กระบวนการตีขึ้นรูปเย็น: หลักการ ข้อดี การใช้งาน และเทคโนโลยีหลัก

การตีขึ้นรูป (Forging) คือกระบวนการผลิตที่ใช้แรงอัดกับชิ้นงานโลหะแข็ง ทำให้เกิดการเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) และขึ้นรูปใหม่ให้เป็นไปตามรูปแบบที่ต้องการ ต่างจากการหล่อ (การเทโลหะหลอมเหลว) หรือการกลึง (การเอาเนื้อโลหะออก) การตีขึ้นรูปจะทำให้โครงสร้างเกรนของโลหะละเอียดขึ้นขณะที่ไหล ส่งผลให้คุณสมบัติเชิงกลมีความสม่ำเสมอและมีความแข็งแรงสูงขึ้น ซึ่งมักจะเหนือกว่าชิ้นส่วนหล่อหรือกลึงที่ทำจากวัสดุเดียวกัน

การตีเหล็กโดยทั่วไปจะแบ่งตามอุณหภูมิในการแปรรูปเป็น 3 ประเภท:

• การตีขึ้นรูปเย็น:ดำเนินการที่อุณหภูมิห้องจนถึงขีดจำกัดล่างของอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะ (ไม่มีการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง)
• การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน:ดำเนินการเหนืออุณหภูมิห้องแต่ต่ำกว่าการตกผลึกใหม่ (โดยทั่วไป 300–800°C) โดยรักษาสมดุลระหว่างความแม่นยำและความพยายามในการเสียรูป
• การตีขึ้นรูปร้อน:ดำเนินการเหนืออุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะ (เช่น เหล็ก 800–1,250°C, โลหะผสมทองแดง 700–800°C)

1.0คำจำกัดความหลักและลักษณะเฉพาะของการตีขึ้นรูปเย็น

การตีขึ้นรูปเย็น หรือที่รู้จักกันในชื่อการขึ้นรูปเย็น เป็นกระบวนการขึ้นรูปที่แม่นยำซึ่งดำเนินการที่อุณหภูมิห้องหรือต่ำกว่าเกณฑ์การตกผลึกใหม่ (เช่น เหล็ก <400°C, อลูมิเนียม 100–200°C, ทองแดง 200–300°C) ภายใต้แรงดันสูงจากชุดแม่พิมพ์ (โดยทั่วไปคือ 500–2000 MPa) โลหะจะเกิดการไหลแบบพลาสติก ผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างและขนาดตามต้องการโดยแทบไม่มีเศษวัสดุหลุดออก กระบวนการนี้อาศัยการเสียรูปพลาสติกที่อุณหภูมิต่ำเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกับรูปร่างสุทธิ

คุณลักษณะที่สำคัญ ได้แก่:

• ช่วงอุณหภูมิที่กำหนด:ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง การขึ้นรูปทำได้ที่อุณหภูมิห้องหรือใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง แรงเสียดทานอาจทำให้อุณหภูมิของโลหะสูงขึ้นเล็กน้อยถึง 250–300°C แต่ยังคงต่ำกว่าระดับการตกผลึกใหม่
• การเสียรูปแรงดันสูง:เครื่องอัดแบบกลไกหรือไฮดรอลิกจะใช้แรงกดตามแนวแกนหรือแนวรัศมี เพื่อบังคับให้อะตอมเรียงตัวใหม่ตามแนวโพรงแม่พิมพ์ กระบวนการนี้เป็นไปตามหลักการคงตัวของปริมาตร (สูญเสียมวลหรือปริมาตรน้อยที่สุด)
• ความแม่นยำสูงและพื้นผิวที่ละเอียด:ความแม่นยำของมิติสามารถเข้าถึง IT6–IT9 (ค่าความคลาดเคลื่อน ±0.01–±0.1 มม.) ค่าความหยาบผิวอาจต่ำถึง Ra 0.4–3.2 ไมโครเมตร ซึ่งมักจะช่วยลดหรือขจัดความจำเป็นในการตัดเฉือนรอง เช่น การเจาะหรือการเจียร
• การใช้ประโยชน์ของวัสดุสูง:อัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุจะอยู่ที่ 85–95% ซึ่งสูงกว่าการตัดเฉือนแบบดั้งเดิม (50–70%) มาก ซึ่งช่วยลดเศษวัสดุได้อย่างมาก

2.0หลักการทำงานของการตีขึ้นรูปเย็น

แก่นแท้ของการตีขึ้นรูปเย็นคือการไหลของโลหะที่อุณหภูมิต่ำ โดยทั่วไปกระบวนการนี้ประกอบด้วยสามขั้นตอนสำคัญ:

• การเตรียมบิลเล็ต:
  • วัตถุดิบ:เลือกโลหะที่มีความเหนียว เช่น ลวดเหล็กหรือแท่งเหล็ก (โดยทั่วไปคือ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ อะลูมิเนียม หรือโลหะผสมทองแดง) ตัดเป็นแท่งโลหะที่มีความยาวคงที่
  • การบำบัดพื้นผิว:ใช้การบำบัดเมื่อจำเป็น เช่น การฟอสเฟตและการทำสบู่ สำหรับเหล็ก หรือสารเคลือบหล่อลื่นแบบแข็งสำหรับอะลูมิเนียม เพื่อลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างโลหะและแม่พิมพ์ (ให้ต่ำกว่า 0.05) ซึ่งจะช่วยลดการสึกหรอของแม่พิมพ์และปรับปรุงการไหลของโลหะ
• การกดแม่พิมพ์:
  • วางแท่งโลหะลงในช่องแม่พิมพ์ที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำ และใช้แรงดันสูงโดยใช้เครื่องอัดเชิงกลหรือไฮดรอลิก
  • โลหะจะค่อยๆ เติมเต็มโพรงแม่พิมพ์ โดยเปลี่ยนจากแท่งโลหะเป็นชิ้นส่วนที่มีรูปร่างเกือบเหมือนตาข่าย
  • สำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน จำเป็นต้องมีขั้นตอนการขึ้นรูปหลายขั้นตอน (เช่น การขึ้นรูปก่อน → การขึ้นรูปขั้นสุดท้าย) วิธีนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงการเสียรูปมากเกินไปในขั้นตอนเดียว (โดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่ ≤50%) ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวได้
• หลังการประมวลผล:
  • การคลายเครียด:การตีขึ้นรูปเย็นทำให้เกิด การทำให้งานแข็งแกร่งขึ้น (เพิ่มความแข็งแรงและความแข็ง แต่ความเหนียวลดลง) ชิ้นส่วนบางชิ้นต้องผ่านการอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำ (เช่น เหล็กที่ถูกให้ความร้อนถึง 200–300°C) เพื่อคืนสภาพพลาสติก
  • การดำเนินการเสร็จสิ้น:สำหรับส่วนประกอบที่มีค่าความคลาดเคลื่อนต่ำมาก อาจใช้การกดละเอียด การขัดเงา หรือกระบวนการรองอื่นๆ เพิ่มเติม เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของมิติและคุณภาพพื้นผิวให้ดียิ่งขึ้น

อ่านแนะนำ：อธิบายกระบวนการตีขึ้นรูป: ประเภทและเทคนิค

3.0ข้อดีและข้อจำกัดของการตีขึ้นรูปเย็น

จุดแข็งและจุดอ่อนของการตีขึ้นรูปเย็นเชื่อมโยงโดยตรงกับคุณสมบัติการขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำ การเปรียบเทียบมีดังนี้:

4.0กระบวนการตีขึ้นรูปเย็นหลัก 8 กระบวนการและการใช้งานในอุตสาหกรรม

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการขึ้นรูปโลหะ การตีขึ้นรูปเย็นจึงได้พัฒนาเป็นกระบวนการเฉพาะทางหลายกระบวนการ แต่ละกระบวนการได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความต้องการเฉพาะด้านการขึ้นรูป โดยมีเป้าหมายร่วมกันคือการบรรลุการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงโดยใช้กระบวนการตัดเฉือนรองน้อยที่สุดหรือไม่ต้องตัดเฉือนเลย  

การอัดรีด:

• หลักการ:แท่งโลหะจะต้องถูกกดดันด้วยแรงดันสูงมาก (สูงถึง 20,000 kN หรือประมาณ 2,007 ตัน) โดยดันโลหะให้ผ่านช่องเปิดของแม่พิมพ์เพื่อสร้างโปรไฟล์ชิ้นส่วน จากนั้นจึงตัดตามความยาวที่ต้องการในภายหลัง
• ประเภทย่อย:
  • การอัดรีดไปข้างหน้า:โลหะไหลในทิศทางเดียวกันกับแรงกดที่ใช้ เหมาะสำหรับชิ้นส่วนยาวทึบ (เช่น เพลา)
  • การอัดรีดแบบย้อนกลับ:โลหะจะไหลในทิศทางตรงข้ามกับแรงกดที่ใช้ ใช้กับชิ้นส่วนที่มีฐานหนา เช่น ปลอกหรือถ้วยลูกปืน
  • การอัดรีดด้านข้าง:แรงกดจะถูกใช้ในแนวตั้งฉากกับแกนหลัก โดยเพิ่มคุณสมบัติรอง เช่น รูด้านข้างหรือซี่โครง
• การใช้งาน:มีประสิทธิภาพในการขึ้นรูปชิ้นส่วนที่มีหน้าตัดซับซ้อน เช่น เฟืองหลายฟันและท่อกลวง

5.0การเลือกน้ำมันหล่อลื่นเป็นกระบวนการสนับสนุนที่สำคัญในการตีขึ้นรูปเย็น

แม้ว่าการตีขึ้นรูปเย็นจะดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง แต่กระบวนการต่างๆ เช่น การดัดและการอัดขึ้นรูปจะทำให้เกิดความร้อนจากแรงเสียดทาน ดังนั้น น้ำมันหล่อลื่นจึงเป็นสิ่งจำเป็นในการรักษาเสถียรภาพของกระบวนการ ป้องกันข้อบกพร่อง และยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์

• ฟังก์ชั่น:ลดข้อบกพร่องในการขึ้นรูป ลดการติดขัด และปรับปรุงอายุการใช้งานของเครื่องมือ
• ประเภททั่วไป:
  • สารเคลือบเคมี:ซิงค์ฟอสเฟต ฟอสเฟต แคลเซียมอะลูมิเนต อะลูมิเนียมฟลูออไรด์ (เหมาะสำหรับเหล็กและอะลูมิเนียม โดยสร้างชั้นป้องกันการสึกหรอ)
  • สารหล่อลื่นโพลีเมอร์/ของแข็ง:สารเคลือบโพลีเมอร์ชนิดต่างๆ สารหล่อลื่นกราไฟต์ และประเภทที่ไม่มีกราไฟต์ (กราไฟต์ให้การหล่อลื่นที่มีประสิทธิภาพสูง ส่วนสารเคลือบที่ไม่มีกราไฟต์นั้นนิยมใช้สำหรับการใช้งานที่ต้องการความสะอาดสูง เช่น ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์)
• หลักการคัดเลือก:ต้องปรับแต่งให้เหมาะกับประเภทของโลหะ (เช่น เหล็กใช้สบู่ฟอสเฟต อลูมิเนียมใช้สารหล่อลื่นแบบแข็ง) และประเภทของกระบวนการ (เช่น การอัดรีดต้องใช้สารหล่อลื่นที่ทนแรงดันสูง การขึ้นรูปต้องใช้สารหล่อลื่นที่มีแรงเสียดทานต่ำ) กระบวนการที่ซับซ้อนอาจต้องใช้สูตรสารหล่อลื่นเฉพาะ

6.0การใช้งานทั่วไปของการตีขึ้นรูปเย็น

ด้วยความแม่นยำ ประสิทธิภาพ และการประหยัดวัสดุ การตีขึ้นรูปเย็นจึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมที่ส่วนประกอบต่างๆ ต้องได้มาตรฐานความแม่นยำและความแข็งแรงระดับสูง เฉพาะอุตสาหกรรมยานยนต์มีสัดส่วนชิ้นส่วนตีขึ้นรูปเย็นมากกว่า 60%

7.0ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการตีขึ้นรูปเย็นและการตีขึ้นรูปร้อน

การตีขึ้นรูปเย็นและการตีขึ้นรูปร้อนมีความแตกต่างกันโดยพื้นฐานในด้านอุณหภูมิในการขึ้นรูป ลักษณะการเสียรูป ความแม่นยำที่ทำได้ และการใช้งานที่เหมาะสม การเปรียบเทียบมีดังนี้:

8.0เทคโนโลยีหลักในการตีขึ้นรูปเย็น

การนำการตีขึ้นรูปเย็นไปใช้อย่างประสบความสำเร็จนั้นอาศัยเทคโนโลยีหลัก 3 ประการที่กำหนดคุณภาพชิ้นส่วนและประสิทธิภาพการผลิตโดยตรง:

การออกแบบและการผลิตแม่พิมพ์:

• วัสดุแม่พิมพ์:ใช้เหล็กกล้าเครื่องมือความแข็งแรงสูง เช่น Cr12MoV หรือ DC53 ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนสุญญากาศเพื่อให้ได้ความแข็งระดับ HRC 58–62 ทำให้แม่พิมพ์สามารถทนต่อแรงดันสูงได้
• การออกแบบโพรง:ต้องมีการจำลองการไหลของโลหะเพื่อป้องกันการพับ การแตกร้าว หรือข้อบกพร่องอื่นๆ สำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน จะมีการใช้ฟิลเล็ตแบบเปลี่ยนผ่านเพื่อนำทางการเติมที่สม่ำเสมอในโพรงแม่พิมพ์

เทคโนโลยีการหล่อลื่น:

• วัตถุประสงค์หลัก:รักษาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างโลหะและแม่พิมพ์ให้ต่ำกว่า 0.05 เพื่อลดการสึกหรอและยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์
• วิธีแก้ปัญหาทั่วไป:ส่วนประกอบเหล็กโดยทั่วไปจะผ่าน ฟอสเฟต + สบู่ การบำบัดด้วยฟิล์มฟอสเฟตที่ดูดซับชั้นสบู่ ส่วนประกอบอะลูมิเนียมเคลือบด้วยสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง เช่น โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MoS₂)

การคัดเลือกวัสดุและการบำบัดเบื้องต้น:

• ข้อกำหนดด้านวัสดุ:โลหะที่มีความเหนียวดีและอัตราส่วนผลตอบแทนต่อแรงดึงต่ำเป็นที่ต้องการ เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (10#, 20#) เหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำ (20Cr, 40Cr) อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ (1060) และทองเหลือง (H62)
• ก่อนการรักษา:เหล็กกล้าคาร์บอนสูงและโลหะผสมสูงต้องการ การอบแบบทรงกลม ก่อนการตีขึ้นรูปเพื่อลดความแข็ง ปรับปรุงความเหนียว และป้องกันการแตกร้าวระหว่างการเสียรูป

9.0กระบวนการตีขึ้นรูปเย็น: คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

Q1: ความแตกต่างหลักระหว่างการตีขึ้นรูปเย็นและการตีขึ้นรูปร้อนคืออะไร?

A1: การตีขึ้นรูปเย็นจะดำเนินการที่อุณหภูมิห้องหรือต่ำกว่าจุดตกผลึกใหม่ของโลหะ ซึ่งทำให้ได้ความแม่นยำเชิงมิติสูงและผิวสำเร็จที่ยอดเยี่ยม การตีขึ้นรูปร้อนซึ่งดำเนินการที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดตกผลึกใหม่ จะทำให้ได้การเสียรูปมากขึ้นโดยใช้แรงน้อยลง แต่โดยทั่วไปแล้วต้องใช้การกลึงรองเพื่อความแม่นยำ

คำถามที่ 2: วัสดุใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการตีขึ้นรูปเย็น?

A2: การตีขึ้นรูปเย็นจะได้ผลดีที่สุดกับโลหะที่มีความเหนียว เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ อะลูมิเนียม ทองแดง และโลหะผสมของโลหะเหล่านี้ วัสดุเปราะ เช่น เหล็กหล่อ ไม่เหมาะ

ไตรมาสที่ 3: ข้อดีที่ใหญ่ที่สุดของการตีขึ้นรูปเย็นคืออะไร?

A3: ความแม่นยำสูง (IT6–IT9) พื้นผิวเรียบ (Ra 0.4–3.2 μm) ประหยัดวัสดุ (ใช้ประโยชน์ได้ถึง 95%) และใช้พลังงานต่ำ (เพียง 1/5–1/10 ของการตีขึ้นรูปร้อน)

ไตรมาสที่ 4: ข้อจำกัดหลักของการตีขึ้นรูปเย็นคืออะไร?

A4: ต้นทุนแม่พิมพ์สูง ตัวเลือกวัสดุมีจำกัด ความเหนียวลดลงเนื่องจากการทำงานทำให้แข็งตัว และมีรูปร่างที่ซับซ้อนซึ่งมักต้องใช้ขั้นตอนการตีขึ้นรูปหลายขั้นตอน

Q5: อุตสาหกรรมใดที่การตีขึ้นรูปเย็นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด?
A5: ภาคยานยนต์ครองส่วนแบ่งตลาดสูงสุด (มากกว่า 60% ของชิ้นส่วน) รองลงมาคือภาคอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักร เครื่องมือช่าง และการผลิตอุปกรณ์หนัก

 

อ้างอิง

https://www.iqsdirectory.com/articles/forging/cold-forging.html

https://www.tfgusa.com/cold-forging/#FAQs

https://www.fictiv.com/articles/hot-forging-vs-cold-forging

https://www.forcebeyond.com/cold-forging/

https://ecenarro.com/blog-en/from-machining-to-cold-forging/