คู่มือการสึกหรอและอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดโลหะ

การแนะนำ

การตัดโลหะเป็นรากฐานของการผลิตสมัยใหม่ และเครื่องมือตัดโลหะเป็นองค์ประกอบหลักของรากฐานนี้ ตั้งแต่ชิ้นส่วนยานยนต์ไปจนถึงโครงสร้างอากาศยาน จากแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำสูงไปจนถึงชิ้นส่วนเครื่องจักรกลทั่วไป การผลิตผลิตภัณฑ์โลหะเกือบทั้งหมดต้องอาศัยเครื่องมือตัดที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการตัดอย่างต่อเนื่อง การสึกหรอของเครื่องมือเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือ และส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิต ต้นทุนการผลิต และความเสถียรของคุณภาพผลิตภัณฑ์

1.0ลักษณะการสึกหรอปกติของเครื่องมือตัดโลหะมีอะไรบ้าง?

การจำแนกประเภทความล้มเหลวของเครื่องมือ:
ความเสียหายของเครื่องมือสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การสึกหรอตามปกติและการแตกหักของเครื่องมือ การสึกหรอตามปกติส่วนใหญ่ประกอบด้วยรูปแบบดังต่อไปนี้

1.1Rake Face Wear:

เมื่อทำการตัดด้วยความเร็วตัดสูงและความหนาของการตัดมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตัดเฉือนโลหะอ่อนที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น เหล็กกล้า แรงเสียดทานที่รุนแรงบนหน้าตัดจะทำให้เกิดหลุมรูปพระจันทร์เสี้ยวขึ้น

จุดศูนย์กลางของหลุมตัดจะตรงกับอุณหภูมิการตัดที่สูงที่สุดบนหน้าตัด จะมีพื้นที่เล็กๆ เหลืออยู่ระหว่างหลุมตัดกับคมตัดหลัก เมื่อการตัดดำเนินต่อไป หลุมตัดจะค่อยๆ ขยายความกว้างและความลึก พื้นที่จะแคบลง และในที่สุดคมตัดก็จะบิ่น

ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของหลุมกัดกร่อนถึงคมตัดหลัก (\(K_M\)) โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1–3 มม. และปริมาณการสึกหรอจะแสดงด้วยความลึกสูงสุดของหลุมกัดกร่อน (\(K_T\))

1.2อุปกรณ์ป้องกันใบหน้าบริเวณข้างลำตัว:

แรงเสียดทานที่รุนแรงเกิดขึ้นระหว่างด้านข้างของเครื่องมือตัดโลหะกับพื้นผิวที่ถูกกลึง ทำให้เกิดร่องสึกหรอแคบๆ ที่มีมุมคลายตัวเป็นศูนย์ใกล้กับคมตัดหลักอย่างรวดเร็ว

การสึกหรอประเภทนี้เกิดขึ้นที่ความเร็วในการตัดต่ำและความหนาของการตัดน้อย ไม่ว่าจะเป็นโลหะเปราะหรือโลหะอ่อนก็ตาม

ลักษณะทั่วไปของแถบสึกหรอบริเวณด้านข้างลำตัว:

• บริเวณปลายเครื่องมือ (โซน C): ประสบกับการสึกหรออย่างรุนแรงที่สุดเนื่องจากความแข็งแรงต่ำและการระบายความร้อนที่ไม่ดี ค่าสูงสุดแสดงเป็น \(V_C\)
• ด้านข้างของพื้นผิวชิ้นงาน (โซน N): มีแนวโน้มที่จะเกิดร่องลึก (การสึกหรอตามขอบ) โดยความลึกแสดงด้วย \(V_N\).
• ส่วนกลางของแถบสึกหรอ (โซน B): แสดงให้เห็นการสึกหรอที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ โดยความกว้างของการสึกหรอสูงสุดแสดงด้วยสัญลักษณ์ \(V_{B\text{max}}\).

1.3การสึกหรอของด้านข้างและด้านหน้าพร้อมกัน:

เมื่อทำการตัดเฉือนโลหะเหนียวที่มีจุดหลอมเหลวสูงด้วยความเร็วตัดและอัตราป้อนปานกลาง การสึกหรอแบบเป็นหลุมบนหน้าตัดและการสึกหรอที่ด้านข้างมักเกิดขึ้นพร้อมกัน

2.0กระบวนการสึกหรอของเครื่องมือตัดโลหะคืออะไร?

การแบ่งประเภทการสวมใส่:
ภายใต้สภาวะการตัดที่กำหนด ไม่ว่ารูปแบบการสึกหรอจะเป็นอย่างไร การสึกหรอของเครื่องมือจะเพิ่มขึ้นตามเวลาการตัด และโดยทั่วไปจะดำเนินไปตามสามขั้นตอน

2.1ระยะการสึกหรอเริ่มต้น:

เครื่องมือตัดโลหะที่ลับคมใหม่จะมีพื้นผิวหยาบและมีข้อบกพร่องระดับจุลภาค เช่น รอยแตกขนาดเล็กบนหน้าตัดด้านข้าง คมตัดมีความคม และพื้นที่สัมผัสระหว่างหน้าตัดด้านข้างกับพื้นผิวที่ผ่านการกลึงมีขนาดเล็ก

ผลที่ตามมาคือ แรงกดและอุณหภูมิในการตัดจะกระจุกตัวสูงมากบริเวณคมตัด ทำให้เกิดอัตราการสึกหรอค่อนข้างสูง

2.2ระดับการสึกหรอปกติ:

หลังจากช่วงสึกหรอเริ่มต้นแล้ว พื้นผิวหยาบของด้านข้างคมตัดจะเรียบขึ้น พื้นที่รับน้ำหนักเพิ่มขึ้น แรงกดลดลง และอัตราการสึกหรอลดลงอย่างมากและคงที่ จากนั้นเครื่องมือตัดโลหะจะเข้าสู่ขั้นตอนการสึกหรอปกติ

2.3ระดับการสึกหรอขั้นรุนแรง:

เมื่อความกว้างของการสึกหรอที่ด้านข้าง (V_B) ถึงขีดจำกัดวิกฤต แรงเสียดทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงตัดและอุณหภูมิในการตัดจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และอัตราการสึกหรอจะเร่งตัวขึ้นอย่างมาก เครื่องมือตัดโลหะจะเสียหายอย่างรวดเร็วและสูญเสียความสามารถในการตัด

3.0เกณฑ์การสึกหรอ (ความทื่อ) ของเครื่องมือตัดโลหะคืออะไร?

ทำให้หลักการตัดสินใจไม่เฉียบคม:
เมื่อเครื่องมือตัดโลหะสึกหรอถึงระดับหนึ่ง จะเกิดปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้:

• แรงตัดและอุณหภูมิในการตัดเพิ่มขึ้นอย่างมาก
• พื้นผิวที่ผ่านการกลึงจะหยาบ และความแม่นยำของขนาดจะคลาดเคลื่อนจากค่าที่ยอมรับได้
• สีและรูปทรงของชิปอาจผิดปกติไป พร้อมกับอาจเกิดการสั่นหรือเสียงดัง

ปรากฏการณ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าเครื่องมือเริ่มทื่อแล้ว

คำจำกัดความของเกณฑ์การลดความเงางาม:
ต้องระบุค่าการสึกหรอสูงสุดที่อนุญาตตามข้อกำหนดของการตัดเฉือน ซึ่งค่านี้เรียกว่าเกณฑ์การสึกหรอ (ความทื่อ) ของเครื่องมือ

เหตุผลในการคัดเลือกเกณฑ์:
เนื่องจากการสึกหรอของหน้าตัดด้านข้างเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดและวัดได้ง่ายที่สุด ค่าการสึกหรอเฉลี่ยในส่วนกลางของหน้าตัดด้านข้าง (V_B) จึงมักถูกใช้เป็นเกณฑ์การสึกหรอสำหรับเครื่องมือตัดโลหะ

3.1ค่า \(V_B\) ที่แนะนำภายใต้สภาวะการตัดเฉือนที่แตกต่างกัน

4.0อายุการใช้งานของเครื่องมือตัดโลหะคือเท่าไร?

คำจำกัดความของอายุการใช้งานของเครื่องมือ:
อายุการใช้งานของเครื่องมือ หมายถึง เวลาการตัดที่มีประสิทธิภาพทั้งหมด นับตั้งแต่เริ่มการตัดหลังจากลับคมเครื่องมือ จนกระทั่งการสึกหรอถึงเกณฑ์ความทื่อที่กำหนดไว้ เวลาที่ไม่เกี่ยวข้องกับการตัด เช่น การตั้งค่าเครื่องมือ การวัด การเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว และการเคลื่อนที่กลับ จะไม่นับรวม

อายุการใช้งานของเครื่องมือแสดงด้วยสัญลักษณ์ \(T\) และวัดเป็นนาที

การจำแนกประเภทอายุการใช้งานของเครื่องมือ:

• เครื่องมือตัดโลหะที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้: อายุการใช้งานของเครื่องมือ หมายถึง เวลาใช้งานจริงระหว่างการลับคมสองครั้งติดต่อกัน ส่วนอายุการใช้งานทั้งหมดของเครื่องมือ คือ เวลาใช้งานตั้งแต่เริ่มใช้งานครั้งแรกจนถึงการทิ้งโดยสมบูรณ์
• เครื่องมือตัดโลหะที่ไม่สามารถลับคมใหม่ได้: อายุการใช้งานรวมของเครื่องมือเท่ากับอายุการใช้งานของเครื่องมือ

5.0ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือตัดโลหะ?

5.1พารามิเตอร์การตัด:

พารามิเตอร์การตัดเป็นหนึ่งในปัจจัยที่มีอิทธิพลสำคัญที่สุด ความสัมพันธ์ทั่วไประหว่างอายุการใช้งานของเครื่องมือ (T) และพารามิเตอร์การตัดคือ:

$$
T = \frac{C_T}{v_c^x \cdot f^y \cdot a_p^z}
$$

ที่ไหน:

•  \(C_T\): ค่าคงที่อายุการใช้งานของเครื่องมือ ซึ่งเกี่ยวข้องกับวัสดุของเครื่องมือ วัสดุของชิ้นงาน และสภาวะการตัด
• \(x, y, z\): เลขชี้กำลังเชิงประจักษ์ โดยทั่วไปจะมี \(x > y > z\)

ตัวอย่าง:
เมื่อทำการกลึงเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีค่า \(\sigma_b = 0.637\ \text{GPa}\) โดยใช้เครื่องมือกลึงคาร์ไบด์:

$$
T = \frac{C_T}{v_c^5 \cdot f^{2.25} \cdot a_p^{0.75}}
$$

กฎ:
เมื่อความเร็วตัด (v_c), อัตราการป้อน (f) และความลึกของการตัด (a_p) เพิ่มขึ้น อายุการใช้งานของเครื่องมือ (T) จะลดลง ความเร็วในการตัด (v_c) มีอิทธิพลมากที่สุด รองลงมาคืออัตราการป้อน (f) และความลึกของการตัด (a_p) มีอิทธิพลน้อยที่สุด

เพื่อเพิ่มผลผลิตพร้อมทั้งยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ ควรเลือกค่า \(a_p\) ที่มากขึ้นก่อน จากนั้นเลือกค่า \(f\) ที่มากขึ้น และสุดท้ายเลือกค่า \(v_c\) ที่เหมาะสม

5.2พารามิเตอร์รูปทรงเรขาคณิตของเครื่องมือ:

• มุมคายเศษ (\(\gamma_o\)): การเพิ่มมุมคายเศษจะช่วยลดแรงตัดและอุณหภูมิ ทำให้ยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ ในทางกลับกัน มุมคายเศษที่มากเกินไปจะทำให้ความแข็งแรงของเครื่องมือลดลงและการระบายความร้อนไม่ดี ทำให้เสี่ยงต่อการแตกหักมากขึ้น
• มุมคมตัดหลัก (\(\kappa_r\)): การลดค่า κr จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของปลายเครื่องมือและการระบายความร้อน ในทางกลับกัน หากค่า κr น้อยเกินไป จะเพิ่มแรงในแนวรัศมีและอาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนในระบบที่มีความแข็งแกร่งต่ำ
• ปัจจัยเพิ่มเติม: การลดมุมคมตัดเล็กน้อย \(\kappa_r\) และการเพิ่มรัศมีปลายคมตัด \(r_\varepsilon\) มีผลดีต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือในลักษณะที่คล้ายคลึงกัน

5.3วัสดุที่ใช้ทำเครื่องมือ:

ความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูงและความต้านทานการสึกหรอที่สูงขึ้นจะช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ ในสภาวะที่มีแรงกระแทก งานหนัก หรือสภาวะที่ยากต่อการขึ้นรูป ความทนทานต่อแรงกระแทกและความแข็งแรงในการดัดงอจะกลายเป็นปัจจัยสำคัญ

5.4วัสดุชิ้นงาน:

• ความแข็งแรงและความแข็งที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดอุณหภูมิในการตัดสูงขึ้นและลดอายุการใช้งานของเครื่องมือ
• ความยืดหยุ่นและความทนทานที่สูงขึ้น ผนวกกับค่าการนำความร้อนต่ำ ยังส่งผลให้อุณหภูมิในการตัดสูงขึ้นและทำให้อายุการใช้งานของเครื่องมือสั้นลง

6.0จะกำหนดอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดโลหะได้อย่างเหมาะสมได้อย่างไร?

หลักการสำคัญ:
การเลือกอายุการใช้งานของเครื่องมือที่เหมาะสมจะช่วยเพิ่มผลผลิตและลดต้นทุน อายุการใช้งานของเครื่องมือที่ยาวเกินไปจะทำให้ต้องใช้พารามิเตอร์การตัดที่แคบลงและลดอัตราการกำจัดโลหะ ในทางกลับกัน อายุการใช้งานของเครื่องมือที่สั้นเกินไปจะทำให้เสียเวลาในการเปลี่ยนเครื่องมือและการลับคมใหม่มากขึ้น ส่งผลให้ต้นทุนโดยรวมสูงขึ้น

6.1ค่าอายุการใช้งานที่แนะนำสำหรับเครื่องมือทั่วไป

6.2ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติม:

• ความซับซ้อนและความแม่นยำของเครื่องมือ: เครื่องมือที่มีคมหลายด้าน ความแม่นยำสูง และซับซ้อน จะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเครื่องมือที่มีคมด้านเดียว ความแม่นยำต่ำ และเรียบง่าย
• เครื่องมือที่สามารถจัดทำดัชนีได้: การเปลี่ยนเม็ดมีดอย่างรวดเร็วช่วยลดอายุการใช้งานของเครื่องมือ เพื่อรักษาความคมของคมตัด
• การตกแต่งขั้นสุดท้ายเทียบกับการตกแต่งขั้นต้น: เครื่องมือสำหรับงานตกแต่งผิวต้องมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า เนื่องจากมีแรงตัดที่เบากว่าและต้องการความแม่นยำสูงกว่า
• การตกแต่งชิ้นงานขนาดใหญ่: อายุการใช้งานของเครื่องมือที่ยาวนานขึ้นช่วยหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนเครื่องมือระหว่างกระบวนการผลิต
• การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC: อายุการใช้งานของเครื่องมือควรเกินหนึ่งกะการทำงาน และยาวนานกว่าเวลาในการตัดชิ้นส่วนเดียว

7.0คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: เหตุใดการสึกหรอของหน้าตัดด้านข้างจึงเป็นเกณฑ์การประเมินความทื่อของเครื่องมือที่ใช้กันมากที่สุด?
ก: การสึกหรอที่ด้านข้างคมตัดเป็นรูปแบบการสึกหรอที่พบได้บ่อยที่สุดในการตัดโลหะ เกิดขึ้นได้ทั้งในโลหะเปราะและโลหะอ่อนที่ความเร็วในการตัดต่ำถึงปานกลาง แถบการสึกหรอมีรูปร่างสม่ำเสมอ โดยมีการสึกหรอที่สม่ำเสมอในส่วนกลาง (โซน B) และค่าการสึกหรอเฉลี่ย \(V_B\) นั้นวัดและควบคุมได้ง่าย ดังนั้น \(V_B\) จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเกณฑ์มาตรฐานในการวัดความทื่อของคมตัด

ถาม: พารามิเตอร์การตัดใดที่มีผลต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือมากที่สุด?
ก: ความเร็วในการตัด (\(v_c\)) มีอิทธิพลมากที่สุด รองลงมาคืออัตราการป้อน (\(f\)) ในขณะที่ความลึกของการตัด (\(a_p\)) มีผลน้อยที่สุด ซึ่งได้รับการยืนยันจากสมการอายุการใช้งานของเครื่องมือ โดยเลขชี้กำลังที่มากขึ้นแสดงถึงผลกระทบที่มากขึ้น

ถาม: การเลือกอายุการใช้งานของเครื่องมือแตกต่างกันอย่างไรระหว่างการกลึงละเอียดและการกลึงหยาบ?
ก: การตกแต่งผิวงานใช้แรงตัดที่เบากว่าและต้องการอายุการใช้งานของเครื่องมือที่ยาวนานกว่าเพื่อให้ได้คุณภาพผิวงานและความแม่นยำของขนาด ในขณะที่การตัดหยาบเน้นการกำจัดวัสดุอย่างรวดเร็วและสามารถใช้อายุการใช้งานของเครื่องมือที่สั้นกว่าได้โดยใช้พารามิเตอร์การตัดที่ใหญ่กว่า

ถาม: เหตุใดเครื่องมือแบบถอดเปลี่ยนได้จึงมีอายุการใช้งานสั้นกว่าเครื่องมือแบบเชื่อมประสาน?
ก: เครื่องมือแบบถอดเปลี่ยนเม็ดมีดได้ ช่วยให้เปลี่ยนเม็ดมีดได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องลับคมใหม่ ทำให้คมตัดคมอยู่เสมอ อายุการใช้งานของเครื่องมือที่สั้นลงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตัด ในขณะเดียวกันก็รักษาสมดุลของต้นทุนเครื่องมือ

ถาม: การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC มีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับอายุการใช้งานของเครื่องมือหรือไม่?
ก: ใช่แล้ว การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC โดยทั่วไปจะเป็นระบบอัตโนมัติและต่อเนื่อง อายุการใช้งานของเครื่องมือควรเกินหนึ่งกะการทำงาน และยาวนานกว่าเวลาที่ใช้ในการตัดชิ้นส่วนเดียว เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการผลิตที่เสถียรและไม่หยุดชะงัก