โลหะมีความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอย่างไร?

ในวงการผลิตเครื่องจักรกล การกลึงขึ้นรูปพบเห็นได้ทั่วไป อย่างไรก็ตาม วิศวกรจะตระหนักได้อย่างรวดเร็วในการผลิตจริงว่า:คำว่า “สามารถขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรได้” ไม่ได้หมายความว่า “ขึ้นรูปได้ง่าย”

ด้วยเครื่องมือตัดแบบเดียวกันและพารามิเตอร์การตัดที่เหมือนกัน การเปลี่ยนวัสดุเพียงอย่างเดียวอาจส่งผลให้แรงตัด อายุการใช้งานของเครื่องมือ และคุณภาพพื้นผิวแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุ

บทความนี้ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องความสามารถในการขึ้นรูปโลหะ วิธีการประเมินทั่วไป ปัจจัยที่มีอิทธิพลหลัก และกลยุทธ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการปรับปรุงในสภาพแวดล้อมการผลิตจริงอย่างเป็นระบบ จากมุมมองของการปฏิบัติงานทางวิศวกรรม

1.0เหตุใดการศึกษาเรื่องความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรจึงมีความสำคัญ?

การกลึงยังคงเป็นหนึ่งในวิธีการขึ้นรูปโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม วัสดุแต่ละชนิดมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างมากในระหว่างการตัด

1.1ตัวอย่างความแตกต่างด้านประสิทธิภาพในการตัด:

• โลหะผสมอะลูมิเนียม, โลหะผสมทองแดง: การตัดเบา, แรงตัดต่ำ, ประสิทธิภาพสูง;
• เหล็กกล้าผสม เหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมพิเศษที่มีส่วนประกอบของนิกเกล: แรงตัดสูง ความร้อนสูง การสึกหรอของเครื่องมืออย่างรวดเร็ว มัก accompanied by ปัญหาการบิ่นของคมตัดและการสั่นสะเทือน

1.2ผลที่ตามมาจากการขาดความเข้าใจที่เพียงพอเกี่ยวกับความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร:

• อายุการใช้งานของเครื่องมือลดลงอย่างมาก
• ประสิทธิภาพการตัดเฉือนต่ำอย่างต่อเนื่อง;
• คุณภาพพื้นผิวไม่คงที่;
• การลองผิดลองถูกซ้ำๆ ในการปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสมที่สุด

ดังนั้น การทำความเข้าใจแก่นแท้ของความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรและการนำกลยุทธ์ที่ตรงเป้าหมายมาใช้ จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพ การควบคุมต้นทุน และการรับประกันประสิทธิภาพการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรที่เสถียร

2.0โลหะมีความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอย่างไร?

ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรของวัสดุโลหะ หมายถึง ระดับความยากในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรภายใต้เงื่อนไขการตัดที่กำหนด และข้อกำหนดอายุการใช้งานของเครื่องมือที่ระบุไว้

จากมุมมองทางวิศวกรรม วัสดุที่มี “ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี” โดยทั่วไปจะมีลักษณะดังนี้:

• ความเร็วในการตัดที่อนุญาตได้สูงขึ้น ภายใต้เงื่อนไขอายุการใช้งานของเครื่องมือที่เท่าเดิม
• แรงตัดและอุณหภูมิในการตัดต่ำลง ส่งผลให้การสึกหรอของเครื่องมือช้าลง
• พื้นผิวมีคุณภาพคงที่ เศษวัสดุแตกง่ายและสามารถกำจัดออกได้อย่างเป็นระบบ

ในทางกลับกัน หากวัสดุใดส่งผลให้เครื่องมือมีอายุการใช้งานสั้น มีแรงต้านการตัดสูง ผิวงานไม่เรียบ หรือควบคุมเศษวัสดุได้ยาก โดยทั่วไปจะถือว่าวัสดุนั้นมีคุณสมบัติในการขึ้นรูปที่ไม่ดี

ควรเน้นย้ำว่า ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรนั้นเป็นสิ่งสำคัญ แนวคิดเชิงสัมพัทธ์ไม่ใช่การตัดสินโดยเนื้อแท้ว่าวัสดุนั้น "ดี" หรือ "ไม่ดี"

3.0การประเมินความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรทำอย่างไร?

3.1ตัวชี้วัดการประเมินทางวิศวกรรมทั่วไป

ในการใช้งานทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรโดยทั่วไปจะประเมินจากตัวชี้วัดหลายประการร่วมกัน ซึ่งรวมถึง:

• อายุการใช้งานของเครื่องมือ;
• ความเร็วในการตัดที่อนุญาต;
• แรงตัด;
• อุณหภูมิในการตัด;
• คุณภาพพื้นผิวที่ผ่านการกลึง
• ลักษณะทางกายภาพของชิป

ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ ความเร็วในการตัดที่อนุญาตได้ที่อายุการใช้งานของเครื่องมือที่กำหนด เป็นตัวชี้วัดเชิงปริมาณที่ใช้กันทั่วไปและมีความเกี่ยวข้องกับงานวิศวกรรมมากที่สุด:

• วัสดุโลหะทั่วไป: ความเร็วในการตัดที่อายุการใช้งานของเครื่องมือ T = 60 นาที (vc₆₀) ใช้เป็นค่าอ้างอิง
• วัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูป: ความเร็วในการตัดที่อายุการใช้งานของเครื่องมือ T = 20 นาที (vc₂₀) มักถูกนำมาใช้

3.2ดัชนีความสามารถในการขึ้นรูปสัมพัทธ์ Kr

เพื่ออำนวยความสะดวกในการเปรียบเทียบวัสดุต่าง ๆ ดัชนีความสามารถในการขึ้นรูปสัมพัทธ์ Kr จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางวิศวกรรม:Kr = อัตราเร็วในการตัดของวัสดุที่เวลา T = 60 นาที / อัตราเร็วในการตัดของเหล็กกล้า AISI 1045 ที่เวลา T = 60 นาที

ในที่นี้ เหล็กกล้า AISI 1045 (170–229 HBS) ถูกใช้เป็นวัสดุอ้างอิง

• Kr > 1: ความสามารถในการขึ้นรูปดีกว่าเหล็กกล้า 1045
• Kr < 1: ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรแย่กว่าเหล็กกล้า 1045

ดัชนีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการคัดเลือกวัสดุและการวางแผนกระบวนการเบื้องต้นในงานวิศวกรรม

4.0การจำแนกประเภทความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุต่างๆ (มุมมองทางวิศวกรรม)

โดยทั่วไปแล้ว ในทางวิศวกรรม วัสดุจะถูกจำแนกออกเป็นหลายระดับตามดัชนีความสามารถในการขึ้นรูปสัมพัทธ์ Kr ตั้งแต่ "ขึ้นรูปง่าย" ไปจนถึง "ขึ้นรูปยากมาก" การจำแนกประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการประเมินความยากในการขึ้นรูปอย่างรวดเร็วในระหว่างการเลือกวัสดุและการวางแผนกระบวนการ

กฎที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมีดังนี้:เมื่อความแข็งแรง ความยืดหยุ่น หรือประสิทธิภาพในอุณหภูมิสูงของวัสดุเพิ่มขึ้น ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรก็มักจะลดลงอย่างมาก

นี่คือเหตุผลที่โลหะผสมไทเทเนียมและซูเปอร์อัลลอยที่มีส่วนประกอบของนิกเกลจึงมีคุณสมบัติทางกลและความร้อนที่ยอดเยี่ยม แต่กลับยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอย่างยิ่ง

5.0คุณสมบัติของวัสดุใดบ้างที่กำหนดความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร?

5.1ความแข็งและความแข็งแรง

เมื่อความแข็งและความแข็งแรงเพิ่มขึ้น ความต้านทานแรงเฉือนระหว่างการตัดก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้แรงตัดและอุณหภูมิในการตัดสูงขึ้น และการสึกหรอของเครื่องมือเร็วขึ้น

จากประสบการณ์ด้านวิศวกรรมพบว่า วัสดุที่มีความแข็งปานกลางและโครงสร้างจุลภาคสม่ำเสมอจะเหมาะสมกว่าสำหรับการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอย่างมีเสถียรภาพ

5.2ความยืดหยุ่นและความทนทาน

• ความยืดหยุ่นมากเกินไป: เกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างรุนแรงในระหว่างการตัด ทำให้พื้นที่สัมผัสระหว่างเครื่องมือกับเศษวัสดุขยายตัว เพิ่มแรงเสียดทาน และส่งเสริมการก่อตัวของขอบคมสะสม
• ความแข็งมากเกินไป: ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงานในการตัดมากขึ้น และการแตกตัวของเศษวัสดุทำได้ยากขึ้น

ทั้งสองสภาวะนี้ลดประสิทธิภาพในการขึ้นรูปชิ้นงานลงอย่างมาก

5.3การนำความร้อน

วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถระบายความร้อนจากการตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านเศษวัสดุและชิ้นงาน ลดอุณหภูมิในบริเวณการตัด และลดการสึกหรอของเครื่องมือเนื่องจากความร้อน

วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ เช่น โลหะผสมไทเทเนียม มักจะสะสมความร้อนไว้ใกล้คมตัด ทำให้เครื่องมือเสียหายเร็วขึ้น

5.4โมดูลัสยืดหยุ่น

• ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงเกินไป: ทำให้เกิดแรงต้านทานการตัดสูงขึ้นในระหว่างการกำจัดวัสดุ
• ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำเกินไป: เกิดการคืนตัวของความยืดหยุ่นอย่างเห็นได้ชัดหลังการตัด ทำให้เกิดแรงเสียดทานเพิ่มขึ้นระหว่างหน้าตัดและพื้นผิวที่ผ่านการกลึง

ทั้งสองกรณีไม่เอื้อต่อความเสถียรในการตัดเฉือน

6.0จะปรับปรุงประสิทธิภาพการขึ้นรูปชิ้นงานในงานวิศวกรรมได้อย่างไร?

6.1การปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปด้วยความร้อน

การอบชุบความร้อนที่เหมาะสมสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกลึงได้อย่างมากโดยการปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาค:

• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ: การปรับโครงสร้างผลึกให้ละเอียดและลดความยืดหยุ่นที่มากเกินไป
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูง: การอบอ่อนแบบทรงกลมเพื่อลดความแข็งและปรับปรุงการแตกตัวของเศษโลหะ
• เหล็กหล่อ: การอบอ่อนก่อนการกลึงเพื่อลดความเค้นภายในและลดความแข็งของพื้นผิว

6.2การปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพองค์ประกอบทางเคมี

ในการผลิตจำนวนมาก ความสามารถในการขึ้นรูปมักได้รับการปรับปรุงผ่านการออกแบบโลหะผสม:

• การเติมกำมะถัน ฟอสฟอรัส ตะกั่ว หรือแคลเซียมลงในเหล็กสามารถลดแรงต้านการตัดและเพิ่มความแตกตัวของเศษโลหะได้
• การปรับองค์ประกอบของโลหะผสมในโลหะที่ไม่ใช่เหล็กสามารถช่วยปรับปรุงโครงสร้างของเกรนและเพิ่มความเสถียรในการขึ้นรูปได้

6.3กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพการขึ้นรูปสำหรับวัสดุที่ขึ้นรูปยากทั่วไป

วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและความแข็งแรงสูงมากเป็นพิเศษ

สำหรับวัสดุเหล่านี้ แรงตัดโดยทั่วไปจะสูงกว่าเหล็กกล้า AISI 1045 ถึง 20%–30% ส่งผลให้อุณหภูมิการตัดสูงขึ้นและการสึกหรอของเครื่องมือรวดเร็วขึ้น

กลยุทธ์ด้านวิศวกรรมประกอบด้วย:

• การเลือกวัสดุสำหรับเครื่องมือตัดที่มีคุณสมบัติทนความร้อนและทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม
• การลดมุมคายเศษหรือการใช้มุมคายเศษติดลบ และการเพิ่มรัศมีปลายคมของเครื่องมือเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของคมตัด
• ควรทำการกลึงหยาบในสภาพที่ผ่านการอบอ่อนหรือปรับสภาพปกติแล้วทุกครั้งที่เป็นไปได้
• ควบคุมความเร็วในการตัดอย่างเหมาะสม แทนที่จะพยายามใช้ความเร็วสูงเกินไป

วัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงและมีความแข็งต่ำ

วัสดุดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะเกิดการยึดเกาะ การเชื่อมติดกันในอุณหภูมิต่ำ และการเกิดขอบสะสม ส่งผลให้คุณภาพพื้นผิวไม่คงที่

มาตรการที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่:

• ใช้คมตัดที่คมกริบเพื่อลดการเสียรูปจากการตัด
• ค่อยๆ เพิ่มความเร็วในการตัดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคราบสะสมบริเวณขอบคม
• การปรับอัตราการป้อนวัสดุให้เหมาะสมจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบดเศษวัสดุ

7.0สรุป: ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรเป็นปัญหาทางวิศวกรรมในระดับระบบ

ความสามารถในการขึ้นรูปโลหะไม่ได้ถูกกำหนดโดยปัจจัยเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากผลรวมของคุณสมบัติของวัสดุ คุณลักษณะของเครื่องมือตัด และพารามิเตอร์การขึ้นรูป

ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม:

• ในระดับวัสดุ: ความสามารถในการขึ้นรูปสามารถปรับปรุงได้ด้วยการอบชุบความร้อนและการปรับองค์ประกอบทางเคมีให้เหมาะสม
• ในระดับกระบวนการ: จำเป็นต้องมีการปรับปรุงเครื่องมือและพารามิเตอร์การตัดอย่างเป็นระบบสำหรับวัสดุที่ยากต่อการตัดเฉือน

การที่จะพัฒนากลยุทธ์การตัดเฉือนที่มีประสิทธิภาพอย่างแท้จริง เพื่อให้ได้ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ คุณภาพ และต้นทุนนั้น ต้องอาศัยความเข้าใจว่าเหตุใดวัสดุจึงยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร

8.0คำถามที่พบบ่อย: คำถามทั่วไปเกี่ยวกับความสามารถในการขึ้นรูปโลหะด้วยเครื่องจักร

8.1คำถามที่ 1: ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรเทียบเท่ากับความแข็งของวัสดุหรือไม่?

ไม่ ความแข็งเป็นเพียงปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อความสามารถในการขึ้นรูป และไม่ใช่ตัวบ่งชี้ที่เด็ดขาด

ในการตัดเฉือนจริง ความเป็นพลาสติก ความเหนียว การนำความร้อน โมดูลัสความยืดหยุ่น รวมถึงแรงเสียดทานและความสัมพันธ์ทางเคมีระหว่างวัสดุชิ้นงานและเครื่องมือตัด ล้วนมีผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมการตัด ตัวอย่างเช่น โลหะผสมไทเทเนียมไม่ได้มีความแข็งสูงเป็นพิเศษ แต่ก็ยังถือว่าเป็นวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยากเนื่องจากการนำความร้อนต่ำและปฏิกิริยาทางเคมีสูง

8.2คำถามที่ 2: เหตุใดโลหะผสมไทเทเนียมจึงถูกมองว่าเป็นวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรโดยทั่วไป?

คุณสมบัติการขึ้นรูปที่ไม่ดีของโลหะผสมไทเทเนียมส่วนใหญ่เกิดจากปัจจัยดังต่อไปนี้:

• ค่าการนำความร้อนต่ำ: ความร้อนจากการตัดจึงระบายออกได้ยาก ส่งผลให้เกิดอุณหภูมิสูงเฉพาะจุดบริเวณปลายเครื่องมือ
• กิจกรรมทางเคมีสูง: มีแนวโน้มสูงที่จะยึดเกาะกับวัสดุของเครื่องมือ ทำให้เกิดการสึกหรอจากการยึดเกาะและการแพร่กระจาย
• การคืนตัวแบบยืดหยุ่นที่เด่นชัด: แรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นบนหน้าตัดด้านข้างของเครื่องมือ

ปัจจัยเหล่านี้ทำงานร่วมกัน ทำให้โลหะผสมไทเทเนียมมีแนวโน้มที่จะสึกหรอเร็ว เกิดการบิ่นของคมตัด และเกิดสภาวะการตัดเฉือนที่ไม่เสถียร

8.3คำถามที่ 3: การขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรบนเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นยากกว่าการขึ้นรูปด้วยเหล็กกล้าคาร์บอนเสมอหรือไม่?

ไม่จำเป็นเสมอไป ความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรของเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับประเภทโครงสร้างจุลภาคของมัน:

• เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก: มีความยืดหยุ่นสูงและแข็งตัวจากการทำงานอย่างรุนแรง ส่งผลให้ขึ้นรูปได้ยาก
• เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกบางชนิด: ภายใต้สภาวะการอบชุบความร้อนที่เหมาะสม ความสามารถในการขึ้นรูปอาจใกล้เคียงหรือต่ำกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางเล็กน้อย
• เหล็กกล้าไร้สนิมที่ขึ้นรูปได้ง่าย: เกรดที่มีกำมะถันเป็นส่วนประกอบนั้นมีประสิทธิภาพดีในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรแบบอัตโนมัติและมีประสิทธิภาพสูง

ดังนั้น จึงไม่ควรคิดว่าเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอย่างสม่ำเสมอ

8.4คำถามที่ 4: เมื่อความสามารถในการตัดเฉือนไม่ดี การลดความเร็วในการตัดเป็นวิธีแก้ปัญหาเพียงอย่างเดียวหรือไม่?

ไม่ การลดความเร็วในการตัดมักเป็นการบรรเทาเพียงอาการเท่านั้น ไม่ใช่การแก้ไขสาเหตุที่แท้จริง

แนวทางที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ได้แก่:

• การเลือกวัสดุเครื่องมือตัดที่เหมาะสมยิ่งขึ้น;
• การปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องมือ: มุมคายเศษ ความแข็งแรงของคมตัด และรัศมีปลายเครื่องมือ;
• การปรับค่าพารามิเตอร์การตัดต่างๆ
• ปรับเปลี่ยนสภาวะการอบชุบความร้อนของชิ้นงานเมื่อจำเป็น

ในหลายกรณี การเพิ่มความเร็วในการตัดอย่างเหมาะสมสามารถช่วยลดการเกิดคราบสะสมบนคมตัดและปรับปรุงคุณภาพผิวงานได้

8.5คำถามที่ 5: การอบชุบความร้อนมีผลกระทบต่อความสามารถในการขึ้นรูปมากน้อยเพียงใด?

ผลกระทบนั้นมีมาก การอบชุบด้วยความร้อนสามารถทำได้หลายวิธี เช่น การทำให้เป็นปกติ การอบอ่อน หรือการอบอ่อนเพื่อทำให้เป็นทรงกลม:

• ปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ;
• ลดแรงตัด;
• ปรับปรุงพฤติกรรมการหักชิปให้ดีขึ้น;
• ช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือได้อย่างมาก

 

อ้างอิง

https://www.3erp.com/blog/what-is-machinability-and-how-is-it-measured/
https://elitemoldtech.com/what-is-machinability/ https://www.canadianmetalworking.com/canadianmetalworking/article/metalworking/understanding-machinability