เทคโนโลยีการขึ้นรูปโลหะ

เทคโนโลยีการขึ้นรูปโลหะ

การขึ้นรูปโลหะ เป็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างชิ้นงาน โดยการควบคุมการเปลี่ยนแปลง รูปร่างอย่างถาวร (Plastic Deformation) เพื่อให้ได้มาของรูปทรง คุณสมบัติวัสดุ และคุณสมบัติ ผิว โดยมวลและปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลง
เทคโนโลยีการขึ้นรูปโลหะแบ่งตามมาตรฐาน DIN 8582 ซึ่งขึ้นอยู่กับทิศทางของแรง กระทำได้ดังนี้
1. การขึ้นรูปภายใต้สภาวะการอัด (Compressive Condition)
2. การขึ้นรูปภายใต้สภาวะการดึง (Tensile Condition)
3. การขึ้นรูปภายใต้สภาวะการอัดและการดึง (Combined Compressive and Tensile Condition)
4. การขึ้นรูปภายใต้สภาวะการดัด (Bending Condition)
5. การขึ้นรูปภายใต้สภาวะการเฉือน (Shear Condition)

พื้นฐานการขึ้นรูปโลหะ (Basic Principle of Metal Forming)
กรรมวิธีการผลิตในภาค อุตสาหกรรม สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ตามมาตรฐาน DIN 8580 ซึ่งแบ่งประเภทได้ดังนี้
1. กรรมวิธีการขึ้นรูปเบื้องต้น (Primary Shaping) จากของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
2. กรรมวิธีการแยกส่วนของวัสดุ (Dividing) โดยปราศจากเศษวัสดุ
3. กรรมวิธีการต่อเชื่อม (Joining) โดยประกอบชิ้นงานหลายๆ ชิ้นเข้าด้วยกัน
4. กรรมวิธีการเคลือบผิว (Coating) การนำสารเคลือบชนิดต่างๆ มาเคลือบบนผิวชิ้นงาน เป็นชั้นบางๆ (Thin Layers)
5. กรรมวิธีการปรับปรุงสมบัติของวัสดุ (Modifying Material Property) เป็นการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุให้เหมาะสมกับสภาพการใช้งาน เช่น กรรมวิธี ทางความร้อน (Heat Treatment Processes)
6. กรรมวิธีการขึ้นรูป (Forming) เป็นกรรมวิธีการผลิต ชนิดงาน 3 มิติ เกิดการเปลี่ยนแปลง รูปร่างชนิดงานโดยยังคงลักษณะเป็น มวล (Mass) และการยึด เกาะเป็น กลุ่มก้อนของวัสดุ (Material Cohesion)

ทฤษฎีการงอ (Bending Theory)

ในการขึ้นรูปโลหะโดยการงอขึ้นรูปนั้น เราต้องให้แรงแก่ชิ้นงานทั้งนี้ เพื่อให้ชิ้นงานนั้นเปล่ียนรูปร่างอย่างถาวร ซึ่งแรงที่ให้แก่ชิ้นงานนั้นจะต้องไม่ทาให้ความเค้นที่เกิดข้ึนบนชิ้นงานมากกว่าความเค้นดึงสูงสุดของช้ินงานนั้น และจะต้อง ไม่น้อยกว่าจุดยืดหยุ่นจากัดของชิ้นงานนั้น
เมื่อเราให้แรงแก่ชิ้นงานเพื่อทาการงอจะปรากฏว่าความเค้นของช้ินงานท่ีเกิดข้ึนจะเริ่มจากบางจุดที่ต่ากว่า ความแข็งแรงสูงสุดของโลหะนั้น และความเค้นท่ีเกิดข้ึนนั้นจะแผ่กระจายไปยังส่วนต่างๆ ของช้ินงาน ซึ่งขณะที่แผ่กระจาย นั้น ความเค้นที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานก็จะค่อยๆ ลดลงด้วยจนถึงบริเวณที่ความเค้นที่เกิดข้ึนบนชิ้นงานเป็นศูนย์ ซ่ึงลักษณะการ เกิดความเค้นบนชิ้นงานแบบนี้ จะทาให้เกิดการบิดงอของชิ้นงานมากกว่าจะเกิดการฉีดขาด สาหรับการเปล่ียนแปลง รูปร่างอย่างถาวรของโลหะน้ันความเค้นที่เกิดข้ึนบนชิ้นงานจะต้องผ่านจุดยืดหยุ่นจากัดและจุดล้าตัวด้วย
เป็นการแสดงถึงการเกิดแรงท่ีใช้ในการงอบนดาย์ชนิดต่างๆ กัน สาหรับวี-ดาย์ (V-die) นั้นเราจะพบว่ามีการแผ่กระจาย ของแรงเกิดขึ้นมากที่สุด ส่วน ยู-ดาย (u-die) และวิปป้ิง-ดาย (Wiping-die) น้ันนิยมใช้ในการผลิตชิ้นงานมาก และยู-ดาย มักจะนิยมเรียกว่า ชาเน็ล ดาย (channel die)

การกระเด้งตัวกลับของชิ้นงาน (Spring back)
เมื่อได้ทาการงอชิ้นงานแล้วจะมีความเค้นเกิดข้ึนในบริเวณท่ีทาการงอ และความเค้นท่ีเกิดขึ้นน้ีจะมีความแตกต่าง กันคือไม่เหมือนกันทุกจุดซ่ึงจะเป็นผลทาให้เกิดการกระเด้งตัวกลับของช้ินงาน ความเค้นดึงจะเกิดขึ้นมากที่สุดที่ผิวหน้าด้าน นอกของการงอและจะค่อยๆ ลดลงเรื่อยๆ เมื่อระยะของช้ินงานเข้าใกล้เส้นศูนย์กลางของความหนา ซึ่งความเค้นที่เกิดขึ้นนี้ จะกลายเป็นศูนย์ท่ีเส้นแกนกลาง จากรูปที่ 8 เป็นการแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของความเค้นดึงและความเค้นอัดในบริเวณ ที่มีการงอจากรูปจะเห็นได้ว่าท่ีจุด 0 นั้น ความเค้นดึงจะมีค่าเป็นศูนย์ซึ่งจุดน้ีจะอยู่บนเส้นแกนกลาง และค่าความเค้นจะ เพ่ิมขึ้นมากเรื่อยๆ จนกระทั่งถึงจุด x ที่ผิวด้านนอกของชิ้นงานท่ีจุด x น้ีจะมีค่าความเค้นดึงเกิดมากที่สุด

เราจะเห็นได้ว่าบริเวณส่วนที่ใกล้กับเส้นแกนกลางนั้นจะมีความเค้นที่เกิดข้ึนต่ากว่าจุดยืดหยุ่น จากัด สาหรับโลหะส่วนนี้น้ันได้ถูกแสดงด้วยแถบเล็กๆ ที่เรียกว่าแถบยืดหยุ่น (elastic band) แถบเล็กๆ น้ีจะอยู่ท้ังสอง

ข้างของเส้นแกนกลาง โลหะที่อยู่ห่างไปจากแถบกลางของช้ินงานจะมีความเค้นเกิดข้ึนมากกว่าจุดความแข็งแรงล้าตัวของ ชิ้นงานนั้น และที่บริเวณนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงของโลหะอย่างถาวร เม่ือได้ทาการงอชิ้นงานแล้วและขณะที่ดึงเอาพันช์ ออกไปนั้น ส่วนที่เป็นแถบยืดหยุ่นเล็กๆ ก็จะพยายามดึงตัวกลับเข้าอยู่ในตาแหน่งเดิม แต่ก็ไม่สามารถจะดึงตัวกลับคืนได้ หมด เพราะว่ามีความต้านทานของส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงของโลหะอย่างถาวร ดังนั้นจึงมีการกระเด้งกลับเพียงเล็กน้อย เท่านั้นการที่โลหะกระเด้งตัวกลับนี้เรียกว่า “Spring back”

สาเหตุที่โลหะต้องกระเด้งกลับก็เพราะว่าต้องการให้อยู่ใน สภาวะสมดุลนั่นเอง สาหรับส่วนที่เป็นแถบยืดหยุ่นเล็กๆ นั้นจะเป็นตัวทาให้เกิดแรงของการกระเด้งกลับรอบจุด 0 ดังที่ แสดงไว้ในรูป ความจริงแล้วในช่วงของการเปล่ียนแปลงอย่างถาวรของโลหะ (plastic deformation) ก็ยังคงมีส่วนท่ีเป็น ความยืดหยุ่นปนอยู่เล็กน้อยซ่ึงส่วนนี้จะไปเพิ่มแรงในการกระเด้งตัวกลับให้มากขึ้น