สรุปหลักการและกระบวนการขึ้นรูปโลหะ (Metal Forming Principles)

หลักการขึ้นรูปโลหะ (Principle of Metal Forming)

• ประเภทของการขึ้นรูปโลหะ สามารถแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มหลัก ได้แก่:

  • Bulk Deformation Process (กระบวนการขึ้นรูปโลหะก้อน):

    • Hot-working process (การขึ้นรูปร้อน): กระบวนการที่ทำเหนืออุณหภูมิการเกิดผลึกใหม่

    • Cold-working process (การขึ้นรูปเย็น): กระบวนการที่ทำต่ำกว่าอุณหภูมิการเกิดผลึกใหม่

  • Sheet Metal Working (การขึ้นรูปโลหะแผ่น):

    • วัตถุดิบอาจอยู่ในรูปของ Metal Sheets (แผ่น), Metal Strips (แถบโลหะ), หรือ Metal Coils (ขดม้วนโลหะ)

• กระบวนการหลักประกอบด้วย:

  • Rolling (การรีด): การลดความหนาโดยผ่านลูกรีด

  • Forging (การทุบขึ้นรูป): การใช้แรงกดหรือแรงกระแทกในแม่พิมพ์

  • Extrusion (การกดอัด): การบังคับให้โลหะไหลผ่านช่องแม่พิมพ์

  • Drawing (การดึง): การดึงโลหะผ่านรูแม่พิมพ์เพื่อลดขนาดหน้าตัด

• เงื่อนไขสำคัญ: โลหะต้องสามารถเปลี่ยนรูปถาวรได้ (Deformed plastically) โดยไม่เกิดการแตกหัก (Fracturing)

กระบวนการขึ้นรูปโลหะเป็นก้อน (Bulk Deformation Processes)

• นิยาม: คือการทำงานในการผลิตที่เหนี่ยวนำให้เกิดการเบี่ยงเบนหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของชิ้นงาน ผ่านการเปลี่ยนรูปพลาสติก (Plastic deformation) ภายใต้แรงที่กระทำโดยเครื่องมือและแม่พิมพ์ (Tools and dies)

• การจำแนกประเภท: กระบวนการขึ้นรูปสามารถจัดกลุ่มได้ตามปัจจัยต่างๆ ดังนี้:

  • อุณหภูมิที่ใช้ (Temperature)

  • ขนาดและรูปร่างของชิ้นงาน (Size and shape)

  • ประเภทของการทำงาน (Type of operation)

การทดสอบสมบัติทางกลและการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด

• การทดสอบแรงดึง (Tensile Test):

  • ใช้เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างแรงและทิศทางของวัสดุ

  • Engineering Stress (ความเค้นเชิงวิศวกรรม):         $\sigma = \frac{F}{A_0}$

  • Engineering Strain (ความเครียดเชิงวิศวกรรม):         $\epsilon = \frac{l - l_0}{l_0}$

• True Stress และ True Strain (ความเค้นและความเครียดจริง):

  • ใช้สำหรับการวิเคราะห์ในการขึ้นรูปโลหะเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

  • True Stress ($\sigma_t$):         $\sigma_t = \frac{F}{A}$

  • True Strain ($\epsilon_t$):         $\epsilon_t = \int_{l_t}^{l} \frac{dl}{l} = \ln(\frac{l}{l_0}) = \ln(\frac{A_0}{A})$

• พฤติกรรมของวัสดุในการขึ้นรูป (Material Behavior):

  • ความสัมพันธ์ของความเค้นไหล (Flow Stress, $Y$) สามารถเขียนได้ในรูปของสมการ:         $Y = K \epsilon^n$

  • เมื่อ $K$ คือสัมประสิทธิ์ความแข็งแรง (Strength coefficient) และ $n$ คือเลขชี้กำลังการแข็งตัว (Strain-hardening exponent)

ข้อมูลสมบัติทางกลของโลหะบริสุทธิ์ในสภาพอบอ่อน (Annealed Condition)

• อะลูมิเนียม (Aluminium): ความแข็งแรงจุดคราก $28\,MPa$, ความต้านแรงดึง $69\,MPa$, ความเหนียว ($\%$ การยืดตัว) $45\%$

• ทองแดง (Copper): ความแข็งแรงจุดคราก $69\,MPa$, ความต้านแรงดึง $200\,MPa$, ความเหนียว $40\%$

• เหล็กกล้า (Steel): ความแข็งแรงจุดคราก $130\,MPa$, ความต้านแรงดึง $262\,MPa$, ความเหนียว $45\%$

• นิกเกิล (Nickel): ความแข็งแรงจุดคราก $138\,MPa$, ความต้านแรงดึง $480\,MPa$, ความเหนียว $40\%$

• ไทเทเนียม (Titanium): ความแข็งแรงจุดคราก $450\,MPa$, ความต้านแรงดึง $520\,MPa$, ความเหนียว $25\%$

• โมลิบดินัม (Molybdenum): ความแข็งแรงจุดคราก $565\,MPa$, ความต้านแรงดึง $655\,MPa$, ความเหนียว $35\%$

รายละเอียดกระบวนการขึ้นรูปก้อนโลหะ

• จุดประสงค์ของการขึ้นรูปชิ้นงาน (แท่งทรงกระบอก, หน้าตัดสี่เหลี่ยม, แผ่นหนา):

  • เพื่อให้ได้รูปร่างทางเรขาคณิตเฉพาะเจาะจง

  • เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกล (Mechanical properties)

  • เพื่อเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐศาสตร์

• การเลือกอุณหภูมิ:

  • การขึ้นรูปเย็นและอุ่น: ใช้เมื่อชิ้นงานมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างน้อย ต้องการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและพื้นผิวที่ดี

  • การขึ้นรูปร้อน: ใช้เมื่อชิ้นงานมีขนาดใหญ่หรือมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างสูง (Massive deformation)

• การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาค:

  1. Cast microstructure: โครงสร้างเริ่มต้นจากการหล่อ

  2. Deformed elongated grains: เกรนยืดตัวตามทิศทางการไหลจากการขึ้นรูป

  3. Recrystallized microstructure: เกรนเกิดใหม่ที่สม่ำเสมอหลังผ่านกระบวนการร้อน

ระบบการรีด (Rolling Processes)

• ปัจจัยในการรีด:

  • ขนาดพิกัดของชิ้นงาน

  • ความเร็วและมุมของลูกรีด

  • แรงที่กระทำ

• สูตรการคำนวณการรีด:

  • ความลดความหนาสูงสุด (Maximum Draft):         $(h_o - h_f) = \mu^2 R$

  • แรงในการรีด (Rolling Force):         $F = LwY_{avg}$

  • กำลังงาน (Power):         ${Power\,(kW)} = \frac{2 \pi FLN}{60,000}$         ${Power\,(hp)} = \frac{2 \pi FLN}{33,000}$

• รายละเอียดอุปกรณ์เตาอบ ( furnace):

  • ประเภท: 6 Zones walking beam furnace (2 ชุด)

  • หัวเผา: 36 Radiant burners และ 45 Longitudinal burners

  • กำลังผลิต: $275\,tons/hour/furnace$

  • ขนาดชิ้นงาน (Slab): หนา $160-255\,mm$, กว้าง $750-1,550\,mm$, ยาว $4,300-10,800\,mm$

  • อุณหภูมิขาออก (Exit temperature): $1,250^{\circ}C$

  • แหล่งพลังงาน: Fuel oil

• ข้อผิดพลาดในงานรีดแผ่นเรียบ (Defects in Flat Rolling):

  • Wavy edges: ขอบแผ่นเป็นลื่น wave

  • Zipper cracks: รอยแตกบริเวณกลางแผ่น

  • Edge cracks: รอยแตกที่ขอบ

  • Alligatoring: การแยกตัวของแผ่นโลหะตามแนวความหนาคล้ายปากจระเข้

การทุบขึ้นรูป (Forging)

• นิยาม: กระบวนการเปลี่ยนรูปโลหะโดยถูกอัดอยู่ระหว่างแม่พิมพ์สองตัว โดยใช้แรงกระแทกหรือเพิ่มความดันช้าๆ

• ประเภทของกระบวนการทุบ:

  • Open-die forging (แม่พิมพ์เปิด): ชิ้นงานเปลี่ยนรูปได้อย่างอิสระด้านข้าง

  • Impression-die/Closed-die forging (แม่พิมพ์ปิด/กึ่งปิด): โลหะไหลเต็มช่องแม่พิมพ์ อาจเกิดครีบ (Flash)

  • Flashless forging (ไร้ขอบ): โลหะถูกบังคับให้อยู่ในช่องแม่พิมพ์สนิทโดยไม่มีเนื้อเกิน

• สมบัติเฉพาะในการทุบ:

  • Fullering: การรีดให้ชิ้นงานเล็กลงในบางช่วง

  • Edging: การจัดรูปทรงขอบ

  • Cogging: การลดขนาดหน้าตัดของแท่งโลหะยาว

• สิ่งบกพร่องในงานทุบ (Forging Defects):

  • มีสาเหตุมาจากรัศมีส่วนโค้ง (Fillet radius) เล็กเกินไป ทำให้โลหะไม่ไหลเข้ามุม

  • Cold shuts: เกิดจากโลหะพับซ้อนกันเองขณะไหล

  • Voids: รูพรุนที่เกิดจากทิศทางการไหลไม่สมบูรณ์

กระบวนการผลิตสลักเกลียวความแข็งแรงสูง (High Strength Screw)

1. วัตถุดิบ: เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางเส้นลวด

2. การเตรียม: ต้องผ่านการอบอ่อน (Annealing) ก่อนนำมาขึ้นรูป

3. การขึ้นรูปหัว (Heading): เป็นการทุบหัวสลักให้ได้รูปทรง

4. การรีดเกลียว (Thread Rolling): ใช้ลูกรีดรีดเกลียวเพื่อความแข็งแรงของเกรนโลหะ

5. กระบวนการสุดท้าย: นำไปชุบแข็ง (Hardening) และอบคืนตัว (Tempering) เพื่อให้ได้ค่าความแข็งแรงตามข้อกำหนด