурная сталь / Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко А.В. М.: Металлургия.- 1986.- 272G.

10. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия.- 1979.-320С.

11. Н.Бараз Р.В., Зубов В.Я. Стабильность структуры и релаксация напряжений в цилиндрических пружинах// Известия вузов- №2.- 1970.-С. 34-38.

12. 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.

13. Патент СССР №1482536, МКИ Е01В9/48 Устройство для крепления рельса. Фирма Vossloh. Опубл. 23.05.89.Бюл.№19.

14. А.С. 1210666 СССР, МКИ Е01В9/48 Клемма рельсового скрепления. Фирма Pendrol Limited(GB). Опубл. 07.02.86 .Бюл. №5.

15. Айсенманн И. Совершенствование верхнего строения железнодорожного пути //Железные дороги мира.- 1997,- №2.-С. 61-65.

16. 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.

17. Сторожев М.В. Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М. Машиностроение, 1971, С.324.

18. Тавер Е. Объект управления при управлении качеством // Стандарты и качество.- 2001.- № 2.- С. 15-19.1. J0

19. Пичурин И. Сущность понятия «качество»//Стандарты и качество.- 2002.-№ 8.- С.63-65.

20. Глудкин О.П. Всеобщее управление качеством:- М.: Радио и связь.- 1999.-432С.

21. Скрипко J1. Как определять результативность и эффективность процессов? // Стандарты и качество.- 2005.- № 5.- С.23-28.

22. Тавер Е.Основы осознанного управления качеством продукции// Стандарты и качество.-2004.-№2. С 86-92.

23. Кузнецов JI. А. Современный подход к управлению металлургической технологией// Производство проката.- 1999.- №9.- С. 27-34.

24. Пэнди П. Курс на Шесть сигм.- Пер. с англ. М: Лори.- 2002.- 440С.

25. Барвинок В.А., Чекмарев А.Н., Шалавин В.В. Статистические методы управления качеством.- М.: Машиностроение.- 1999.- 340 С.

26. Осипов Д.С. Обеспечение заданного уровня качества штампованных шаровых пальцев на основе повышения- результативности сквозной технологии и системы менеждмента качества: /Дис. на соискание учен. степ, к.т.н. — Магнитогорск: МГТУ . 2004, 150С.

27. Д: Боссерт Экономное производство и «Шесть Сигм» // Стандарты и качество.- 2004.- №10.-С 82-83.

28. Азгальдов Г.Г., Райхман Э.П. О квалиметрии. — М.: Издательство стандартов. 1973. - 172С.

29. Гун Г.С. Управление качеством высокоточных профилей. — М.: Металлургия. 1984. - 152С.

30. Шемшурова Н.Г. Совершенствование технологии производства гнутых профилей на основе комплексной оценки качества /Дис. на соискание учен. степ, к.т.н. Магнитогорск: МГМИ. - 1985, 137С.

31. Кондаков А.И., Васильев A.G. Эффективность взаимодействия технологических методов разной физической природы, при направленном» формировании качества деталей-машин//Известия вузов. Машиностроение.- 2002.- № 1,- С.39-45.

32. J1.A. Кузнецов Управление качеством' через технологию производства/Методы менеджмента качества!- 2007.- № 2".-С.20-23.

33. Батанов М.В., Петров*Н.В: Пружины.-JI: Машиностроение.- 1968.-С.457.

34. Жадан В.Т., ОсадчийА.Н., Стеценко Н.В. Отделка и термическая обработка сортового проката.- М: Металлургия.- 1988.- 280С.

35. Пономарев С.Д. Расчет упругих элементов машин и приборов.-М: Машиностроение.- 1980.-С.326.

36. Белков Е.Г.Основы проектирования технологических процессов и оборудования для безоправочной навивки пружин, пружинных шайб и колец./Дис. докт.техн.наук.- Челябинск, 1988, 426С.

37. Шалин В.Н. Расчет упрочения изделий при их пластчиеской деформации.-Л: Машиностроение.- 1971.- 192 С.

38. Патент РФ №2227812 Способ изготовления пружинных изделий.

39. Ящерицын: П.И: . Рыжов Э.В;, Аверченков> В.И. 1 ехнологическая наследственность ^машиностроении.- Mm Наукан техника.- 1977.-256С.

40. Хилл Р; Математическая.теорияшластичностш- М.: Паука.-1956-435С.

41. Попов А.А. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита.-М.: Машгиз.- 1961.- 43ОС. .

42. Геттель X., Нейхаус Я., Окерналь В. Высокопроизводительная;; обдирка — экономичный! способ» производства; круглого стального прутка // Черные металлы.- 1987. № 22. - С. 24-31.

43. Бернштейн М.Л. • Структура деформированных материалов. М.:Металлургия.т1977.- 431С.5 8. В: Бэкофен Процессы деформации.- М.: Металлургия.- 1977.-288С.

44. Носов А.Д;, Слабожанкин Е.А., Корчунов A.F. Моделирование: режимов волочения калиброванной стали// Вестник МЕТУ им: Р.И; Носова.- 2007.-№ 2 .-С.49-51

45. Корчунов А.Г. Производство калиброванного металла со специальной отделкой поверхности //Заготовительные производства' в машиностроении; -2005.- № 7.- С. 35-40бГ.Феодосьев В.И: Сопротивление материалов.- М.: Наука.- 1974.-560С.

46. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов обработки металлов давлением.- М. Металлургия.- 1970.-296С.

47. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов.- М.:Металлургия.-1980.- 320С.

48. Львов Ю.А. Основы экономики и организации бизнеса.- С-Петербург.-1992.-383С.

49. Структура и свойства перспективных металлических материалов / Громов В.Е., Гун Г.С., Корчунов А.Г., Слабожанкин» Е.А и др.- Томск. Изд-во НТЛ.-2007.- 580С.

50. Корчунов А.Г., Слабожанкин Е.А. Совершенствование процесса управления качеством железнодорожных пружинных клемм // Сталь .- 2008.-№ 1 .- С.52-54.

51. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов.- М.гМашино-строение.-1990.- 352С.

52. Белалов Х.Н., Клековкина Н.А. и др. Производство стальной проволоки.-Магнитогорск.- 2005.- 543С.

53. Шахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И. и др. Производство мети-зов.-М.: Металлургия.- 1972.- 472С.

54. Корчунов А.Г., Андреев В.В., Дорогобид В.Г. Автоматизированный расчет напряженно-деформированного состояния методом линий скольжения при волочении// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006614009.

55. Кидин И.Н. Термическая обработка стали при индукционном нагреве.- М.: Металлургиздат.- 1950.-289С.

56. Полухин П.И. Физические основы, пластической деформации.- М.: Металлургия.-1980.- 546 С.

57. Корчунов А.Г., Пивоварова К.Г., Слабожанкин Е.А.Использование малых пластических деформаций в технологических процессах формирования качества метизных изделий// Вестник МГТУ им.Г.И. Носова.- 2007.-№ 3 .- С. 52-55

58. В.Г. Капорович Обкатка металлоизделий в производстве.- М.: Машиностроение.-1973.- 168С.

59. Корчунов А.Г., Чукин В.В:, Пивоварова К.Г. и др. Влияние способа обработки на состояние поверхности калиброванного металла // Вестник МГТУ им.Г.И. Носова.- 2003.-№3.-С.52-55.

60. Егоров С.А. Повышение качества и производительности на операциях обточки и калибрования пруткового материала на автоматических линиях. /Дис. на соискание учен. степ, к.т.н. Иваново:- 1995, 148С.

61. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов.- М:: Металлургия.-1978.- 567С.

62. Малов А.Н. Технология холодной штамповки.- М.: Машиностроение.- 1969.568 С.

63. Головин В.А. Технология и оборудование холодной штамповки.- М.: Машиностроение." 1987.- 352 С.

64. Кривощапов М.В. Разработка, исследование и совершенствование оборудования и технологии изготовления рельсовых скреплений нового поколения /Дис. на соискание учен. степ, к.т.н. Магнитогорск,-1999, 211С.■'."'■• 132 .

65. Сивак Б.А., Протасов А.В.Применений модульных технологий в металлургии/верные металлы.-2000.-№ 10.-С. 13-16 •

66. Ратников В.Ф., Салганик В.М., Шемшурова Н.Г. Квалиметрия и управление качеством продукции.- Учебное пособие. -Магнитогорск: МГТУ.- 2000.-184С.

67. Кривощапов В.В. Технология производства, пружинных клемм.-: Магнитогорском ДП.-1999.-176С.

68. Карпов Е.В., Гун Г.С., Чукин В.В; Разработка методики и оборудования приемо-сдаточных испытаний железнодорожных пружинных клемм //Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. междунар. сб. науч.тр.-Магнигогорск: МГТУ, 2003.-С. 198-202.

69. Сторожев М:В;, Попов Е:А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение.- 1971.- 424С.93;Лапидус В.А. Всеобщее управление качеством (TQM) в российских компаниях — М.: Новости в российских компаниях . — 2000. 432С.

70. Суслов А.Г. Научные основы технологии машиностроения.- М.: Машиностроение,- 2002.- 684С.

71. Зайдес С.А., Исаев А.Н. Технологическая механика осесимметричного дет формирования.-Иркутск: Изд-во ИрГТУ,- 2007.-432С.