กระบวนการปั๊มเข้ารูปโลหะแผ่น (sheet Metal Stamping Process)
ดร.ฉัตรชัย จันทร์เด่นดวง
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
โลหะแผ่น (sheet metal) ถูกนิยามด้วยอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อความหนาสูง ถ้าความหนามากกว่า 6 มิลลิเมตร จะเรียกว่าเพลท (plate) โลหะแผ่นมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ดังนั้นชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะแผ่นจะมีน้ำหนักเบาและแข็งแรง การขึ้นรูปโลหะแผ่นจะเกี่ยวข้อกับการเปลี่ยนรูป (deformation) ด้วยการพับหรือดัด (bending) และ/หรือการยืด (stretching) การปั๊ม (stamping) ซึ่งเป็นวิธีการขึ้นรูปเย็น (cold-working) ของโลหะแผ่นด้วยแม่พิมพ์และเครื่องกด (press) แม่พิมพ์จะเป็นตัวกำหนดรูปร่างและขนาดของชิ้นงานสำเร็จ ซึ่งประกอบด้วยสองส่วนคือพันซ์ (punch) หรือแม่พิมพ์ และดาย (die) หรือแม่พิมพ์ตัวเมีย โดยปกติพันซ์จะอยู่ด้านบน มีขนาดเล็กกว่าดาย มีรูปร่างคล้ายดายและจะเป็นตัวเคลื่อนที่เข้าหาดาย เมื่อพั้นซ์และดายประกบกันจะมีช่องว่างเกิดขึ้น ช่องว่างนี้จะถูกกำหนดโดยชนิดและความหนาของแผ่นโลหะชิ้นงานและวิธีการขึ้น รูป พั้นซ์และดายจะถูกติดตั้งใยดายเซ็ท (die set) โดยดายจะติดอยู่ที่ฐานล่าง (lower die shoe ) และพั้นซ์ติดอยู่กับฐานบน (upper die shoe) ดายเซ็ททำหน้าที่นำพั้นซ์และดายให้เคลื่อนที่เข้าประกบกันอย่างถูกต้อง ดายเซ็ทจะถูกนำไปติดตั้งบนเตรื่องกด (press machine) โดยส่วนของดายจะยึดติดอยู่ด้านล่างและพั้นซ์จะยึดติดอยู่ด้านบน
ภาพที่ 1 ดายเซ็ทพร้อมแม่พิมพ์ [1]
ข้อได้เปรียบของกระบวนการปั๊ม (Advantages of Stamping Process)กระบวนการปั๊มขึ้นรูปมีข้อได้เปรียบเหนือกว่ากระบวนการอื่นๆ เช่น การหล่อ (casting) การทุบขึ้นรูป (forging) และการกัดแต่ง (machining) ดังนี้
1. สมารถขึ้นรูปชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนที่ผลิตด้วยวิธีอื่นได้ยาก
2. ไม่จำเป็นต้องตกแต่งชิ้นงานหลังการปั๊ม
3. ขนาดของชิ้นงานปั๊มทุกชนิดเท่ากัน สามารถเปรียบกันได้ในงานประกอบ
4. สมบัติทางกลเพิ่มขึ้น เช่น ควมแข็งแรง เป็นต้น
5. ชิ้นงานมีน้ำหนักเบามาก
6. อัตราการผลิตสูง
ภาพที่ 2 ตัวอย่างการปั๊มชิ้นงาน [2]
กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั๊ม (Stamping Process)
กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั๊มขึ้นรูปโลหะแผ่นมีหลายกรรมวิธี แต่แบ่งได้เป็น 3 กรรมวิธีพื้นฐานหลัก คือ 1. การตัดเฉือน (shearing) ซึ่งแบ่งเป็นการปั๊มเจาะ (blaking) และการตัดเจาะรู (piercing) 2. การตัด (bending) หรือการขึ้นรูป (forming) และ 3. การลากขึ้นรูป (drawing) นอกจากนี้ยังมีกรรมวิธีดังเดิมอื่นๆ เช่น การปั๊มนูน (embossing) การปั๊มจม (coining) การบีบอัด (swaging) การฝานขอบ (shaving) และการตัดขอบ(trimming) การผลิตชิ้นงานโลหะแผ่นจะต้องใช้หลายกรรมวิธีที่กล่าวมาแต่ไม่จำเป็นต้องใช้ กรรมวิธีทั้งหมด กรรรมวิธีที่กล่าวทั้งหทดมีลักษณะการทำงานดังนี้
1. Blanking เป็นขั้นตอนแรกที่จะต้องทำในการผลิต โดยจะเป็นการตัดแผ่นโลหะด้วยพั้นซ์และดายให้ได้รูปร่างตามที่ต้องการ แผ่นโลหะที่ตัดออกมานี้จะนำไปผ่านกรรมวิธีอื่นเพื่อผลิตเป็นชิ้นงานต่อไป
2. Piercing โดยทั่วไปเป็นขั้นตอนที่ต่อจาก blanking โดยจะตัดแผ่นโลหะให้เป็นรูตามตำแหน่งที่ต้องการบางครั้ง blanking และ piercing สามารถทำพร้อมกันได้ในขั้นตอนเดียว ข้อแตกต่างระหว่าง blanking และ piercing จะใช้แผ่นโลหะที่ตัดออกมาด้วยพั้นซ์และดายเป็นชิ้นงาน ส่วน piercing จะใช้แผ่นโลหะที่ถูกตัดเป็นรูเป็นชิ้นงาน
3. Bending เป็นการตัดพื้นผิวระนาบของโลหะทำมุมกันตั้งแต่หนึ่งมุมขึ้นไปโดยความหนาของ แผ่นโลหะไม่เปลี่ยนแปลงและรัศมีการดัดจะต้องมากกว่าหรือเท่ากับความหนาของ แผ่นโลหะ
4. Drawing เป็นการสาลขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยพั้นซ์เข้าไปในโพรงของดายโดยปราศจากการยืดของ แผ่นโลหะ ดังนั้นช่องว่างระหว่างพั้นซ์และดายจะเท่ากับความหนาของแผ่นโลหะ
5. Embossing เป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นหลุมหรือปุ่มตื้นๆ โดยที่ความหนาไม่เปลี่ยนแปลง ปรกติทำแผ่นป่ายต่างๆ ที่มีตัวอักษรนูน
6. Coining เป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นลวดโดยการบีบอัดแผ่นโลหะในแม่พิมพ์ปิด ลวดลายทั้งสองด้านจะไม่เหมือนกันก็ได้ เช่น การทำเหรียญ
ภาพที่ 3 กรรมวิธี Coining และ Embossing [1]
7. Swaging เป็นการขึ้นรูปโลหะโดยการบีบอัดในแม่พิมพ์เปิด โลหะจะสามารถไหลผ่านแม่พิมพ์ออกมาได้อย่างอิสระ
8. Shaving เป็นการตัดแต่งขอบแผ่นโลหะผ่านการ blanking หรือ piercing มาแล้ว
9. Trimming เป็นการทำงานคล้าย blanking เพื่อตัดโลหะส่วนเกินออก วิธีนี้จะทำทีหลังสุดเมื่อแผ่นโลหะผ่านกรรมวิธีอื่นๆ มาแล้ว
ชนิดของแม่พิมพ์ (Types of Dies)
การแบ่งชนิดของแม่พิมพ์สามารถแบ่งตามกรรมวิธีเช่น แม่พิมพ์ดัด (bending die) หรือจะแบ่งตามวิธีการทำงาน ซึ่งแบ่งได้ดังต่อไปนี้
1. แม่พิมพ์ธรรม (simple die) เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานได้กรรมวิธีเดียวในการกดหนึ่งครั้ง เช่น blanking เป็นต้น
2. แม่พิมพ์ผสม (compound die) เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานตัด (shearing) ตั้งแต่สองกรรมวิธีขึ้นไปอยู่ในสถานีเดียวกันและสามารถทำงานได้พร้อมกันใน การกดหนึ่งครั้ง เช่นสามารถทำ blanking และ piercing ได้พร้อมกันในการกดหนึ่งครั้ง ดังนั้นในการกดหนึ่งครั้งจะได้ชิ้นงานซึ่งหลุดออกจากแถบโลหะ (strip) ที่ป้อนเข้าไป
ภาพที่ 4 แม่พิมพ์แบบ Compound Die[1]
3. แม่พิมพ์รวม (combination die) เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานเหมือน compound die นอกจากทำงานตัดแล้ว จะทำงานอย่างอื่นไปพร้อมกันได้ด้วยเช่น bending และ drawing เป็นต้น
4. แม่พิมพ์แบบลำดับ (progressive die) เป็นแม่พิมพ์ที่สามารถทำงานพร้อมกันได้ตั้งแต่สองกรรมวิธีขึ้นไป แตกต่างจาก compound die ตรงที่แต่ละกรรมวิธีจะอยู่แยกสถานีกัน ดังนั้นการออกแบบ progressive die จะง่ายกว่า compound die ชิ้นงานที่ถูกป้อนผ่านแต่ละสถานีด้วยระบบกลไกอัตโนมัติจะยังคงติดอยู่กับแถบ โลหะจนถึงสถานีสุดท้ายจึงจะหลุดออกมาเป็นชิ้นงานสำเร็จ
ภาพที่ 5 แม่พิมพ์แบบ Progressive Die[1]
5. แม่พิมพ์แบบชิ้นงานเคลื่อน (transfer die) เป้นระบบี่แตกต่างจาก progressive die ตรงที่ชิ้นงานเป็นชิ้นที่หลุดออกจากแถบโลหะแล้วจะถูกส่งผ่านแต่ละสถานีด้วย กลไลของก้านโยก (lever) หรือลูกเบี้ยว (cam) ที่สร้างขึ้นหรือติดตั้งบนเครื่องกด ระบบนี้ต้องการอุปกรณ์เพิ่มเช่น ตัวปลด (stripper) , เข็มกระทุ้ง (ejector pin) และ ตัวกันกระแทกแม่พิมพ์ (die cushion) เป็นต้น
ชนิดของเครื่องกด (Press Machines)
การแบ่งชนิดของเครื่องกดสามารถแบ่งได้หลายวิธีเช่น แบ่งตามแหล่งให้กำลัง แบ่งตามชนิดก้านกระทุ้ง (ram) แบ่งตามโครงสร้างของเครื่อง หรือแบ่งตามจุดมุ่งหมายในการทำงาน เป็นต้น แต่ในที่นี้จะแบ่งชนิดของเครื่องกดตามกลไลการถ่ายทอดกำลังให้แก่ก้าน กระทุ้ง ซึ่งสามารถแบ่งได้ดังนี้
1. กลไกแบบข้อเหวี่ยง (crank) เป็นระบบขับเคลื่อนที่ธรรมดาที่สุด ใช้ข้อเหวี่ยง ในจังหวะเคลื่อนที่ลงความเรว็วจะเพิ่มขึ้น ความเร็วจะสูงสุดที่กึ่งกลางของช่วงชัก (stroke) ส่วนมากการกดแม่พิมพ์จะเกิดขึ้นที่ความวเร็วสูงสุดนี้
2. กลไกแบบเยื้องศูนย์ (eccentric) จะเหมือนกับ crank แต่ช่วงชักจะสั้นกว่า และจะมีความแข็งแรงกว่า
3. กลไกแบบลูกเบี้ยว (cam) จะคล้ายกับ eccentric แต่จะใช้กับการเคลื่อนที่ของ ram ที่พิเศษตามความต้องการ
4. กลไกแบบเฟืองรางและเกียร์ (rank and gear) ใช้เมื่อต้องการช่วงชักที่ยาวมากๆ การเคลื่อนที่สม่ำเสมอแต่จะช้ากว่าแบบ crank จะมีตัวหยุดเพื่อควบคุมช่วงชักได้ และอาจจะติดตั้งอุปกรณ์ quick-return เพื่อให้ ram เคลื่อนที่กลับไปจุดตั้งตั้นได้อย่างรวดเร็ว
5. กลไกแบบไฮดรดลิก (hydraulic) ใช้ในเครื่องกดและงานต่างๆ มากมาย การคลื่อนที่ช้าแต่ให้แรงกดมาก เหมาะกับงาน forming และ drawing
6. กลไกแบบข้อต่อร่วม (knuckle joint) เป็นระบบที่นิยมใช้กันมากเนื่องจากความได้เปรียบทางกลสูงที่ระบบยืดสุดซึ่ง จะให้แรงกดสูง จึงเหมาะสำหรับการทำ coining และ sizing
7. กลไลแบบข้อศอก (toggle) ใช้ในการยึดแผ่นโลหะ (blank-holder) ในงาน drawing เป็นหลัก การออกแบบมีหลากหลายแต่จุดประสงค์หลักคือต้องยึดแผ่นโหละให้อยู่ในตำแหน่ง ได้อย่างเพียงพอ
8. กลไกแบบสกรู (screw) เป็นระบบขับเคลื่อนที่ใช้แผ่นจานเสียดทาน (friction disk) ขับล้อตุนกำลัง (flywheel) ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มาก ที่ระยะยืดสุดพลังงานที่สะสมที่ล้อตุนกำลังจะถ่ายทอดลงชิ้นงาน
ภาพที่ 6 แสดงกลไกของเครื่องกดชนิดต่างๆ [1]
เครื่องกดที่ใช้ระบบกลไกโดยใช้ flywheel ในการให้กำลังจะสามารถให้แรงกดได้ตั้งแต่ 20-6,000 ตันและช่วงชักได้ตั้งแต่ 5-500 มิลลิเมตรและมีความเร็วตั้งแต่ 20-1,500 ครั้งแต่นาที ระบบกลไกนี้จึงเหมาะกับงาน blanking และงาน drawing สำหรับเครื่องกดที่ใช้ระบบไฮดรอลิกในการให้กำลังสามารถสร้างแรงกดได้ ตั้งแต่ 20-10,000 ตัน ช่วงชักได้ตั้งแต่ 10-800 มิลลิเมตร ระบบไฮดรอลิกสามารถให้กำลังเต็มที่ได้ทุกระยะของช่วงชัก จึงเหมาะสำหรับงาน deep drawing และงานที่ใช้ combination die (blanking และ bending)
ลักษณะของชิ้นงานปั๊ม (Characteristics of Stamped Parts)
ชิ้นงานที่เกิดจากกระบวนการปั๊มจะมีความหนาของชิ้นงานคงที่สม่ำเสมอ (ยกเว้นบางกรณี) รูปร่างชิ้นงานมีได้แต่รูปร่างง่ายๆ ไปจนถึงรูปร่างที่ซับซ้อน ความหนาของชิ้นงานปั๊มอยุ่ในช่วงระหว่าง 0.025 มิลลิเมตร ถึง 20 มิลลิเมตร แต่โดยส่วนใหญ่มักอยู่ระหว่าง 1.3 มิลลิเมตร ถึง 9.5 มิลลิเมตร ขนาดของชิ้นงานปั๊มสามารถมีขนาดเล็กเท่าชิ้นส่วนนาฬิกาข้อมือไปจนถึงตัวถัง รถบรรทุกหรือเครื่องบิน ลักษณะของชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการปั๊มจะมีลักษณะที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
1. ขอบหนาม (burr-side) และรัศมีการตัด (cut radius) การตัดแผ่นโลหะด้วยวิธี blanking หรือ piercing จะเกิดลักษณะที่ขอบรอยตัดของแผ่นโลหะ ด้านหนึ่งขรุขระไม่เรียบเหมือนหนาม เรียกลักษณะนี้ว่า burr-side ส่วนขอบรอยตัดด้านตรงข้ามจะเกิดรัศมีการตัด หรือที่เรียกว่า rollover การแก้ไขสามารถทำได้โดยกรรมวิธี deburring
ภาพที่ 7 Burr และ Rollover ที่เกิดขึ้นในงานเจาะรู [3]
2. Concentricity เป็นการเยื้องกันเล็กน้อยของจุดศูนย์กลางของเส้นรอบรูปวงในและวงนอกซึ่งจะ เกิดขึ้นในทุกกระบวนการปั๊มยกเว้นการใช้ compound die ชิ้นงานจะยอมรับได้ถ้าค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกินค่าที่ระบุไว้
3. Flatness/Blanking Distortion เป็นการโก่งงอของชิ้นงานเล็กน้อยเนื่องจากความเค้นทีชอบของชิ้นงานจากแรงกด ปริมาณการโก่งงอจะเพิ่มขึ้นตามขนาดของพื้นที่ผิว ชนิดของวัสดุ ความหนา และรูปร่างของชิ้นงาน มีผลกระทบต่อการควบคุมความแบนราบ (flatness) และชนิดของแม่พิมพ์มากที่สุด compound die จะให้ชิ้นงานมีความแบนราบมากที่สุด
ข้อแนะนำในการออกแบบชิ้นงานปั๊ม (Design Recommendations)
การออกแบบชิ้นงานปั๊มที่ดีจะต้องใช้วัตถุดิบให้คุ้มค่ามากที่สุดและสามารถ ผลิตได้โดยไม่มีของเสียเกิดขึ้น ลำดับขั้นตอนการผลิตก็มีความสำคัญเช่นกัน กรรมวิธีที่ใช้ในการผลิตก็ยังมีข้อจำกัดในตัวเอง ข้อแนะนำในการออกแบบแยกเป็นแต่ละกรรมวิธีหลักได้ดังนี้
Blanking
- มุมมองชิ้นงานควรมีรัสมีอย่างน้อยเท่กับ 0.5 เท่าของความหนาของแผ่นโลหะและแผ่นโลหะต้องมีความหนาไม่น้อยกว่า 0.8 มิลลิเมตร
- ความกว้างของ slot และ Tab ควรมีค่ามากกว่า 1.5 คูณความหนาของแผ่นโลหะและความยาวต้องไม่เกิน 5 เท่าของความกว้าง
- หลีกเลี่ยงการปั๊มส่วนโค้งครึ่งวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับความกว้างของแผ่นโลหะ
ภาพที่ 8 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Blanking [2.5]
Piercing
-รูควรมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับหรือมากกว่าความหนาแผ่นโลหะ (หรือเท่ากับ 2 เท่าสำหรับเหล็กสเตน)
-ระยะห่างระหว่างนรูควรเท่ากับ 2 เท่าของความหนาแผ่นโลหะหรือมากกว่า
-ระยะห่างระหว่างรูกับชิ้นงานควรเท่ากับควมหนาแผ่นโลหะเป็นอย่างน้อย
ภาพที่ 9 ข้อแนะนำในกรรมวิธี piercing [2]
Bending
-แนวรอยพับควรตั้งฉากกับแนวเกรนของแผ่นโลหะ (แนวการกรีด) เพื้อป้องกันการแตกตามรอยพับ
-รูควรห่างจากรอยพับอย่างน้อยเท่ากับ 1.5 เท่าของความหนาแผ่นโลหะบวกกับรัศมีการพีบเพื่อป้องกันรูบิดเบี้ยว
-มุมการพับด้านในควรจะเท่ากับ 90 องศา
-การพับเป็นรูป Channel ความกว้างต่อความสูงอย่างน้อยควรเท่ากับ 2:1 และความกว้างควรเท่ากับ 3 เท่าของความหนาแผ่นโลหะเป็นอย่างน้อย
ภาพที่ 10 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Bending [2]
Drawing
-หลีกเลี่ยงผนังถ้วยที่เป็น Taper เพราะค่าใช้จ่ายสูงมากกว่าผนังตรง
-กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉพาะด้านในด้านในหรือด้านนอกเท่านั้นเพราะสามารถควบคุมขนาดได้ด้านเดียว
-หลีกเลี่ยงมุมแหลมที่ก้นถ้วย ควรมีรัศมีอย่างน้อย 4 เท่าของความหนาแผ่นโลหะ
-มุมของกล่องสี่เหลี่ยมควรมีรัศมีอย่างน้อย 0.25 เท่าของความลึกของกล่อง
ภาพที่11 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Drawing [2]
นอกจากข้อแนะนำในกรรมมวิธีการผลิตแล้ว การจัดวางชิ้นงานลงบนแผ่นโลหะก็มีความสำคัญที่จะช่วยลดเศษวัสดุลงได้ บางครั้งจำเป็นต้องแก้ไขแบบชิ้นงานใหม่โดยชิ้นงานยังคงทำหน้าที่ได้เหมือน เดิมแต่สามารภถประหยัดวัตถุดิบลงได้ดังภาพที่ 12 และในงานที่ต้องการความเที่ยงตรง ลำดับขั้นตอนการผลิตก็สามารถช่วยลดของเสียลงได้ ดังตัวอย่างในภาพที่ 13 ซึ่งต้องการให้รูอยู่ในแนวเดียวกัน
ภาพที่ 12 การจัดวางแลพการปรับเปลี่ยนแบบชิ้นงานเพื่อลดเศษวัสดุ [4]
ภาพ ที่ 13 (a) เจาะรูก่อนพับ, (b) พับก่อนแล้วเจาะรู, (c) เจาะรูก่อนแล้วพับโดยขยายรูใดรูหนึ่งให้กว้างขึ้น, (d) เจาะรูก่อนแล้วพับโดยมีรูยึดชิ้นงานในการพับ [2]
*หมายเหตุ งานเขียนชิ้นนี้ ได้รับการคุ้มครองสิทธิตามพระราชบัญญัติคุ้มครองสิทธิทางปัญญา โดยลิขสิทธิเป็นของผู้เขียน ที่ให้เกียรตินำเผยแพร่ผ่าน วิชาการ.คอม เรามีความยินดีและอนุญาตให้ทำซ้ำหรือเผยแพร่ต่อเพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น กรุณาให้เกียรติผู้เขียน โดยอ้างชื่อผู้เขียนและ วิชาการ.คอม (www.vcharkarn.com) ทุกครั้งที่ทำการเผยแพร่ต่อ ห้ามนำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อในสื่อที่เอื้อประโยชน์ทางธุรกิจก่อนได้รับอนุญาต ขอขอบคุณที่ร่วมกันช่วยสร้างให้สังคมไทยเป็นสังคมแห่งปัญญา
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น