สร้างวิทยาศาสตร์ยอดนิยม
การตีขึ้นรูป การตีขึ้นรูปหมายถึงการใช้เครื่องจักรขึ้นรูปโลหะเพื่อกดดันแท่งโลหะให้เกิดการเปลี่ยนรูปพลาสติก เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกล รูปร่าง และขนาดที่ต้องการ เป็นหนึ่งในสององค์ประกอบหลักของการตีขึ้นรูป (รวมถึงการตีขึ้นรูปและการปั๊มขึ้นรูป) การตีขึ้นรูปช่วยขจัดข้อบกพร่อง เช่น การหลอมโลหะ และปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค ในขณะเดียวกัน เนื่องจากยังคงรักษารูปทรงของโลหะไว้ได้อย่างสมบูรณ์ คุณสมบัติทางกลของชิ้นงานตีขึ้นรูปจึงมักดีกว่าชิ้นงานหล่อจากวัสดุเดียวกัน ในเครื่องจักรที่เกี่ยวข้อง สำหรับชิ้นส่วนสำคัญที่มีภาระสูงและเงื่อนไขการทำงานที่เข้มงวด นอกเหนือจากรูปทรงที่ค่อนข้างง่ายซึ่งสามารถใช้แผ่นรีด โปรไฟล์ หรือชิ้นส่วนเชื่อมได้แล้ว ส่วนใหญ่จะใช้การตีขึ้นรูป
- อุณหภูมิการเปลี่ยนรูป
อุณหภูมิเริ่มต้นของการตกผลึกใหม่ของเหล็กอยู่ที่ประมาณ 727℃ แต่โดยทั่วไปจะใช้ 800℃ เป็นเส้นแบ่ง อุณหภูมิที่สูงกว่า 800℃ เรียกว่าการตีขึ้นรูปด้วยความร้อน อุณหภูมิระหว่าง 300 ถึง 800℃ เรียกว่าการตีขึ้นรูปอุ่นหรือการตีขึ้นรูปกึ่งร้อน และการตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้องเรียกว่าการตีขึ้นรูปเย็น การตีขึ้นรูปที่ใช้ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เป็นการตีขึ้นรูปด้วยความร้อน ส่วนการตีขึ้นรูปอุ่นและการตีขึ้นรูปเย็นนั้นส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตีขึ้นรูปชิ้นส่วนรถยนต์ เครื่องจักรทั่วไป และชิ้นส่วนอื่นๆ การตีขึ้นรูปอุ่นและการตีขึ้นรูปเย็นสามารถประหยัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- หมวดหมู่การตีขึ้นรูป
ดังที่กล่าวมาข้างต้น การตีขึ้นรูปสามารถแบ่งได้ตามอุณหภูมิการตีขึ้นรูป ได้แก่ การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิปานกลาง และการตีขึ้นรูปด้วยความเย็น ส่วนการตีขึ้นรูปสามารถแบ่งได้ตามกลไกการขึ้นรูป ได้แก่ การตีขึ้นรูปอิสระ การตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ การขึ้นรูปด้วยวงแหวน และการตีขึ้นรูปพิเศษ
1) การตีขึ้นรูปอิสระ
หมายถึงวิธีการแปรรูปโดยใช้เครื่องมืออเนกประสงค์แบบง่ายๆ หรือการใช้แรงภายนอกโดยตรงกับชิ้นงานระหว่างแท่นรองบนและล่างของอุปกรณ์ตีขึ้นรูป เพื่อเปลี่ยนรูปชิ้นงานและได้รูปทรงและคุณภาพภายในที่ต้องการ ชิ้นงานที่ผลิตด้วยวิธีการตีขึ้นรูปอิสระเรียกว่าชิ้นงานตีขึ้นรูปอิสระ การตีขึ้นรูปอิสระส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการผลิตชิ้นงานตีขึ้นรูปในปริมาณน้อย โดยใช้ค้อนตีขึ้นรูป เครื่องอัดไฮดรอลิก และอุปกรณ์ตีขึ้นรูปอื่นๆ ในการขึ้นรูปและแปรรูปชิ้นงานเพื่อให้ได้ชิ้นงานตีขึ้นรูปที่มีคุณภาพ กระบวนการพื้นฐานของการตีขึ้นรูปอิสระ ได้แก่ การอัด การยืด การเจาะ การตัด การดัด การบิด การเคลื่อน และการตีขึ้นรูป การตีขึ้นรูปอิสระทั้งหมดนี้ใช้ในโหมดการตีขึ้นรูปด้วยความร้อน
2) การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์
การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์แบ่งออกเป็น การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เปิด และการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ปิด โดยโลหะแท่งจะถูกอัดและขึ้นรูปในห้องแม่พิมพ์เพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์โดยทั่วไปใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาและปริมาณมาก การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์สามารถแบ่งออกเป็น การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ร้อน การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์อุ่น และการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เย็น การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์อุ่นและการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เย็นเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตของการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ และยังแสดงถึงระดับของเทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์อีกด้วย
ตามคุณสมบัติของวัสดุ การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ยังสามารถแบ่งออกเป็น การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์โลหะเหล็ก การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก และการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ผง ส่วนวัสดุที่ใช้จะเป็นโลหะเหล็ก เช่น... เหล็กกล้าคาร์บอนโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม และวัสดุที่ผลิตด้วยกรรมวิธีโลหะผง
กระบวนการอัดขึ้นรูปควรจัดอยู่ในกลุ่มการตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ และสามารถแบ่งออกเป็น การอัดขึ้นรูปโลหะหนัก และการอัดขึ้นรูปโลหะเบา
การตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ปิดและการตีขึ้นรูปด้วยหัวปิดเป็นกระบวนการตีขึ้นรูปขั้นสูงสองแบบ เนื่องจากไม่มีขอบลอย จึงมีอัตราการใช้ประโยชน์จากวัสดุสูง การตกแต่งชิ้นงานตีขึ้นรูปที่ซับซ้อนสามารถทำได้ในกระบวนการเดียวหรือหลายกระบวนการ เนื่องจากไม่มีขอบลอย พื้นที่รับแรงของชิ้นงานตีขึ้นรูปจึงลดลง และภาระที่ต้องการก็ลดลงเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าไม่ควรจำกัดขนาดของชิ้นงานอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นปริมาตรของชิ้นงานควรได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด ตำแหน่งสัมพัทธ์ของแม่พิมพ์ตีขึ้นรูปและการวัดขนาดของชิ้นงานตีขึ้นรูป และพยายามลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ตีขึ้นรูป
3) ไปให้ถึงห่วง
การกัดวงแหวนหมายถึงการผลิตชิ้นส่วนวงแหวนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกันโดยใช้เครื่องกัดวงแหวนซึ่งเป็นอุปกรณ์พิเศษ ซึ่งใช้ในการผลิตชิ้นส่วนล้อ เช่น ล้อรถยนต์และล้อรถไฟด้วย
4) การตีขึ้นรูปพิเศษ
การตีขึ้นรูปพิเศษ ได้แก่ การตีขึ้นรูปด้วยลูกกลิ้ง การรีดขวางด้วยลิ่ม การตีขึ้นรูปตามแนวรัศมี การตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เหลว และวิธีการตีขึ้นรูปอื่นๆ ซึ่งวิธีการเหล่านี้เหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตชิ้นส่วนรูปทรงพิเศษบางประเภท ตัวอย่างเช่น การตีขึ้นรูปด้วยลูกกลิ้งสามารถใช้เป็นกระบวนการขึ้นรูปเบื้องต้นที่มีประสิทธิภาพเพื่อลดแรงดันในการขึ้นรูปในภายหลังได้อย่างมาก การรีดขวางด้วยลิ่มสามารถผลิตลูกเหล็ก เพลาขับ และการตีขึ้นรูปตามแนวรัศมีสามารถผลิตชิ้นงานตีขึ้นรูปขนาดใหญ่ เช่น ลำกล้องปืนและเพลาขั้นบันได
5) แม่พิมพ์ตีขึ้นรูป
ตามลักษณะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ขึ้นรูป การขึ้นรูปสามารถแบ่งออกเป็น การรีดแบบแกว่ง การรีดแบบหมุนแกว่ง การรีดแบบลูกกลิ้ง การรีดขวางแบบลิ่ม การรีดแบบวงแหวน และการรีดแบบเอียง การรีดแบบลูกกลิ้ง การรีดแบบหมุนแกว่ง และการรีดแบบวงแหวนยังสามารถใช้ในการขึ้นรูปละเอียดได้อีกด้วย เพื่อเพิ่มอัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุ การรีดแบบลูกกลิ้งและการรีดขวางสามารถใช้เป็นกระบวนการแรกในการแปรรูปวัสดุที่เรียวบางได้ การขึ้นรูปหมุน เช่นเดียวกับการขึ้นรูปอิสระ มีข้อดีคือ เมื่อเทียบกับขนาดของชิ้นงานขึ้นรูปแล้ว สามารถขึ้นรูปได้ในกรณีที่ใช้แรงขึ้นรูปน้อย วิธีการขึ้นรูป รวมถึงการขึ้นรูปอิสระ เป็นการแปรรูปวัสดุจากพื้นผิวแม่พิมพ์ไปยังพื้นผิวอิสระ ดังนั้นจึงยากที่จะรับประกันความแม่นยำ ดังนั้น การควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ขึ้นรูปและกระบวนการขึ้นรูปหมุนด้วยคอมพิวเตอร์ จึงสามารถใช้แรงขึ้นรูปต่ำสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีความแม่นยำสูง เช่น การขึ้นรูปใบพัดกังหันไอน้ำขนาดใหญ่และหลากหลายรูปแบบ
การเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ในเครื่องขึ้นรูปโลหะไม่สอดคล้องกับระดับความเป็นอิสระ ตามลักษณะการจำกัดการเสียรูปของจุดตาย เครื่องขึ้นรูปโลหะสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 รูปแบบดังนี้:
รูปแบบแรงจำกัดในการขึ้นรูป: แรงดันน้ำมันขับเคลื่อนตัวกดน้ำมันแบบเลื่อนโดยตรง
โหมดจำกัดระยะชักแบบกึ่งสมบูรณ์: ตัวกดน้ำมันจะขับเคลื่อนตัวกดน้ำมันของกลไกข้อเหวี่ยง
ขีดจำกัดช่วงชัก: เครื่องอัดเชิงกลขับเคลื่อนตัวเลื่อนโดยใช้ข้อเหวี่ยง ก้านเชื่อมต่อ และกลไกลิ่ม
โหมดจำกัดพลังงาน: ใช้กลไกสกรูของเกลียวและการกดเสียดทาน
เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูง ควรระมัดระวังไม่ให้รับน้ำหนักเกินที่จุดตายล่าง และควบคุมความเร็วและตำแหน่งของแม่พิมพ์ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้จะมีผลต่อความคลาดเคลื่อนในการขึ้นรูป ความแม่นยำของรูปทรง และอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ นอกจากนี้ เพื่อรักษาความแม่นยำ ควรปรับระยะห่างของรางนำทางตัวเลื่อน ตรวจสอบความแข็งแรง ปรับจุดตาย และใช้อุปกรณ์ช่วยส่งกำลัง และมาตรการอื่นๆ ด้วย
นอกจากนี้ยังมีการเคลื่อนที่ในแนวตั้งและแนวนอนของรางเลื่อน (สำหรับการตีขึ้นรูปชิ้นส่วนที่เรียวบาง การหล่อลื่นและการระบายความร้อน และการผลิตชิ้นส่วนตีขึ้นรูปความเร็วสูง) โดยการใช้อุปกรณ์ชดเชยสามารถเพิ่มการเคลื่อนที่ในทิศทางอื่นได้ วิธีการข้างต้นแตกต่างกัน แรงตีขึ้นรูปที่ต้องการ กระบวนการ การใช้ประโยชน์จากวัสดุ ผลผลิต ความคลาดเคลื่อนของขนาด และวิธีการหล่อลื่นและการระบายความร้อนก็แตกต่างกัน ปัจจัยเหล่านี้ล้วนเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อระดับของระบบอัตโนมัติ
- วัสดุสำหรับการตีขึ้นรูป
วัสดุที่ใช้ในการขึ้นรูปส่วนใหญ่ได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมชนิดต่างๆ รองลงมาคือ อะลูมิเนียม แมกนีเซียม ทองแดง ไทเทเนียม และโลหะผสมของโลหะเหล่านี้ สถานะเริ่มต้นของวัสดุคือ แท่งโลหะ แท่งโลหะ ผงโลหะ และโลหะเหลว อัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัดของโลหะก่อนการขึ้นรูปต่อพื้นที่หน้าตัดหลังการขึ้นรูปเรียกว่า อัตราส่วนการขึ้นรูป การเลือกอัตราส่วนการขึ้นรูปที่ถูกต้อง อุณหภูมิความร้อนและเวลาการคงอุณหภูมิที่เหมาะสม อุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้ายของการขึ้นรูปที่เหมาะสม อัตราการขึ้นรูปและความเร็วในการขึ้นรูปที่เหมาะสม มีความสัมพันธ์อย่างมากกับการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์และลดต้นทุน
โดยทั่วไปแล้ว ชิ้นงานตีขึ้นรูปขนาดเล็กและขนาดกลางมักเป็นแท่งกลมหรือแท่งสี่เหลี่ยม โครงสร้างเกรนและคุณสมบัติทางกลของวัสดุแท่งควรสม่ำเสมอ มีรูปทรงและขนาดที่แม่นยำ คุณภาพผิวดี และง่ายต่อการผลิตในปริมาณมาก ตราบใดที่ควบคุมอุณหภูมิความร้อนและสภาวะการขึ้นรูปอย่างเหมาะสม ก็สามารถขึ้นรูปชิ้นงานตีขึ้นรูปที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมได้โดยไม่ต้องเสียรูปทรงมากนัก
แท่งโลหะ (Ingot) เหมาะสำหรับงานตีขึ้นรูปขนาดใหญ่เท่านั้น แท่งโลหะเป็นเนื้อโลหะที่หล่อขึ้นรูป มีผลึกทรงกระบอกขนาดใหญ่และมีแกนกลางที่หลวม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องบดผลึกทรงกระบอกให้เป็นเม็ดเล็กๆ และทำการอัดแน่นอย่างหลวมๆ เพื่อให้ได้โครงสร้างโลหะที่ดีและคุณสมบัติทางกลที่เหมาะสม
แท่งโลหะผงสำเร็จรูปที่ผ่านการอัดและเผา สามารถนำไปตีขึ้นรูปได้โดยไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ด้านข้างในขณะที่ยังร้อนอยู่ ผงโลหะที่ใช้ในการตีขึ้นรูปมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับโลหะที่ใช้ในการตีขึ้นรูปทั่วไป มีคุณสมบัติทางกลที่ดีและมีความแม่นยำสูง ซึ่งสามารถลดขั้นตอนการกลึงในภายหลังได้ ชิ้นงานที่ได้จากการตีขึ้นรูปด้วยผงโลหะมีการจัดเรียงตัวอย่างดีโดยไม่มีการแยกตัว และสามารถนำไปใช้ในการผลิตชิ้นงานต่างๆ เช่น เฟืองขนาดเล็กได้ แต่ราคาของผงโลหะสูงกว่าราคาของแท่งโลหะทั่วไปมาก และการใช้งานในกระบวนการผลิตจึงมีข้อจำกัดอยู่บ้าง
การขึ้นรูปโลหะเหลวด้วยแม่พิมพ์ใช้แรงดันคงที่กับโลหะเหลวที่เทลงในห้องแม่พิมพ์ เพื่อให้เกิดการแข็งตัว การตกผลึก การไหล การเสียรูปพลาสติก และการขึ้นรูปภายใต้แรงดัน ทำให้ได้รูปทรงและคุณสมบัติที่ต้องการ การขึ้นรูปโลหะเหลวด้วยแม่พิมพ์เป็นวิธีการขึ้นรูปที่อยู่ระหว่างการหล่อแบบและการตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนผนังบางที่ซับซ้อนซึ่งยากต่อการขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ทั่วไป
นอกจากวัสดุทั่วไป เช่น ส่วนประกอบต่างๆ ของเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมแล้ว วัสดุที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูป ได้แก่ อะลูมิเนียม แมกนีเซียม ทองแดง ไทเทเนียมและโลหะผสมของไทเทเนียม โลหะผสมทนความร้อนสูงที่มีส่วนประกอบของเหล็ก โลหะผสมทนความร้อนสูงที่มีส่วนประกอบของนิกเกล และโลหะผสมทนความร้อนสูงที่มีส่วนประกอบของโคบอลต์ แต่เนื่องจากโลหะผสมเหล่านี้มีช่วงความยืดหยุ่นค่อนข้างแคบ ทำให้การขึ้นรูปด้วยวิธีการตีขึ้นรูปค่อนข้างยาก และแต่ละวัสดุมีข้อกำหนดที่เข้มงวดในเรื่องอุณหภูมิความร้อน อุณหภูมิการขึ้นรูป และอุณหภูมิการขึ้นรูปขั้นสุดท้าย
- ผังกระบวนการ
วิธีการขึ้นรูปโลหะแบบต่างๆ มีกระบวนการที่แตกต่างกัน โดยกระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ร้อนนั้นใช้เวลานานที่สุด โดยทั่วไปลำดับขั้นตอนคือ: การป้อนแท่งโลหะสำหรับการขึ้นรูป; การให้ความร้อนก่อนการขึ้นรูป; การเตรียมการขึ้นรูปด้วยลูกกลิ้ง; การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์; การตัดคม; การเจาะ; การปรับแต่ง; การตรวจสอบขั้นกลาง ตรวจสอบขนาดและข้อบกพร่องบนพื้นผิวของชิ้นงานขึ้นรูป; การอบชุบความร้อนของชิ้นงานขึ้นรูปเพื่อขจัดความเค้นจากการขึ้นรูปและปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดโลหะ; การทำความสะอาด โดยส่วนใหญ่เพื่อขจัดคราบออกซิเดชันบนพื้นผิว; การปรับแต่ง; การตรวจสอบ โดยทั่วไปชิ้นงานขึ้นรูปจะต้องผ่านการตรวจสอบลักษณะและความแข็ง และชิ้นงานขึ้นรูปที่สำคัญจะต้องผ่านการทดสอบด้วยการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี คุณสมบัติทางกล ความเค้นตกค้าง และการทดสอบแบบไม่ทำลาย
- คุณสมบัติของงานตีขึ้นรูป
เมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อ โลหะสามารถปรับปรุงโครงสร้างและคุณสมบัติทางกลได้ การขึ้นรูปด้วยความร้อนหลังจากการตีขึ้นรูปจะทำให้เนื้อโลหะเสียรูป เนื่องจากการเสียรูปและการตกผลึกใหม่ ทำให้โครงสร้างผลึกแบบเดนไดรต์และคอลัมน์ที่หนาเดิมกลายเป็นผลึกละเอียดขนาดสม่ำเสมอเรียงตัวตามแนวแกน ทำให้การแยกตัว ความหลวม รูพรุน และตะกรันเดิมเกิดการอัดแน่นและเชื่อมติดกัน โครงสร้างมีความแน่นหนามากขึ้น ส่งผลให้ความยืดหยุ่นและคุณสมบัติทางกลของโลหะดีขึ้น
คุณสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อต่ำกว่าชิ้นงานตีขึ้นรูปที่ทำจากวัสดุเดียวกัน นอกจากนี้ กระบวนการตีขึ้นรูปยังช่วยให้โครงสร้างเส้นใยโลหะมีความต่อเนื่อง ทำให้โครงสร้างเส้นใยและรูปทรงของชิ้นงานตีขึ้นรูป รวมถึงการไหลของโลหะมีความสมบูรณ์ ส่งผลให้ชิ้นส่วนมีคุณสมบัติทางกลที่ดีและอายุการใช้งานยาวนาน ชิ้นงานตีขึ้นรูปที่ผลิตด้วยกระบวนการตีขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำสูง การอัดรีดเย็น การอัดรีดด้วยความร้อน และกระบวนการอื่นๆ นั้นไม่สามารถเทียบได้กับชิ้นงานหล่อ
การตีขึ้นรูป คือการนำโลหะมาอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันเพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ หรือสร้างแรงอัดที่เหมาะสม โดยปกติแล้วแรงอัดนี้จะทำได้โดยการใช้ค้อนหรือเครื่องอัด การตีขึ้นรูปจะสร้างโครงสร้างอนุภาคละเอียดและปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ ในการใช้งานจริงของชิ้นส่วน การออกแบบที่เหมาะสมจะทำให้อนุภาคไหลไปในทิศทางของแรงดันหลัก การหล่อ คือ การขึ้นรูปโลหะด้วยวิธีการหล่อต่างๆ เช่น การหลอมโลหะเหลว การเท การกด การดูด หรือวิธีการหล่ออื่นๆ ลงในแม่พิมพ์ที่เตรียมไว้ จากนั้นทำให้เย็นลงหลังจากการขัด การทำความสะอาด และการตกแต่งขั้นสุดท้าย เพื่อให้ได้วัตถุที่มีรูปทรง ขนาด และคุณสมบัติที่ต้องการ