การขึน้รปูโลหะ (Metal Forming)

รหสัวชิา 255417

โดย....ดร.วสวชัร นาคเขียว

ภาควิชาวิศวกรรมอตุสาหการ

คณะวิศวกรรมศาสตร ์มหาวิทยาลยัเชียงใหม่

กระบวนการผลติ (Manufacturing Processes) • คาํวา่ manufacturing มรีากทางภาษามาจากภาษาละตนิ manu factus แปลวา่ ทาํดว้ย

มอื

• กระบวนการผลติ (Manufacturing Processes) เกีย่วขอ้งกบัการทาํใหว้ตัถุดบิเปลีย่น

รปูทรง ขนาด หรอืสมบตั ิมาเป็นสนิคา้ (product) ทีต่อ้งการ

• การเปลีย่นรปูทรง ขนาด หรอืสมบตั ินัน้มกีารทาํไดห้ลายกระบวนการ เชน่

- กระบวนการขจดัเศษต่างๆ เชน่ การกลงึ, การกดั, การเจยีระไน, และอื่นๆ

0 การขึน้รปูหรอืเปลีย่นรปูทรงโดยไมม่เีศษออกมา เชน่ การขึน้รปูลกัษณะต่างๆ

+ การเพิม่หรอืเชือ่มวสัดุเขา้ดว้ยกนั เชน่ กระบวนการเชือ่ม, กรรมวธิโีลหะผง, และ

อื่นๆ

กระบวนการผลติ (Manufacturing Processes) การเปลีย่นแปลงรปูทรง ขนาด

• นอกจากดจูะแยกตามวธิกีารขา้งตน้แลว้ ยงัสามารถแยกไปเป็น ระดบัของกระบวนการ

- Macro Scale (มหภาค)

- Micro Scale (จลุภาค)

เชน่

กระบวนการ Macro-scale Micro-scale

0 การรดีขึน้รปู (Rolling)

การขดัเงาระดบัพืน้ผวิ: Surface

Burnishing

การตขีึน้รปู (Forging)

การดนัขึน้รปู (Forging)

+ การเชือ่ม (Welding) Electroplating:การชบุโลหะดว้ยไฟฟ้า

- การกลงึ (Turning) Micro-laser

การกดั (Milling)

กระบวนการผลติ (Manufacturing Processes) การเปลีย่นแปลงรปูทรง ขนาด

• นอกจากน้ียงัอาจแบง่ไดต้ามอุณหภมู ิ

- การขึน้รปูเยน็ (Cold Working): มกีารแปรรปู (deformation) ทีอุ่ณหภมูติํ่ากวา่ 0.5*Tm

- การขึน้รปูรอ้น (Hot Working): มกีารแปรรปู (deformation) ทีอุ่ณหภมูปิระมาณหรอืสงู

กวา่ 0.5*Tm

โดยที ่Tm คอืจดุหลอมเหลวของวสัดุ

(ในบางกรณมีกีารใหค้วามรอ้นกบัวสัดุจนถงึประมาณ 0.3*Tm (การขึน้รปูอุ่น) เพือ่ลด

แรงทีใ่ชใ้นการขึน้รปู)

การขึน้รปูโลหะ (Metal Forming)

• เป็นกระบวนการแปรรปู (deformation) ทีเ่กีย่วขอ้งในสว่นของการแปรรปูถาวร (plastic

deformation) ของวสัดุโดยจะเป็นการไหลของของแขง็ (การหล่อ (casting) นัน้ตอ้งทาํให้

โลหะหลอมเหลวก่อน)

นกัศกึษาคงทราบวา่ :การแปรรปูของวสัดุ (deformation process) มสีองแบบคอื การแปรรปูแบบ

ยดืหยุน่ (elastic deformation) และ การแปรรปูแบบถาวร (plastic deformation) ซึง่จะดไูด้

จากการทดสอบแรงดงึ (tensile test)

แสดงการทดสอบแรงดงึ

specimen extensometer

การขึน้รปูโลหะ (Metal Forming)

ตวัอยา่ง ลกัษณะกราฟทีไ่ดจ้ากการทดสอบแรงดงึ

• โดยปกตแิลว้ในการขึน้รปูโลหะจะตอ้งใชแ้รงมาก (มกีารใหค้วามรอ้นเพือ่ลดแรงในการขึน้รปู)

ตวัแปรตน้ของการขึน้รปูโลหะ

• ในทางคณติศาสตร ์สมการเสน้ตรงธรรมดา y = ax+b นัน้ y = ตวัแปรตาม, x = ตวัแปรตน้,

a= slope,และ b = จดุตดัแกน y แต่ในความเป็นจรงิของกระบวนการนัน้ในแต่ละตวัแปรตาม

มกัจะประกอบไปดว้ยหลายตวัแปรตน้

• ตวัแปรต้น (Independent variable) ทีส่าํคญัของการขึน้รปูโลหะ เชน่

- วสัดุตัง้ตน้

- รปูทรงวสัดุตัง้ตน้

- เครือ่งมอื เครือ่งจกัรทีใ่ชใ้นการขึน้รปู รปูทรงของได (die)

- อุณหภมูติัง้ตน้

- ความเรว็ของกระบวนการ

- ปรมิาณของการแปรรปู

ตวัแปรตามของการขึน้รปูโลหะ

• ตวัแปรตาม (dependent variable) ทีส่าํคญั

ของการขึน้รปูโลหะ เชน่

- แรงและพลงังานทีใ่ช ้

- สมบตัขิองชิน้งานทีอ่อกมา

- ความเรยีบผวิ (surface finish) และ ความ

เทีย่งตรง (precision)

- อุณหภมูสิดุทา้ย

• การหาความสมัพนัธร์ะหวา่งตวัแปรตน้กบัตวัแปร

ตาม สามารถทาํไดโ้ดยใชเ้ทคนิคทางสถติเิชน่

ANOVA, Multiple-linear regression, finite

element analysis และประสบการณ์ เขา้มาหา

ความสมัพนัธข์องตวัแปรตน้ กบั ตวัแปรตาม

States of Stress (ความเคน้)

กระบวนการขึน้รปูลกัษณะต่างๆ

การรดีขึน้รปู

การตขีึน้รปู

การดนัขึน้รปู

การรดีขึน้

รปูแบบหมุน

เฉือน

กระบวนการขึน้รปูลกัษณะต่างๆ การขึน้รปูถว้ย

การบบีขึน้รปู

การขึน้รปู

พมิพล์กึ

การดงึขึน้รปู

ลวดหรอืถว้ย

แรงเสยีดทาน และสารหลอ่ลืน่ ในการขึน้รปู

• ในกระบวนการขึน้รปูนัน้ ตอ้งใชแ้รง และ แรงดนัสงูในการทีจ่ะทาํใหว้สัดุตัง้ตน้ แปรรปู ในหลายๆกระบวนการ อาจจะใชพ้ลงังานมากกวา่ 50% ทีเ่สยีไปจากแรงเสยีดทาน (friction)

• การนําพวกสารหล่อลื่นมาใช ้สามารถทาํใหก้ารไหลของวสัดุของแขง็ทาํไดด้ขี ึน้ สามารถลดของเสยีจากการขึน้รปู ปรบัสภาพพืน้ผวิ ความเรยีบ หลงัการขึน้รปู

• อตัราในการผลติ (production rate), เครือ่งมอื เครือ่งจกัรทีใ่ช,้ การสกึกรอ่นของเครือ่งมอื ได นัน้สามารถหาภาวะทีด่ทีีส่ดุ (optimize) ไดด้ว้ยการควบคุม และจดัการกบัแรงเสยีดทาน

• แรงเสยีดทานในการขึน้รปูประกอบดว้ยสองสว่น

1. ทีแ่รงดนั (pressure) ตํ่า นัน้ F = µ N โดยที ่F = แรงเสยีดทาง (นิวตนั), µ = คา่สมัประสทิธิข์องแรงเสยีดทาน, และ N = แรงปฎกิริยิาทีต่ ัง้ฉากกบัผวิสมัผสั (นิวตนั)

2. ทีแ่รงดนั (pressure) สงู นัน้ แรงเสยีดทานเกีย่วเน่ืองกบั ความแขง็แรง (strength) ของวสัดุทีม่คีา่ความตา้นแรงดงึตํ่ากวา่ ซึง่กค็อืวสัดุตัง้ตน้ทีถ่กูนํามาขึน้รปูนัน่เอง

แรงเสยีดทาน และสารหลอ่ลืน่ ในการขึน้รปู

• สารหล่อลื่น มหีน้าทีห่ลกัๆคอื ลดแรงเสยีดทาน เพือ่ลดความสกึกรอ่นของเครือ่งมอื, ได และในบางกรณยีงัสามารถชว่ยลดอตัราการขึน้สนิม เป็นน้ํายาระบายความรอ้น ไดด้ว้ย

อุณหภมูใินการขึน้รปู

• การขึน้รปูเยน็ (Cold Working): มกีารแปรรปู (deformation) ทีอุ่ณหภมูติํ่ากวา่ 0.5*Tm ซึง่

เป็นอุณหภมูวิสัดุจะมกีารจดัเรยีง crystal ใหม ่(recrystallization temperature) โดยที ่Tm คอื

จดุหลอมเหลวของวสัดุ

- การแปรรปูถาวร (plastic deformation) เกดิขึน้ทีอุ่ณหภมูติํ่ากวา่ recrystallization

temperature

ข้อดี

1) ใชใ้นการผลติชิน้สว่นหรอืผลติภณัฑจ์าํนวนมาก

2)โดยมากจะมชีิน้สว่นทีผ่ลติออกมาจะพืน้ผวิเรยีบ

3) ไมค่อ่ยมสีิง่เจอืปน

4) ความเทีย่งตรงด ี

5) ไมใ่ชพ้ลงังานมากในการใหค้วามรอ้น

อุณหภมูใินการขึน้รปู

ข้อเสีย

1) ใชแ้รงมากในการทาํใหเ้กดิการแปรรปูแบบถาวร

2) ตอ้งใชพ้ลงังานมาก เครือ่งมอื เครือ่งจกัรตอ้งออกแบบมาเพือ่สามารถรบัแรงไดส้งู

3) อาจจะตอ้งปรบัปรงุสมบตัทิางกลของวสัดุดว้ยกระบวนการทางความรอ้นเชน่ annealing

process (เพือ่ปรบัปรงุความยดืหยุน่ของผลติภณัฑ ์(ductility))

4) ความเคน้ตกคา้งแบบดงึ (tensile residual stress) ทีไ่มพ่งึประสงคม์กัจะตกคา้งอยูใ่นวสัดุ

ซึง่ทาํใหอ้ายุการใชง้านของวสัดุลดน้อยลง

อุณหภมูใินการขึน้รปู

• การขึน้รปูรอ้น (Hot Working): มกีารแปรรปู (deformation) ทีอุ่ณหภมูปิระมาณหรอืสงูกวา่

0.5*Tm

ข้อดี เชน่

a) ลดแรงในการแปรรปู

b) มคีวามยดืหยุน่ทีด่ ี

ขอ้เสยี เชน่

1) ใชพ้ลงังานมากในการใหค้วามรอ้น

2) ถา้มสีิง่เจอปนมาก อตัราการเยน็ตวัของวสัดุและสิง่เจอืปนจะไมเ่ทา่กนั อาจทาํใหเ้กดิการ

แตกหกัได ้(cracking)