คู่มือกระบวนการโลหะแผ่น: การตัด การกัด การดัด และการดึงลึก

การแปรรูปโลหะแผ่นเป็นรากฐานสำคัญของการผลิตสมัยใหม่ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ อวกาศ ก่อสร้าง และเครื่องใช้ไฟฟ้า ความเข้าใจกระบวนการหลักๆ เช่น การตัด การกัด การดัด การดึง การปั๊มนูน และการขึ้นรูปโลหะ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรและผู้ผลิตที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์  

1.0การขึ้นรูปโลหะคืออะไร? 

การขึ้นรูปโลหะเกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปวัสดุโดยไม่ต้องนำวัสดุออก ซึ่งหมายความว่าไม่มีการสูญเสียวัสดุ แผ่นโลหะจะถูกดึงให้ตึงเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น แต่ยังคงต่ำกว่าความแข็งแรงสูงสุด ทำให้มั่นใจได้ว่าแผ่นโลหะจะมีรูปร่างใหม่ถาวร

การดำเนินการขึ้นรูปโลหะทั่วไป ได้แก่:

• การดัดงอ
• การวาดภาพ
• การปั้มนูน
• การก่อตัว
• การกรีดเหรียญ (เรียกอีกอย่างว่า การบีบ)

2.0การเฉือนคืออะไร? 

การตัดเฉือน (Shearing) คือกระบวนการที่ใช้ตัดแผ่นโลหะ แผ่นโลหะ หรือแท่งโลหะเป็นเส้นตรง ประกอบด้วย 3 ขั้นตอนหลัก ดังนี้

1. การเสียรูปพลาสติก
2. การแตกหัก (การแพร่กระจายของรอยแตก)
3. การเฉือน (การแยกวัสดุ)

เมื่อวางชิ้นงานโลหะระหว่างใบมีดด้านบนและด้านล่างของเครื่องตัดเฉือน และใช้แรงกด วัสดุจะเกิดการเสียรูปเชิงพลาสติกก่อน เมื่อแรงกดเพิ่มขึ้น รอยแตกจะเริ่มก่อตัวที่ขอบตัดของใบมีด รอยแตกเหล่านี้จะแพร่กระจายและมาบรรจบกัน ส่งผลให้วัสดุเกิดการเฉือน

เครื่องตัด—ตั้งแต่รุ่นที่ใช้มือไปจนถึงรุ่นไฮดรอลิกและเครื่องกล—ใช้เพื่อดำเนินกระบวนการนี้อย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่มีปริมาณมากหรือในอุตสาหกรรม

3.0Nibbling คืออะไร?

โดยทั่วไปแล้วการกัด (Nibbling) จะใช้แทนการปั๊มขึ้นรูป (Blank) ออกแบบมาเพื่อตัดชิ้นส่วนแบนจากแผ่นโลหะ และเหมาะสำหรับรูปทรงต่างๆ ตั้งแต่รูปทรงเรียบง่ายไปจนถึงรูปทรงที่ซับซ้อน กระบวนการนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนจำนวนน้อย

4.0การดัดคืออะไร?

การดัดเป็นกระบวนการที่แผ่นโลหะตรงถูกเปลี่ยนรูปร่างให้โค้งงอ ในระหว่างการดัด วัสดุจะต้องเผชิญกับทั้งแรงดึงและแรงอัด ส่งผลให้เกิดการเสียรูปพลาสติกเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น แต่ต่ำกว่าความแข็งแรงสูงสุด

ประเภททั่วไปของการดัด ได้แก่:

• การดัดรูปตัว U
  การดัดแบบ U (หรือที่เรียกว่าการดัดแบบช่อง) ใช้โพรงแม่พิมพ์ที่มีรูปร่างเหมือนตัว "U" ส่งผลให้ได้ชิ้นส่วนที่มีรูปร่างคล้ายตัว U โดยทั่วไปแล้ว การดำเนินการนี้จะดำเนินการโดยใช้ เครื่องเบรค เครื่องจักร ติดตั้งด้วยแม่พิมพ์รูปตัว U
• การดัดแบบวี
  การดัดแบบวี (V-bending) ใช้หัวปั๊มรูปลิ่มและแม่พิมพ์รูปตัววี (V-die) มุมของตัววีสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่แหลมไปจนถึงป้าน รวมถึง 90° ถือเป็นเทคนิคการดัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในงานดัดด้วยเบรกกด เนื่องจากมีความอเนกประสงค์และความแม่นยำ
• การดัดมุม
  การดัดมุมเป็นคำทั่วไปสำหรับการดัดแผ่นโลหะให้เป็นมุมแหลม นอกจากนี้ยังสามารถทำได้โดยใช้ เครื่องเบรคขึ้นอยู่กับรูปทรงและมุมที่ต้องการ
• การเคิร์ลลิ่ง
  การม้วนขึ้นรูป (Curling) คือการม้วนขอบแผ่นโลหะรอบแบบพิมพ์ ทั้งหัวปั๊มและแม่พิมพ์จะมีโพรงบางส่วนเพื่อขึ้นรูปวัสดุ หลังจากการทำงาน หัวปั๊มจะหดกลับ และชิ้นส่วนจะถูกดันออกโดยใช้ลูกสูบ วิธีการนี้ใช้ในการผลิตถัง กระทะ หม้อ และสิ่งของอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน
• การดัดม้วน
  การดัดเหล็กแผ่น (Roll Bending) ใช้ลูกกลิ้งชุดหนึ่งเพื่อดัดแผ่นโลหะขนาดใหญ่ให้เป็นรูปทรงโค้งอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยทั่วไปมักใช้ในการผลิตถังเก็บขนาดใหญ่ ภาชนะรับแรงดัน ท่อ และส่วนประกอบโครงสร้าง
• การดัดด้วยเครื่อง 4 สไลด์
  วิธีนี้ใช้กับชิ้นงานที่ค่อนข้างสั้น เครื่องจักรเหล่านี้มีการออกแบบที่หลากหลาย และใช้การเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ทั้งแนวตั้งและแนวนอนเพื่อสร้างรูปทรงที่ซับซ้อน
• การดัดขอบ
  การดัดขอบเกี่ยวข้องกับการโหลดแบบคานยื่น ซึ่งแผ่นกดจะยึดชิ้นงานไว้กับแม่พิมพ์ในขณะที่ปั๊มจะบังคับให้โลหะโค้งงอเหนือขอบ กด เบรก การติดตั้งแม่พิมพ์เช็ดก็สามารถดัดแบบนี้ได้เช่นกัน โดยทั่วไปการดัดขอบจะจำกัดอยู่ที่มุม 90° หรือน้อยกว่า แม้ว่าแม่พิมพ์เช็ดสามารถออกแบบให้ดัดมุมได้กว้างกว่าก็ตาม

เนื่องจากแผ่นกดและแม่พิมพ์เช็ดมีความซับซ้อน วิธีนี้จึงมีราคาแพงกว่าแต่เหมาะกับการผลิตปริมาณมาก

5.0การวาดภาพคืออะไร?

การดึงขึ้นรูป (Drawing) คือกระบวนการที่แม่พิมพ์ (Punch) บังคับให้แผ่นโลหะแบนๆ เข้าไปในโพรงแม่พิมพ์ ทำให้วัสดุไหลออกมาเป็นพลาสติกและมีลักษณะเหมือนถ้วย กระบวนการนี้ใช้เพื่อสร้างชิ้นส่วนกลวงจากแผ่นโลหะแบนๆ

6.0การปั๊มนูนคืออะไร? 

การปั๊มนูนใช้เพื่อสร้างลวดลายนูนหรือเว้าบนแผ่นโลหะเพื่อการตกแต่งหรือการใช้งาน สามารถใช้พิมพ์โลโก้ เครื่องหมายการค้า หมายเลขชิ้นส่วน หรือเครื่องหมายระบุอื่นๆ ได้

7.0การก่อตัวคืออะไร?

ในการขึ้นรูป โลหะจะถูกกดให้ตึงเกินจุดคราก (yield point) เพื่อให้คงรูปทรงใหม่ไว้อย่างถาวร ทำให้เกิดรูปทรงของแม่พิมพ์และแม่พิมพ์ขึ้นรูปโดยตรง ซึ่งแตกต่างจากการดึงขึ้นรูป ตรงที่ไม่มีการไหลของโลหะอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการนี้ใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ เช่น แผงประตู เฟอร์นิเจอร์เหล็ก และตัวถังเครื่องบิน

8.0การหยอดเหรียญ (Squeezing) คืออะไร?

การขึ้นรูปเหรียญกษาปณ์เป็นกระบวนการขึ้นรูปที่มีความแม่นยำ โดยการนำแผ่นโลหะเปล่ามาวางระหว่างแม่พิมพ์และแม่พิมพ์ และใช้แรงดันสูง โลหะจะไหลเป็นพลาสติกในสภาวะเย็น ทำให้โพรงแม่พิมพ์เต็ม กระบวนการนี้ใช้ในการผลิตเหรียญกษาปณ์ เหรียญตรา และชิ้นส่วนตกแต่งที่มีรายละเอียดพื้นผิวที่ละเอียด

9.0ทำความเข้าใจเกี่ยวกับกลศาสตร์การดัดและวิธีการทั่วไป

ในการดัดแผ่นโลหะ โลหะจะถูกดึงรอบแกนตรง วัสดุด้านในของส่วนโค้งจะถูกบีบอัด ในขณะที่วัสดุด้านนอกจะถูกยืด โลหะจะถูกเปลี่ยนรูปพลาสติกเพื่อให้ส่วนโค้งยังคงรูปเดิมหลังจากคลายแรงดึงแล้ว โดยทั่วไปการดัดจะไม่ทำให้ความหนาของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปมากนัก

วิธีการดัดสองวิธีทั่วไปคือ:

• การดัดแบบวี:วิธีนี้ใช้แม่พิมพ์และปั๊มรูปตัววี (V-shaped punch and die) ซึ่งทำให้สามารถดัดโค้งได้หลายมุม ตั้งแต่มุมแหลมไปจนถึงมุมป้าน โดยทั่วไปมักใช้กับงานที่มีปริมาณการผลิตต่ำ และมักใช้กับเครื่องดัดโลหะ แม่พิมพ์รูปตัววีค่อนข้างง่ายและราคาไม่แพง
• การดัดขอบ:วิธีนี้ใช้แผ่นกดเพื่อยึดฐานของชิ้นงานไว้ ขณะที่หัวปั๊มจะดัดแผ่นโลหะให้โค้งงอเหนือขอบแม่พิมพ์ การดัดขอบจะถูกจำกัดไว้ที่มุม 90° หรือน้อยกว่า เว้นแต่จะใช้แม่พิมพ์เช็ดที่ซับซ้อนกว่า แม่พิมพ์เหล่านี้มีราคาแพงกว่าแม่พิมพ์รูปตัววี แต่เหมาะสำหรับการผลิตปริมาณมาก

10.0ปัจจัยสำคัญในการดัด: ค่าเผื่อการดัด สปริงกลับ และแรง

ค่าเผื่อการโค้งงอ
เมื่อรัศมีการดัดโค้งมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความหนาของวัสดุ วัสดุมีแนวโน้มที่จะยืดตัวในระหว่างการดัด การประมาณค่าการยืดตัวนี้อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นงานสุดท้ายเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ ค่าเผื่อการดัดโค้ง (BA) คือความยาวโดยประมาณของแกนกลางก่อนการดัดโค้ง และคำนึงถึงการยืดตัวของวัสดุ ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรทั่วไปดังนี้

บริติชแอร์เวย์ = (π / 180) × A × (R + K × t)

ที่ไหน:

• BA = ค่าเผื่อการโค้งงอ (เป็นมม.)
• A = มุมโค้ง (องศา)
• R = รัศมีโค้งด้านใน (มม.)
• t = ความหนาของสต๊อก (มม.)
• K = ปัจจัยในการประมาณตำแหน่งของแกนกลาง (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.33–0.5 ขึ้นอยู่กับวัสดุและสภาวะการดัด)

การยืดโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นเมื่อรัศมีการโค้งงอมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความหนาของแผ่น

สปริงแบ็ค

หลังจากคลายแรงดัดแล้ว พลังงานยืดหยุ่นที่สะสมอยู่ในวัสดุจะทำให้เกิดการคืนตัวบางส่วนกลับสู่รูปร่างเดิม ซึ่งเรียกว่า สปริงแบ็ค ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขึ้นของมุมที่รวมของชิ้นส่วนที่ดัด เมื่อเทียบกับมุมของเครื่องมือหลังจากนำออก

SB = θ₁ – θ₂

ที่ไหน:

• SB = สปริงแบ็ค (องศา)
• θ₁ = มุมรวมของชิ้นส่วนแผ่นโลหะหลังจากการดัด
• θ₂ = มุมรวมของเครื่องมือขึ้นรูป

แรงดัด
แรงที่ต้องการสำหรับการดัดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น รูปทรงของแม่พิมพ์และหัวปั๊ม ความแข็งแรงของวัสดุ ความหนาของแผ่น และความกว้างของชิ้นงาน แรงดัดสูงสุดสามารถประมาณได้จาก:

F = (Kbf × TS × ω × t²) / D

ที่ไหน:

• F = แรงดัด (N)
• TS = ความแข็งแรงแรงดึงของวัสดุ (MPa)
• ω = ความกว้างของชิ้นส่วน (มม.)
• t = ความหนาของแผ่น (มม.)
• D = ขนาดช่องเปิดของแม่พิมพ์ (มม.)
• Kbf = ค่าสัมประสิทธิ์แรงดัด
  • 33 สำหรับการดัดแบบ V
  • 33 สำหรับการดัดขอบ

11.0การดำเนินการวาด: การผลิตรูปทรงกลวงจากแผ่นโลหะแบน

การขึ้นรูปโลหะแผ่น (Blank) คือกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่นที่ใช้สร้างชิ้นส่วนรูปถ้วย รูปกล่อง หรือชิ้นส่วนกลวงอื่นๆ โดยนำแผ่นโลหะเปล่ามาวางทับบนโพรงแม่พิมพ์ แล้วใช้เครื่องปั๊มกดเข้าไป แท่นยึดแผ่นโลหะเปล่าจะยึดวัสดุให้อยู่กับที่ระหว่างการทำงาน

การใช้งานทั่วไปได้แก่:

• กระป๋องเครื่องดื่ม
• กระสุนปืน
• อ่างล้างจานและเครื่องครัว
• แผงหน้าปัดรถยนต์

กลไกและขั้นตอนของการวาดรูปลึก

ในกระบวนการวาดถ้วยขั้นพื้นฐาน:

ชิ้นงานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง Db จะถูกวาดโดยใช้หมัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง Dp

เครื่องปั๊มและแม่พิมพ์มีรัศมีมุม (Rp และ Rd) เพื่อป้องกันการฉีกขาด

มีระยะห่าง C ระหว่างเครื่องเจาะและแม่พิมพ์:

C ≈ 1.1 × t

มีการใช้แรงสองประการ:

แรงเจาะ (F) สำหรับการเสียรูป

แรงยึดแผ่นโลหะ (Fh) เพื่อควบคุมการไหลของโลหะ

ขั้นตอนการวาดลึกมีดังนี้:

การสัมผัสเบื้องต้น – โลหะถูกดัดโค้งเหนือรัศมีแม่พิมพ์และหัวปั๊ม

การทำให้ตรง – พื้นที่ที่เคยโค้งงอจะตรงขึ้นเมื่อถูกดึงเข้าไปในแม่พิมพ์

การวาดและการบีบอัด – วัสดุไหลจากหน้าแปลนเข้าสู่โพรงแม่พิมพ์

แรงเสียดทาน (สถิต → ไดนามิก) ต้านการไหล

การบีบอัดที่หน้าแปลนทำให้เกิดความหนาและรอยย่นที่อาจเกิดขึ้นได้

การวาดต่อเนื่อง – ปั๊มจะวาดลงต่อไปเพื่อดึงโลหะเข้าไปในแม่พิมพ์

อาจเกิดการบางลงที่ผนังกระบอกสูบ

การรักษาสมดุลระหว่างแรงยึดแผ่นเปล่าและแรงเสียดทานถือเป็นสิ่งสำคัญ

โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้การหล่อลื่น

ข้อบกพร่องทั่วไปในการวาดภาพ

• รอยย่นบนหน้าแปลน: สันรัศมีอันเกิดจากการโก่งตัวจากแรงอัด
• รอยย่นในผนัง: รอยย่นที่ขอบถูกดึงเข้าไปในผนังแนวตั้ง
• การฉีกขาด: รอยแตกเปิดใกล้ฐานเนื่องจากแรงดึงสูง
• ต่างหู : ขอบไม่เรียบ (หู) จากการแอนไอโซทรอปิกของแผ่น
• รอยขีดข่วนบนพื้นผิว: เกิดจากพื้นผิวแม่พิมพ์ที่หยาบหรือการหล่อลื่นที่ไม่ดี

การดำเนินการขึ้นรูปยืด: แผ่นรูปทรงขนาดใหญ่สำหรับการบินและอวกาศและยานยนต์

การขึ้นรูปด้วยการยืดจะสร้างแผ่นโลหะขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างที่แม่นยำโดยการยืดโลหะเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่นบนบล็อกแบบหล่อ

สปริงแบ็คเป็นปัญหาสำคัญที่ได้รับอิทธิพลจาก:

• ประเภทวัสดุ
• ความหนา
• ความแข็ง
• รัศมีการโค้งงอ (รัศมีที่ใหญ่ขึ้นทำให้สปริงกลับมากขึ้น)

วิธีการลดสปริงแบ็ค

การยืดเกินโดยใช้บล็อกรูปทรง V

การตั้งมุม: การสร้างมุมเพื่อคลายแรงตึงยืดหยุ่นที่เหลืออยู่

วิธีการขึ้นรูปยืด

วิธีการบล็อกฟอร์ม

ชิ้นงานเปล่าจะถูกยืดออกบนบล็อกแบบเดี่ยว (แม่พิมพ์ตัวผู้)

วิธีการผสมพันธุ์แบบตายตัว

ใช้แม่พิมพ์ทั้งแบบตัวผู้และตัวเมียเพื่อความแม่นยำและการทำซ้ำที่สูงขึ้น

12.0บทสรุป

โดยสรุป กระบวนการแผ่นโลหะ เช่น การตัด การตัดเล็ก การดัด การดึง การปั๊มนูน และการปั๊มโลหะ ล้วนมีบทบาทสำคัญในการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นส่วนประกอบที่มีฟังก์ชันการใช้งานและแม่นยำ

ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับกลไกและตัวแปรต่างๆ ที่ส่งผลต่อกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งรวมถึงค่าเผื่อการดัดโค้ง ค่าสปริง และการออกแบบเครื่องมือ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถลดข้อบกพร่องและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้ ไม่ว่าคุณจะผลิตชิ้นส่วนแบนเรียบหรือชิ้นส่วนที่ซับซ้อน

แผงรูปทรงโค้ง การฝึกฝนเทคนิคเหล่านี้ให้เชี่ยวชาญถือเป็นกุญแจสำคัญของการผลิตแผ่นโลหะที่ประสบความสำเร็จ

13.0คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: ความแตกต่างหลักระหว่างการดัดและการดึงในงานผลิตแผ่นโลหะคืออะไร
A1: การดัดจะเปลี่ยนรูปร่างโดยทำให้โลหะรอบแกนเสียรูปอย่างถาวรโดยไม่มีการไหลของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่การดึงเกี่ยวข้องกับการดึงวัสดุเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์ ทำให้เกิดการไหลของพลาสติกจนเกิดเป็นรูปร่างกลวง

คำถามที่ 2: จะลดการสปริงกลับให้น้อยที่สุดระหว่างการดัดได้อย่างไร
A2: สามารถลดสปริงกลับได้ด้วยการดัดเกิน เลือกเครื่องมือที่เหมาะสม ใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นน้อยลง และคำนวณค่าเผื่อการดัดที่เหมาะสมในระหว่างการออกแบบ

ไตรมาสที่ 3: เมื่อใดจึงควรกัดแทะมากกว่าการกัดแบบปิด?
A3: การกัดแบบ Nibbling เป็นที่นิยมสำหรับการตัดรูปทรงที่ซับซ้อนหรือการผลิตจำนวนน้อยซึ่งแม่พิมพ์ปิดช่องว่างจะมีราคาแพงหรือไม่สะดวก

คำถามที่ 4: อะไรทำให้เกิดริ้วรอยระหว่างการดึงลึก และจะป้องกันได้อย่างไร
A4: รอยย่นเกิดจากแรงกดทับบริเวณหน้าแปลน สามารถลดรอยย่นได้โดยการปรับแรงยึดแผ่น การหล่อลื่น และรูปทรงของเครื่องมือให้เหมาะสม

คำถามที่ 5: เหตุใดการหล่อลื่นจึงมีความสำคัญในกระบวนการขึ้นรูปและดึง?
A5: การหล่อลื่นช่วยลดแรงเสียดทานระหว่างแผ่นโลหะและเครื่องมือ ช่วยป้องกันความเสียหายที่พื้นผิว การสึกหรอของเครื่องมือมากเกินไป และข้อบกพร่อง เช่น การฉีกขาดหรือรอยย่น