Вальцевание: суть, преимущества, этапы технологии

О чем речь? Вальцевание — технологический процесс обработки металлов, при котором заготовка пропускается через вращающиеся валки для придания ей нужной формы, толщины. Используется в металлургии и машиностроении для производства листового металла, труб, профилей.

Как выполняется? Для обработки потребуются ручные или автоматизированные вальцы. Также для успешного вальцевания важна правильная настройка основных параметров: давления, скорости и температуры.

Что собой представляет вальцевание

Вальцевание — это технологический процесс обработки заготовок из металла и других материалов, основанный на пластической деформации. В рамках такой операции будущее изделие проводят через некоторое количество вращающихся валов. При этом заготовка сгибается и/или получает требуемую конфигурацию в виде цилиндра, конуса, пластины и др.

Вальцевание является довольно распространенной операцией при изготовлении труб. Такая обработка позволяет увеличить диаметр или сузить края трубных изделий. При этом формируются плотные соединения, за счет которых трубы скрепляются между собой. Примером использования операции вальцовки является надежная фиксация элементов решетки теплообменника, которые подвергаются радиальной деформации.

Уровень сложности при выполнении операций вальцевания зависит от следующих параметров:

• разность первоначального и конечного диаметра, который требуется получить за счет развальцовки;
• глубина вальцовки: длина отрезка заготовки, подвергающегося пластическому деформированию.

В промышленных условиях для обработки вальцеванием применяется специальное оборудование, которое позволяет выполнять технологические операции в соответствии с действующими межгосударственными стандартами.

Рабочие характеристики таких станков, включая их мощность, определяют возможности по выполнению конкретных видов работ с соблюдением необходимых требований по точности и скорости.

Применение технологии вальцевания

Помимо обработки изделий из листового или сортового проката и изготовления конструктивных элементов методы вальцевания получили широкое применение для восстановления конфигурации деталей, которые были деформированы. Такая технология, как отдельный элемент процесса, используется при холодной штамповке.

Так, на предприятиях автомобилестроения методом вальцевания производят силовые элементы каркасов для грузовиков. Кроме того, посредством данной технологии обрабатываются изделия из резины, пластика, каучука и других композиционных материалов.

Вальцевание позволяет как уплотнять материал, так и улучшать его свойства. С помощью станков для вальцовки можно получать детали с разным сечением и формой: квадрат, круг, прямоугольник, овал, конус.

Производственные предприятия в настоящее время применяют данные методы обработки в рамках технологических процессов по изготовлению уплотнительного профиля, полотен для ленточнопильных станков, элементов декора, композитных панелей, обечаек, равнополочного уголка и т.д.

Технология вальцевания часто является завершающей стадией операций по изготовлению различных деталей. С помощью валков устраняют небольшие дефекты мехобработки, формируют гладкость поверхности или заданную шероховатость, улучшают внешний вид изделий.

Вальцовочные станки, например, применяют для обработки кромок листового металлопроката при его подготовке к дальнейшему использованию. Подобная операция имеет популярность на предприятиях, выпускающих материалы для обустройства кровли.

За счет вальцевания по периметру металлических листов формируют одинарные или двойные фальцы, благодаря чему кровельные листы плотно и надежно соединяются между собой. Для защиты от коррозии и повреждения на них впоследствии наносят слой полимера. В рекламе стройматериалов часто звучит фраза «фальцевая кровля». Это и есть продукция, выпускаемая методом вальцевания.

Преимущества технологии вальцевания

Вальцевание листового проката входит в число наиболее востребованных операций по обработке металла. Преимущества данной технологии обусловлены низкими энергозатратами, универсальностью и простотой. В сравнении с прессованием, вытяжкой и другими методами обработки при производстве изделий, имеющих форму тел вращения, вальцевание содержит ряд существенных достоинств:

• Более низкие затраты на оборудование и дополнительную оснастку.
• Длительный срок службы технологической оснастки.

• Скорость перенастройки оборудования под нужные параметры.
• Рентабельность и эффективность использования в рамках масштабного, среднего и мелкосерийного производства.
• Невысокие трудозатраты на ремонт и техобслуживание оборудования.
• Низкая вероятность производственного брака.
• Универсальность и гибкость перенастройки оборудования.

Вальцевание деталей не предполагает применение высокотехнологичного дорогостоящего оборудования или существенных затрат энергии. Благодаря таким особенностям данная технология отличается доступностью применения.

При этом и ударные усилия при вальцевании не очень высокие, поэтому оснастка может изготавливаться из более доступных по цене марок стали.

Этапы вальцевания листового металла

Заготовки, подвергаемые вальцовке, предварительно не нагревают. Исключением является обработка проката из стали толщиной свыше 6 мм или материалов, отличающихся высокой жесткостью (к примеру, титановые сплавы).

Стандартная технология выполнения операций вальцевания листового металла включает следующие этапы:

• Подача листа металла в зону захвата.
• Выбор рабочих настроек станка оператором.
• Прокатывание заготовки между валками станка в необходимом направлении.

В ходе прокатывания меняется геометрия листа металла. Он приобретает форму конуса или цилиндра. Для получения требуемой конфигурации заготовки технологический процесс может предусматривать несколько проходов. Параллельно возможен промежуточный отжиг металла, направленный на снятие внутреннего напряжения в материале и устранение заусениц или других дефектов.

Важным качественным параметром обработки листового металлопроката вальцеванием выступает отсутствие растрескиваний или чрезмерного утончения заготовки. Подобные дефекты могут быть следствием ошибочного выбора оператором обжимных усилий, неправильно отжига или неравномерного напряжения материала.

Типы станков для вальцевания металла

Станки для вальцевания, которые используются на промышленных предприятиях, отличаются по ряду важных параметров. Существует электрическое и гидравлическое оборудование (привод обеспечивается за счет гидростанции). В массовом производстве крайне редко применяют ручные приспособления для вальцевания.

Чаще всего используется оборудование с горизонтальными валками. Встречаются также модели с вертикальным их расположением. Такие установки более компактны и занимают меньше производственных площадей.

С учетом характера размещения валков выделяют ассиметричное и симметричное вальцовочное оборудование. Первый вариант отличается универсальностью. Ассиметричные станки позволяют как формировать цилиндрическую форму заготовок, так и обрабатывать кромки. В свою очередь, вальцеватели с симметрично расположенными валками могут использоваться для работ с заготовками большой толщины.

Настройка параметров вальцевания на установках осуществляется путем изменения зазоров между валками. Существует также оборудование с ручным и автоматическим управлением. В первом случае изменение рабочих параметров выполняется оператором вручную, а во втором используется автоматика.

Дефекты вальцевания

Процесс вальцевания сопровождается возникновением внутреннего давления в металле. Различают три вида остаточных сил.

Наибольшую опасность несут зональные напряжения, которые появляются между отдельными участками (зонами) сечения. Под их влиянием в материале получаются различные дефекты в форме трещин и коробления. На характер зональных напряжений влияет градиент температур между отдельными частями заготовки при термическом воздействии.

Второй вид напряжений — структурные. Они возникают среди зерен материала и внутри их в результате разницы коэффициентов линейного расширения. Кроме того, этому может способствовать и формирование новых фаз разных объемов. Остаточные напряжения третьего вида проявляются внутри объема нескольких ячеек кристаллической структуры.

Природа возникновения описанных выше внутренних напряжений отличается, но приводят они к схожим последствиям, в том числе к упругим деформациям и искажению кристаллической решетки.

Для устранения негативных результатов применяется термическая обработка металла. Нагревание и охлаждение материала способствуют изменению характера данных явлений.

К примеру, с повышением температуры происходит расширение поверхностных слоев металла, которому препятствует непрогретая сердцевина. В конечном итоге появляется напряжение сжатия.

В ходе охлаждения материала описанные выше процессы протекают в обратной последовательности. В этом случае напряжение растяжения возникает в более холодных поверхностных слоях. После снижения температуры до нормальных значений она выравнивается по всему объему металла. Тем не менее это не гарантирует полное устранение негативных явлений, так как в материале остаются остаточные напряжения.

Часто задаваемые вопросы о вальцевании

Какие особенности вальцевания меди?

Чистая медь отличается пластичностью и податливостью. Вальцевание медных листов и трубок осуществляется с минимальными ограничениями.

Поверхность медных заготовок легко деформируется более твердым инструментом для вальцевания. Для предотвращения брака следует контролировать состояние вальцов, которые должны иметь требуемое качество полировки.

В особых случаях при вальцевании меди осуществляют местный нагрев деформируемого участка. После такой обработки в материале не остается остаточных напряжений, которые могут способствовать разрушению готового изделия. 

Какие особенности вальцевания алюминия и дюраля?

Листовой алюминий считается лучшим металлом для вальцевания. Благодаря небольшому весу и пластичности из него можно изготавливать продукцию сложной конфигурации. Простота деформации зависит от чистоты алюминиевого листа (чем чище, тем легче деформируется).

Определенные ограничения могут применяться в связи с оксидной пленкой, которая возникает на поверхности алюминия в результате контакта с кислородом, содержащимся в воздухе. Именно поэтому для вальцевания следует использовать листы, прошедшие операцию старения. Данный метод обработки алюминия не предполагает предварительного нагревания заготовки. В итоговой продукции отсутствует остаточное напряжение и сохраняется структура металла. 

Гораздо сложнее вальцевать сложные сплавы алюминия. Листы дюраля, которые в качестве присадки содержат магний, имеют более высокую прочность, но теряют пластичность. Деформация силумина и алюминиево-кремниевых сплавов осуществляется только при нагревании.

Как происходит вальцевание титана?

Несмотря на свою прочность, титан хорошо поддается вальцеванию без дополнительного нагревания при условии, что его толщина не превышает 5 мм. Следует учитывать, что степень деформации такого материала ограничена. К примеру, лист нельзя согнуть под углом более 80°. Для сильной деформации заготовку в месте изгиба следует нагреть до 150–200 °С. Если превысить данные температурные показатели, то металл вступит в химическую реакцию с воздухом, что повлечет за собой изменение характеристик. 

Внедрить процесс вальцевания в производство можно как на крупном заводе, так и в небольшом цеху. Современные модели станков для такой обработки отличаются простым устройством, неприхотливостью в обслуживании и могут эффективно работать на протяжении десятилетий.

Изображение в шапке статьи: creative_kamran / Freepik