Blog

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

กรรมวิธีการขึ้นรูป (Forming) หรือกระบวนการข้ึนรูปโลหะ (Metal Forming Process) หมายถึง กระบวนการ ผลิตประเภทหนึ่งที่เปล่ียนรูปร่างของวัตถุดิบ (Raw Material) ให้เป็น ผลิตภัณฑ์ (Product) หรือช้ินงานท่ีมีรูปร่างตาม ต้องการ โดยใช้แม่พิมพ์หรือเครื่องมือเฉพาะ (Die หรือ Forming Tool) ในการข้ึนรูปขณะที่วัตถุดิบอยู่ในสภาวะของแข็ง โดยไม่มีการเสียเศษ และไม่มี การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบภายในของวัสดุนั้น ๆ จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า งานขึ้นรูปโลหะ (Metal Forming Process) หรืองานเปลี่ยนรูปโลหะในช่วงการเปลี่ยนรูปถาวร (Metal Deformation Process หรือ Deformation Process
ประเภทของกระบวนการขึ้นรูปโลหะ
กระบวนการขึ้นรูปโลหะแบ่งเป็น 2 ประเภท โดยพิจารณาจากวัสดุเริ่มต้น ถ้าวัสดุเร่ิมต้นเป็นโลหะแผ่น จะเป็น กลุ่มกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่น (Sheet Metal Forming Process) และถ้าวัสดุเริ่มต้นมีลักษณะเป็นก้อน (Bulk Metal Forming Process) จะเป็นกระบวนการขึ้นรูปโลหะก้อน
กระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่น(Sheet Metal Forming Process) เช่นกระบวนการตัดเฉือน(Blanking Process) กระบวนการพับข้ึนรูป (Bending Process) และกระบวนการลากขึ้นรูปลึก (Deep Drawing Process) )

กระบวนการข้ึนรูปโลหะก้อน (Bulk Metal Forming Process) เช่น กระบวนการทุบขึ้น รูป (Forging Process) กระบวนการอัดรีดขึ้นรูป (Extrusion Process) และกระบวนการรีดขึ้นรูป

องค์ประกอบในการขึ้นรูปโลหะแผ่น

การทำงานและการผลิตชิ้นงานด้วยกระบวนการปั๊มโลหะ เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่สมบูรณ์ถูกต้องเที่ยงตรงตามความ ต้องการรวมถึงกระบวนการผลิตที่ดูแลรักษาง่ายไม่เกิดค่าใช้จ่ายสูงเกินไปอยู่ในขอบเขตท่ีควรจะเป็นจาเป็นต้องมีการดูแล เช่ือมโยงอย่างเป็นระบบโดยมีองค์ประกอบดังนี้
1. กลไกการเปลี่ยนรูปถาวรของวัสดุและการไหลตัวสภาวะความเค้นที่เกิดขึ้นในบริเวณต่างๆ เพื่อวางแผนการ ออกแบบแม่พิมพ์ให้มีประสิทธิภาพสามารถทานายตาแหน่งหรือโอกาสในการ เกิดความเสียหายขณะทาการขึ้นรูป เพ่ือหา แนวทางในการแก้ไขป้องกันเพ่ือให้ได้ช้ินงานที่สมบูรณ์
2. สมบัติของวัสดุเริ่มต้น องค์ประกอบทางเคมี ความแข็งแรงของวัสดุ ความสามารถในการ ไหลตัว ความแข็งแรง ท่ีเพ่ิมขึ้นในขณะข้ึนรูป (Work Hardening) สมบัติทางด้านทิศทางตามแนวรีดของวัสดุ สมบัติทางโลหะวิทยา รวมถึงการ ปรับปรุงโครงสร้างโดยใช้ความร้อน (Heat Treatment) ก่อนขึ้นรูปด้วย
3. สมบัติของวัสดุหลังการขึ้นรูป หมายถึง สมบัติทางกลลักษณะของผิวสาเร็จ ความเที่ยงตรงของขนาดในบางกรณี การเกิดความเครียดในเนื้อวัสดุอาจส่งผลต่อการนาไปใช้งาน จึงต้องคานึงถึงการปรับปรุงสมบัติด้วยความร้อนก่อนนำไปใช้
4. บริเวณผิวสัมผัสระหว่างช้ินงานและแม่พิมพ์ เป็นบริเวณที่เกิดความเสียดทานที่ต้านการไหลตัวของวัสดุ จึงควร มีความเข้าใจในศาสตร์ของการหล่อลื่นและศาสตร์ท่ีเกี่ยวข้องกับการปรับสภาวะผิวของแม่พิมพ์และชิ้นงาน รวมถึงการสึกหรอผิวของแม่พิมพ์ภายใต้สภาวะการปั้มโลหะด้วย
5. ความเข้าใจในกระบวนการทางานของแม่พิมพ์ ตัวแปรที่มีผลต่อความสาเร็จในการขึ้นรูปทาให้เกิดการออกแบบ ท่ีเหมาะสมในการใช้งานและซ่อมบารุงได้ง่าย รวมถึงความรู้ความเข้าใจที่ถูกต้องในการผลิตเพื่อให้เกิดความเค้นตกค้าง น้อยที่สุดและไม่ทาให้เกิดความเสียหายกับช้ินส่วนแม่พิมพ์ได้ง่าย
6. เครื่องปั้ม เป็นตัวส่งผ่านแรงในการประกบชุดแม่พิมพ์เข้าหากันเพ่ือขึ้นรูปช้ินงาน การเลือกใช้เคร่ืองป้ัมที่ เหมาะสม ความเข้าใจในกลไกการทางาน วิธีการติดตั้งแม่พิมพ์บนเครื่องปั๊มและการปรับตั้งเงื่อนไขต่างๆ ในการปั๊มโลหะ

กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั้ม (Stamping Process)
กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั๊มขึ้นรูปโลหะแผ่นมีหลายกรรมวิธี แต่แบ่งได้เป็น 3 กรรมวิธีพื้นฐานหลัก คือ
1. การตัดเฉือน (shearing) ซึ่งแบ่งเป็นการปั้มเจาะ(blaking) และการตัดเจาะรู (piercing)
2. การตัด (bending) หรือการ ขึ้นรูป (forming)
3. การลากขึ้นรูป (drawing) นอกจากนี้ยังมีกรรมวิธีดังเดิมอื่นๆ เช่น การปั๊มนูน (embossing) การ ปั้มจม(coining) การบีบอัด(swaging)การฝานขอบ(shaving) และการตัดขอบ(trimming) การผลิตชิ้นงานโลหะแผ่น จะต้องใช้หลายกรรมวิธีที่กล่าวมาแต่ไม่จาเป็นต้องใช้กรรมวิธีทั้งหมด กรรรมวิธีที่กล่าวทั้งหมดมีลักษณะการทางานดังนี้

1.1 Blanking เป็นขั้นตอนแรกที่จะต้องทาในการผลิต โดยจะเป็นการตัดแผ่นโลหะด้วยพั้นซ์และดายให้ได้รูปร่าง ตามที่ต้องการ แผ่นโลหะที่ตัดออกมานี้จะนาไปผ่านกรรมวิธีอื่นเพื่อผลิตเป็นชิ้นงานต่อไป

2.1 Piercing โดยทั่วไปเป็นขั้นตอนที่ต่อจาก blanking โดยจะตัดแผ่นโลหะให้เป็นรูตามตาแหน่งที่ต้องการบางครั้ง blanking และ piercing สามารถทาพร้อมกันได้ในขั้นตอนเดียว ข้อแตกต่างระหว่าง blanking และ piercing จะใช้แผ่น โลหะที่ตัดออกมาด้วยพั้นซ์และดายเป็นชิ้นงาน ส่วน piercing จะใช้แผ่นโลหะที่ถูกตัดเป็นรูเป็นชิ้นงาน

3.1 Bending เป็นการตัดพื้นผิวระนาบของโลหะทามุมกันตั้งแต่หนึ่งมุมขึ้นไปโดยความหนาของแผ่นโลหะไม่เปลี่ยนแปลงและรัศมีการดัดจะต้องมากกว่าหรือเท่ากับความหนาของแผ่นโลหะ

4.1 Drawing เป็นการสาลขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยพั้นซ์เข้าไปในโพรงของดายโดยปราศจากการยืดของแผ่น โลหะ ดังนั้นช่องว่างระหว่างพั้นซ์และดายจะเท่ากับความหนาของแผ่นโลหะ

5.1 Embossing เป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นหลุมหรือปุ่มตื้นๆ โดยที่ความหนาไม่เปลี่ยนแปลง ปกติทาแผ่น ป้ายต่างๆ ที่มีตัวอักษรนูน

6.1 Coiningเป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นลวดโดยการบีบอัดแผ่นโลหะในแม่พิมพ์ปิด ลวดลายทั้งสองด้านจะไม่ เหมือนกันก็ได้ เช่น การทำเหรียญ

7.1 Swaging เป็นการขึ้นรูปโลหะโดยการบีบอัดในแม่พิมพ์เปิด โลหะจะสามารถไหลผ่านแม่พิมพ์ออกมาได้อย่าง อิสระ

8.1 Shaving เป็นการตัดแต่งขอบแผ่นโลหะผ่านการ blanking หรือ piercing มาแล้ว
9.1 Trimming เป็นการทางานคล้าย blanking เพื่อตัดโลหะส่วนเกินออก วิธีนี้จะมาทีหลังสุดเมื่อแผ่นโลหะผ่านกรรมวิธีอื่นๆแล้ว