вальцевание что это

Вальцевание — технологический процесс обработки материалов между вращающимися валками (цилиндрами), при котором заготовке придают требуемые размеры, форму, структуру или поверхностные свойства за счёт регулируемого сжатия, сдвига и трения 🏭. Термин охватывает как металлургическую прокатку листа и профилей, так и каландрирование резин, полимеров, бумаги, рафинирование шоколада, вальцевание зерна и раскатку (расширение) труб в трубных досках.

В инженерной практике различают «вальцевание» как обобщённое действие валков и «прокатку» как частный случай пластической деформации металла в валках. Разнообразие задач — от стабилизации толщины плёнки до герметизации банки — объясняет широкий спектр машин: дуо-, кварто- и шестиклетьевые станы, каландры, рафинировочные и сеаминг-машины, трубораскатчики.

Принцип процесса и физика деформации

Материал подают в зазор между валками, в зоне контакта возникает поле давлений и касательных напряжений, преодолевающих предел текучести (для пластичных материалов) или обеспечивающих разрушение/дробление (для хрупких). Ключевые механизмы: сжатие, продольный поток, трение на захват и тягование. ⚙️

Для полимеров и резин важна вязкоупругость и релаксация: температура валков и скорость существенно влияют на распределение толщины и ориентацию макромолекул. Для пищевых масс (шоколад, пасты) помимо геометрии учитывают реологию и дегазацию. В вальцевании шва банки основой служит пластическое формование кромок крышки и корпуса с многоступенчатым загибом и обжатием, обеспечивающим механическое и иногда клеевое уплотнение.

Области применения

• Металлургия: горячая и холодная прокатка листа, полосы, прутков и профилей; правка и калибрование.
• Полимерная и резиновая индустрия: каландрирование плёнок, ламинатов, пропитка тканей, изготовление ремней и шинных полуфабрикатов.
• Пищевая отрасль: рафинирование шоколада, вальцевание солода и зерна, раскатка тестовых лент.
• Судо- и энергомашиностроение: вальцевание (раскатка) труб в трубных досках теплообменников.
• Тара и упаковка: вальцевание (seaming) жестяных банок, аэрозольных баллонов.
• Целлюлозно-бумажная промышленность: каландры для сглаживания и глянцевания бумаги 📏.

Оборудование и конфигурации валков

1. Двухвалковые (дуо) станы и каландры — простота, высокая доступность; применяются в резиносмесителях, в лаборатории, на рафинировочных машинах.
2. Четырёхвалковые (кварто) и многовалковые клети — повышенная жёсткость системы, лучшее удержание зазора при больших усилиях, характерны для тонкого листа.
3. Каландры с подогревом/охлаждением валков — управление температурным профилем, глянец, адгезия слоёв.
4. Сеамеры (вальцовочные машины для банок) — многоручьевые ролики для поэтапного формования шва.
5. Трубораскатчики — расширение труб в отверстиях трубных решёток за счёт роликового инструмента.
6. Специализированные вальцы: рифлёные (для зерна), эластомерные покрытые валки (для деликатных плёнок).

Параметры процесса и их влияние

Параметр	Сущность	Типичные диапазоны	Влияние на результат
Зазор между валками	Расстояние в линии контакта	Мкм—мм	Толщина, степень деформации, стабильность геометрии
Скорость окружная	Линейная скорость поверхности валков	0.1—30 м/с	Производительность, теплообразование, дефекты потемнения/пережога
Дифференциал скоростей	Отношение скоростей ведущего/ведомого	1.0—1.4	Сдвиг и растягивание, ориентирование структуры, смешение
Температура валков	Подогрев/охлаждение валков	10—250 °C	Вязкость массы, глянец, адгезия слоёв
Сила/давление в зоне	Усилие деформации	кН—МН	Глубина деформации, уплотнение, риск микротрещин
Коронность валка	Микропрофиль по ширине	0—200 мкм	Компенсация прогиба, поперечная равномерность
Смазка/раскаточные среды	Эмульсии, масла, водоэмульсии	0.5—10% эмульсии	Снижение трения, охлаждение, чистота поверхности
Жёсткость стана	Деформация опорной системы	10^7—10^9 Н/мм	Удержание размера, повторяемость
Чистота/шероховатость валков	Материал и обработка поверхности	Ra 0.02—1.6 мкм	Глянец, адгезия, риск накатки дефектов
Тензометрический контроль	Обратная связь по усилию/натяжению	100—2000 Н/мм	Стабилизация толщины и натяжения полосы

Виды вальцевания и технологические особенности

Металлургическое вальцевание (прокатка)

Горячая прокатка ведётся выше температуры рекристаллизации, что снижает сопротивление деформации и позволяет получать крупные обжатия; холодная — для повышения точности, прочности (наклёп) и качества поверхности. Контроль коронности, натяжения, плоскостности и температуры — базовые задачи современного стана. Автоматические системы AGC/AFC управляют толщиной и профилем в режиме реального времени для миллиметровых и субмиллиметровых допусков.

Каландрирование полимеров и резин

Каландры с 3–5 валками формуют плёнки, листы и ламинаты с точным контролем толщины и поверхности. Важен температурный градиент: «тёплый» валок повышает текучесть и адгезию, «холодный» фиксирует размер и глянец. Используются релиз-покрытия валков (хром, керамика, композиты) для предотвращения прилипания. Для резин — дозирование сажи и масел, диспергирование наполнителей, выравнивание кромок, получение «сквозняка» в шинной заготовке.

Рафинирование и пищевые процессы

Многовалковые рафинировочные машины доводят шоколадную массу до тонкости 15–25 мкм, управляя ощущением таяния и реологией. Баланс сдвига и температуры предотвращает «пережог» сахара и развитие нежелательных ароматов. Для солода и зерна применяют рифлёные валки, щадящее раскрытие оболочки повышает фильтруемость затора и выход экстракта.

Вальцевание шва (seaming) и герметизация

Процесс формирует двойной или тройной шов банки роликами по двум переходам: первичное загибание кромок и окончательное обжатие с уплотнением. Критические параметры — высота/ширина замка, прижатие, отсутствие «рыбьего глаза» и сквозных морщин. Применяется онлайн-контроль разрушающим и неразрушающим методом (микросечения, измерение высоты и плотности шва). ⚙️

Раскатка труб в трубных досках

Роликовые развальцовки механически расширяют трубу до плотного контакта с отверстием трубной решётки; допускается комбинированное уплотнение с последующей сваркой. Правильная степень расширения предотвращает утечки и усталостные трещины. Важны смазки, соосность, контроль эллипсности и остаточных напряжений.

Качество, дефекты и контроль

• Геометрические отклонения: клиновидность, поперечная «бочкообразность», волнистость кромок — корректируются коронностью валков и системой натяжения.
• Поверхностные дефекты: накатка рисок от загрязнённых валков, «апельсиновая корка», пригар; решаются дифференциальной скоростью, чистотой и смазкой.
• Структурные эффекты: наклёп, текстура, анизотропия; управляются температурой и схемой обжатий.
• Упаковочные швы: недопрогиб, морщины, «шпоры»; исправляются регулировкой роликов, повышением точности банки и крышки.
• Полимерные плёнки: «neck-in», разнос толщины по кромкам; устраняются профилированием зазора и активным охлаждением.

Онлайн-измерение толщиномерами (рентген, лазер), камерное зрение, акустический контроль шва и тензодатчики сокращают вариабельность и риск брака, обеспечивая прослеживаемость партии.

Безопасность и экология

Опасности: защемление в зоне валков, горячие поверхности, аэрозоли смазок, пыль и шум. Меры: ограждения, аварийные линейные «шнуры-стоп», блокировки, системы отсоса и фильтрации, тепловая изоляция, контроль ЛВЖ. Для пищевых и фармосред применяется CIP-мойка, нержавеющие материалы, дизайн без застойных зон ♻️.

Экологические аспекты включают оборотные СОЖ, микрофильтрацию эмульсий, рекуперацию тепла, снижение удельного расхода электроэнергии через приводные системы с регенеративным торможением. Замена минеральных масел на синтетические биоразлагаемые смазки и точечная подача уменьшают выбросы и отходы.

Экономика, устойчивость и цифровизация

Производительность и OEE зависят от качества валков, стабильности зазора, времени переналадки и логистики заготовок. Цифровые близнецы и модели редукции позволяют прогнозировать усилия, крутящий момент и нагрев при смене сортамента, что сокращает пробные проходы и расход материала. В системах Industry 4.0 применяется поток данных от датчиков вибрации, температуры и нагрузки для предиктивного обслуживания: по подписи вибраций диагностируют биения и «яйцевидность» валков, по термопрофилю — забой эмульсии и неравномерное охлаждение. Интеграция MES/SCADA даёт сквозную прослеживаемость от плавки или партии полимера до готового рулона или банки.

Проектирование технологического режима

Подбор схемы обжатий начинается с требуемой конечной геометрии и механических свойств, рассчитывают распределение деформации по проходам и предельные усилия. Важно учитывать упругое восстановление (springback) — для холодной прокатки и полимеров корректируют целевой зазор. Для каландров балансируют скорость и температуру, чтобы сохранить оптические свойства и минимизировать остаточные внутренние напряжения. В сеаминге подбирают профили роликов для материала банки (жесть, алюминий) и толщины лака, обеспечивая герметичность при минимальном риске растрескивания лака и коррозии.

Примеры применений и практические советы

• Тонкая сталь: используйте комбинированную коронность (механическую + гидравлическую) и активный контроль плоскостности; следите за чистотой эмульсии — микрочастицы неметаллических включений переносятся на поверхность.
• ПВХ-плёнка: держите температурный профиль с градиентом 10–20 °C между валками; релиз-покрытие снижает риск прилипания и «телефонирования» рисунка валка.
• Шоколад: тонкость 18–20 мкм часто оптимальна для баланса таяния и вязкости; избегайте перегрева выше 60 °C на последних валках, чтобы не потерять летучие ароматы.
• Солод: рифление с меньшей глубиной и увеличенным расстоянием — для сохранения оболочки и лучшей фильтрации сусла.
• Трубная раскатка: контролируйте коэффициент расширения 6–10% по диаметру отверстия; применяйте калибры для проверки овальности после операции.

С учётом разнообразия материалов и целей, вальцевание остаётся гибким инструментом инженерии: от масштабных станов горячей прокатки до компактных настольных каландров лабораторий 🏭.

Часто задаваемые вопросы по смежным темам

Чем отличается вальцевание от прессования и экструзии? 🧪

Вальцевание использует две и более вращающиеся поверхности для создания локальной зоны деформации со стабильным зазором; материал протягивается и формуется в плоские или лентовые изделия, швы и оболочки. Прессование создаёт давление на всю площадь контакта между штампами без непрерывного протяга, что лучше для объемных деталей. Экструзия проталкивает материал через калибр — профиль получается непрерывным, но управление поверхностным глянцем и тонкостенной геометрией иное. Вальцы обеспечивают точный контроль толщины и поверхности, легко масштабируются по ширине и интегрируются в линии ламинирования. Для вязкоупругих и слоистых материалов каландрирование бывает предпочтительнее, так как позволяет в одном проходе соединять слои и задавать текстуру.

Как выбрать материал и покрытие валков для разных задач?

Для холодной прокатки стали типичны высокохромистые закалённые валки с индукционной закалкой поверхности и возможным хромированием для износостойкости. Для каландров полимеров применяют шлифованные и полированные валки с хромом, никелем или керамикой для коррозионной стойкости и релиз-эффекта. В пищевой отрасли распространены нержавеющие стали AISI 304/316 с высокой чистотой поверхности и санитарными требованиями. Эластомерные накатные валки (EPDM, полиуретан) применяются как прижимные, уменьшая риск повреждения деликатных плёнок. При абразивных нагрузках (зерно, наполненные смеси) полезны твёрдосплавные наплавки и нитроцементация; важно согласовать твердость пары валков, чтобы износ был предсказуемым и не приводил к «телефонированию» рисунка.

Какие методы онлайн-контроля толщины и профиля используются и чем они отличаются?

Рентгеновские и изотопные толщиномеры обеспечивают высокую точность и работают через материал, но требуют радиационной безопасности и калибровок. Лазерные триангуляционные системы бесконтактны, хороши для прозрачных или непроводящих плёнок, однако чувствительны к колебаниям и пыли. Системы распределённого давления (load cells) по краям и в середине полосы позволяют регулировать коронность и натяжение в замкнутом контуре. Камеры и оптические линии следят за кромочным «neck-in» и волнистостью, автоматически корректируя приводы изгиба валков. Для сеаминга применяют измерение высоты/ширины шва и акустическую эмиссию, фиксируя дефекты в режиме реального времени.

Как организовать обслуживание валков и продлить срок службы оборудования?

Планируйте регулярное шлифование и восстановление коронности по фактической карте износа, а не по календарю; используйте вибродиагностику для раннего обнаружения биений. Следите за чистотой и качеством СОЖ: дегазация, фильтрация и поддержание pH сокращают коррозию и микропиттинг. Контролируйте соосность и параллельность валков прецизионными средствами (лазерные системы, индикаторы с эталонными валками). Поддерживайте температурный режим подшипников и правильную преднатяжку — перегрев ускоряет деградацию смазки. Обновляйте уплотнения и шланги с учётом химической совместимости, а при длительных остановках консервируйте поверхности ингибиторами коррозии.

Как рассчитать экономический эффект от внедрения AGC/AFC и предиктивной аналитики?

Сначала измерьте исходные метрики: вариабельность толщины и профиля, долю брака, межоперационные холостые проходы и перерасход материала на «перестраховочные» припуски. Внедрение AGC/AFC обычно снижает стандартное отклонение толщины в 1.5–3 раза, позволяя уменьшить целевую толщину на 1–3%, что даёт прямую экономию металла или полимера. Предиктивная аналитика сокращает незапланированные простои благодаря раннему обслуживанию валков и приводов, добавляя 1–5% к OEE. Косвенные эффекты — снижение энергозатрат на передел из-за брака, улучшение качества поверхности, повышение удовлетворенности клиентов. Для обоснования используйте пилоты на одной линии, моделируйте сценарии и фиксируйте KPI на горизонте 3–6 месяцев для сравнения с базой.