Кольцераскатка в условиях автоматизированного производства

УДК 621.735.34

Антонюк, В. Е. Кольцераскатка в условиях автоматизированного производства / В. Е. Антонюк, П. А. Пархомчик, В. В. Рудый ; Национальная академия наук Беларуси, Объединенный институт машиностроения. – Минск : 
Беларуская навука, 2021. – 245 с. – ISBN 978-985-08-2692-3.

В коллективной монографии изложены основные положения процесса деформирования 
колец при осуществлении процесса кольцераскатки и средств моделирования при разработке 
технологий кольцераскатки. Дается информация о возможностях кольцераскатки при изготовлении заготовок для крупногабаритных подшипников, дисков турбин, колец ветроустановок, 
бандажей, опорных колец и специальных зубчатых колес, широко используемых в транспортном машиностроении, авиационной, космической и петрохимической промышленности. Особое внимание уделено особенностям использования кольцераскатки в условиях автоматизированного производства при изготовлении кольцевых заготовок с различными параметрами по 
форме поперечного сечения, габаритам, материалам и жесткости. Сформулированы требования к средствам технологического программного моделирования и системам программного 
управления при создании автоматизированных кольцераскатных линий. Приводится информация о зарубежных компаниях, которые изготавливают и поставляют оборудование для кольцераскатных производств. Намечены пути повышения коэффициента использования материала, 
снижения энергозатрат и ухода от экспорта заготовок для белорусского машиностроения при 
использовании возможностей создаваемых в Беларуси автоматизированных кольцераскатных 
производств. 
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников отрасли машиностроения, а также для преподавателей, аспирантов и студентов машиностроительных специальностей.
Табл. 80. Ил. 221. Библиогр.: 89 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор В. А. Томило,
доктор физико-математических наук, профессор В. А. Кукареко,
доктор технических наук, профессор В. Л. Басинюк

ISBN 978-985-08-2692-3 
© Антонюк В. Е., Пархомчик П. А., 
    Рудый В. В., 2021
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2021

ВВЕДЕНИЕ

Беларусь – страна высокоразвитого машиностроения, располагающего 
комплексами замкнутого производственного цикла от заготовительного производства до сборки и покраски. Повышение коэффициента использования 
материала является актуальной задачей для белорусского машиностроения, 
и этим требованиям отвечают современные технологии кольцераскатки. 
Производство заготовок бесшовных колец – одно из старейших кузнечных 
производств, оно востребовано при изготовлении большой номенклатуры деталей автомобилестроения, железнодорожного подвижного состава, авиационной и космической промышленности, подшипников, техники для энергетики, ветросиловых установок и петрохимической промышленности. Ассортимент деталей, изготавливаемых кольцераскаткой, непрерывно расширяется 
как по геометрическим параметрам, так и по применяемым материалам. К настоящему времени освоен процесс кольцераскатки деталей с наружным диаметром до 15 м, высотой до 3,5 м и массой до 30 т.
Программы выпуска колец могут достигать сотен тысяч для подшипников и нескольких штук для специфических машин. В связи с такими требованиями оборудование для производства колец должно обладать высокой 
гибкостью и универсальностью. Немаловажную роль при производстве колец 
играет стоимость энергозатрат и значение коэффициента использования материала. Необходимо также учитывать изменение свойств материала при изготовлении кольца, так как правильно выбранные режимы деформирования 
кольца обычно повышают прочность и долговечность детали, при неправильно выбранных режимах ухудшается структура материала, нарушается расположение волокон, что обязательно приводит к ухудшению физико-механических свойств детали.
В последние годы техника для изготовления колец оснащается современными системами адаптивного управления и системами ЧПУ, которые позволяют непрерывно контролировать и корректировать процесс кольцераскатки 
с учетом свойств каждого конкретного кольца. В результате достигается высокая окончательная точность кольца, улучшаются физико-механические свойства материала. Использование современных возможностей кольцераскатки 
позволяет целенаправленно и гарантированно обеспечивать повышенные 
прочностные показатели деталей, имеющих форму колец.

Отечественное машиностроение пока недостаточно использует современные технологии и оборудование для кольцераскатки, хотя в Беларуси изготавливается достаточно большое количество деталей, имеющих форму колец, 
гильз и дисков. Среди них подшипники Минского подшипникового завода, 
коронные шестерни планетарных передач Минского тракторного, Минского 
автомобильного, Белорусского автомобильного заводов и Минского завода колесных тягачей, специальные подшипники Белорусского автомобильного завода. Общее количество изготавливаемых деталей, имеющих форму кольца, 
только на этих заводах составляет свыше 100 наименований при годовой программе около 160 000. Для изготовления этих колец используется ежегодно 
около 12 000 т высоколегированных сталей. Коэффициент использования металла составляет около 0,6, и при изготовлении этих колец образуется свыше 
4000 т стружки. 
Зарубежное машиностроение для изготовления кольцевых заготовок 
успешно использует кольцераскатные комплексы с ЧПУ, которые обеспечивают высокую и стабильную точность, минимальные припуски под последующую обработку, позволяют легко переналаживаться на изготовление различных типов колец, учитывают свойства материала колец и с помощью программного обеспечения корректируют режимы раскатки. Полученные таким 
образом заготовки колец не имеют дефектов, брак при последующей обработке полностью исключается. Детали, полученные из кольцераскатных заготовок, как правило, имеют повышенные механические свойства.
К настоящему времени Минским подшипниковым заводом введена в экс
плуатацию кольцераскатная линия производства компании Muraro S. p. A. 
(Италия) с максимальным диаметром изготавливаемых колец до 600 мм, Белорусским автомобильным заводом прорабатывается возможность закупки 
автоматизированной кольцераскатной линии с максимальным диаметром изготавливаемых колец до 3000 мм. Можно прогнозировать, что в ближайшем 
будущем все изготавливаемые в Беларуси детали, имеющие форму колец, будут обрабатываться из заготовок, которые будут получены методом кольцераскатки на современных кольцераскатных комплексах.
В настоящее время в Германии, Италии, Швеции, Румынии, Бельгии, Испании, России и Украине работает более 30 кольцераскатных производств. Но 
из этих производств только две линии являются автоматизированными, причем специализированными на узком диапазоне заготовок для подшипников – 
компании OVAKO (Швеция) и Минского подшипникового завода.
Автоматизированный кольцераскатный комплекс – сложное и дорогое 
техническое решение, поэтому одним из важнейших условий эффективной 
эксплуатации комплекса является использование технологий с достижением 
оптимальных параметров изготавливаемых колец по соотношению точности 
и затрат на достижение этой точности. 
Автоматизированная линия имеет точно заданные параметры, в связи 
с этим технологические параметры производства кольцевых заготовок в усло

виях автоматизированной линии должны быть адаптированы к эксплуатационным параметрам оборудования автоматизированной линии. 
В автоматизированной линии выполняются операции резки, нагрева, пластического деформирования на прессе и кольцераскатном стане, операции 
перемещения, контроля, охлаждения, маркирования. В температурном диапазоне кольцевые заготовки находятся от 1250 °С до холодного состояния  
60 °С и подвергаются деформированию как в процессе обработки, так и в процессе перемещения и охлаждения. По конфигурации кольцевые заготовки могут иметь форму дисков, колец и гильз, по сечению профиля предполагается 
преимущественно использовать прямоугольный профиль, но закладываются 
требования и для изготовления колец со сложным профилем на наружном 
и внутреннем диаметрах. По габаритам колец на автоматизированной линии 
планируется изготавливать кольца с наружным диаметром до 3000 мм, высотой до 400 мм и массой до 2500 кг.
Существенной особенностью автоматизированной линии для изготовления кольцевых заготовок является требование управления всем технологическим процессом с применением современных средств программного 
управления без особого вмешательства операторов, которым отводится роль 
наблюдателей, и только при необходимости возможно вмешательство в технологический процесс изготовления. В связи с этим требованием возникает 
необходимость обеспечения средствами программного управления всех операций автоматизированной линии, включая подачу штанг со склада проката, резку, взвешивание, маркировку отрезанных заготовок, подачу заготовок 
на склад заготовок или основной нагрев, управление нагревом, управление 
очисткой от окалины, подачу на пресс и управление прессовыми операциями, 
а также, при необходимости, дополнительный нагрев, подачу на кольцераскатку, управление кольцераскаткой, контроль горячего кольца и маркировку горячего кольца после кольцераскатки, управление калиброванием горячего 
кольца и управление охлаждением до состояния холодного кольца с последующим контролем холодного кольца и складированием готовых колец.
В результате должна быть создана централизованная система управления, 
включающая управление всем оборудованием автоматизированной линией 
с одного центрального пульта управления.
В настоящее время в мировой практике кольцераскатки не имеется кольцераскатных комплексов, которые по своему составу и техническим параметрам соответствовали бы техническим требованиям автоматизированной 
кольцераскатной линии для Белорусского автомобильного завода.
Общение с зарубежными компаниями, поставляющими кольцераскатное 
оборудование, показало, что даже имеющийся у них опыт эксплуатации кольцераскатного оборудования является ноу-хау этих фирм и не раскрывается 
в том числе для покупателей этого оборудования. Проведенный анализ отечественных и зарубежных источников информации по методам получения кольцевых заготовок показывает, что для решения этой проблемы необходима не 

только закупка современного оборудования, но и разработка научных основ 
технологии кольцераскатки применительно к создаваемым в Беларуси автоматизированным кольцераскатным комплексам.
В Беларуси не было кольцераскатных производств и соответствующего 
опыта проектирования технологических процессов кольцераскатки. Опыт запуска в производство кольцераскатной линии на Минском подшипниковом 
заводе подтвердил необходимость самостоятельной разработки технологических параметров производства колец применительно к специфическим условиям поставленной автоматизированной линии [8].

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОЛЬЦЕРАСКАТКИ

1.1. Область использования кольцераскатки

Кольцераскатка широко используется в автомобилестроении, авиационной, космической и петрохимической промышленности, при изготовлении крупногабаритных подшипников, дисков турбин, колец ветроустановок, 
специальных зубчатых колес. Отдельной областью кольцераскатки является 
производство цельных колес и колесных дисков для скоростных поездов, локомотивов, железнодорожных вагонов, трамваев и поездов метро.

Объем производства заготовок бесшовных колец достигает 16 % от общего объема производства кузнечных заготовок, только в Германии было произведено свыше 2 млн т заготовок колец с использованием кольцераскатки [86]. 
На рис. 1.1 представлена диаграмма использования технологий кольцераскатки в различных областях производства. Как видно из диаграммы, наибольшими потребителями продукции, получаемой кольцераскаткой, являются автомобилестроение и транспортное машиностроение.
Радиальная кольцераскатка известна с 1889 г. [75]. Использование кольцераскатки в первую очередь было связано с производством железнодорожных 
колес [83]. На рис. 1.2 представлена приводная железнодорожная тележка, 
в которой используются детали, изготовленные кольцераскаткой.

Рис. 1.1. Диаграмма использования кольцераскатки в отраслях машиностроения

Рис. 1.2. Приводная железнодорожная тележка

Рис. 1.3. Авиационный двигатель

С использованием кольцераскатки изготавливается ряд деталей авиационных двигателей (рис. 1.3) [43]. 
Начиная с 1970 г. процессы и машины для кольцераскатки используют системы ЧПУ, что послужило созданием принципиально нового типа кольцераскатных машин [54]. Одновременно проводился ряд исследований процесса 
кольцераскатки, что послужило развитием и созданием систем управления 
процессом кольцераскатки на основе современной компьютерной техники [33, 
35, 36, 39, 45].
К типовой продукции кольцераскатки и близкой к ней колесопрокатки 
относятся кольца подшипников качения, фланцы, в том числе специальные 
фланцы для ветровых установок, бандажи, зубчатые колеса, детали сосудов, 
работающих при высоком давлении, в том числе для атомных электростанций, диски железнодорожных колес и т. д.
В связи с высокой гибкостью технологического оборудования для кольцераскатки и обеспечением высочайших требований к прочности и точности 

получаемых изделий кольцераскатка широко используется в подшипниковой 
промышленности, авиа- и космической промышленности, нефтяной, газовой 
и химической промышленности, авто- и тракторостроении, производствах 
энергетических установок.

1.2. Процессы пластического деформирования

В основе процесса кольцераскатки лежит пластическое деформирование, 
и при разработке технологий кольцераскатки используются основные положения пластического деформирования материалов [6, 12, 15, 16, 28, 29, 34]. 
Помимо возможности изготовления деталей сложной формы, пластическое 
деформирование позволяет с высокой точностью и высокими механическими 
свойствами создавать ответственные детали машиностроения. Процесс пластического деформирования начинается с теплового преобразования свойств 
материала, для чего используются различные виды нагрева и соответственно 
оборудования. Пластическое деформирование нагретого материала осуществляется на различных типах кузнечно-прессового оборудования, но обязательным условием выполнения этой операции является соблюдение условий 
течения материала без образования трещин и внутренних напряжений. При 
правильном выборе схемы течения материала и соотношения усилий деформирования и пластичности можно достичь существенного улучшения структуры материала и механических свойств изготавливаемой детали. Наиболее 
перспективными процессами пластического деформирования являются процессы с многократным нагружением, к которым относятся радиальная и радиально-осевая кольцераскатки. При осуществлении кольцераскатки деформирование и течение материала аналогично процессу прокатки.
Основные положения теории пластического деформирования при прокатке были разработаны в начале ХХ в. При расчете течения материала в процессе кольцераскатки используются основные положения теории пластического 
деформирования материала: система дифференциальных уравнений, трехмерная система равновесия сил, критерий текучести, отношения главных напряжений.
При кольцераскатке происходят процессы, которые можно описать также 
на основе гидродинамической теории прокатки для получения картины распределения давления и скорости течения материала в зоне деформирования 
кольца. На рис. 1.4 представлена схема распределения скоростей деформирования при прокатке слябов, однако только в общем виде, пока не найдено аналитическое решение этой задачи. Вместе с тем для практического использования получены достаточно хорошо аппроксимируемые зависимости [29].
Особенностью современных процессов пластического деформирования 
является создание кинематически сложных систем и схем деформирования 
деталей с целью сокращения зоны деформирования и, соответственно, снижения усилий деформирования (рис. 1.5) [34].

Начало 
деформирования

Окончание 
деформирования

Рис. 1.4. Распределение скорости деформирования при прокатке слябов

а
б
в
г

Рис. 1.5. Развитие схем пластического деформирования с сокращением зоны деформирования: 
а – обкатка роликом; б – сферодвижущая раскатка; в – кольцераскатка; г – радиально-осевая 
прокатка валов

Результат создания таких схем – многократное приложение нагрузок, 
вследствие чего снижаются усилия для установок пластического деформирования и затраты на изготовление деталей с использованием пластического деформирования. 
К таким процессам относятся радиальная и радиально-осевая прокатка 
валов (рис. 1.6) и кольцераскатка, при использовании которых можно реализовать преимущества пластического деформирования с сокращением зоны 
деформирования и достичь экономии материала около 20 % по сравнению 
с обычными процессами получения заготовок валов и колец [34].

1

2

3

Рис 1.6. Радиально-осевая прокатка валов: 1 – механизм радиального деформирования вала; 
2 – вал; 3 – механизм вращения и перемещения вала