กระบวนการปั๊มเข้ารูปโลหะแผ่น (sheet Metal Stamping Process)

กระบวนการปั๊มเข้ารูปโลหะแผ่น (sheet Metal Stamping Process)

ดร.ฉัตรชัย   จันทร์เด่นดวง  

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ


          โลหะแผ่น (sheet metal) ถูกนิยามด้วยอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อความหนาสูง   ถ้าความหนามากกว่า 6 มิลลิเมตร   จะเรียกว่าเพลท (plate) โลหะแผ่นมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง   ดังนั้นชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะแผ่นจะมีน้ำหนักเบาและแข็งแรง   การขึ้นรูปโลหะแผ่นจะเกี่ยวข้อกับการเปลี่ยนรูป (deformation) ด้วยการพับหรือดัด (bending) และ/หรือการยืด (stretching) การปั๊ม (stamping) ซึ่งเป็นวิธีการขึ้นรูปเย็น (cold-working) ของโลหะแผ่นด้วยแม่พิมพ์และเครื่องกด (press) แม่พิมพ์จะเป็นตัวกำหนดรูปร่างและขนาดของชิ้นงานสำเร็จ   ซึ่งประกอบด้วยสองส่วนคือพันซ์ (punch) หรือแม่พิมพ์ และดาย (die) หรือแม่พิมพ์ตัวเมีย   โดยปกติพันซ์จะอยู่ด้านบน   มีขนาดเล็กกว่าดาย   มีรูปร่างคล้ายดายและจะเป็นตัวเคลื่อนที่เข้าหาดาย   เมื่อพั้นซ์และดายประกบกันจะมีช่องว่างเกิดขึ้น   ช่องว่างนี้จะถูกกำหนดโดยชนิดและความหนาของแผ่นโลหะชิ้นงานและวิธีการขึ้นรูป   พั้นซ์และดายจะถูกติดตั้งใยดายเซ็ท (die set) โดยดายจะติดอยู่ที่ฐานล่าง (lower die shoe ) และพั้นซ์ติดอยู่กับฐานบน (upper die shoe) ดายเซ็ททำหน้าที่นำพั้นซ์และดายให้เคลื่อนที่เข้าประกบกันอย่างถูกต้อง   ดายเซ็ทจะถูกนำไปติดตั้งบนเตรื่องกด (press machine) โดยส่วนของดายจะยึดติดอยู่ด้านล่างและพั้นซ์จะยึดติดอยู่ด้านบน

ภาพที่ 1 ดายเซ็ทพร้อมแม่พิมพ์ [1]

ข้อได้เปรียบของกระบวนการปั๊ม (Advantages of Stamping Process)

          กระบวนการปั๊มขึ้นรูปมีข้อได้เปรียบเหนือกว่ากระบวนการอื่นๆ เช่น การหล่อ (casting) การทุบขึ้นรูป (forging) และการกัดแต่ง (machining) ดังนี้

          1. สมารถขึ้นรูปชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนที่ผลิตด้วยวิธีอื่นได้ยาก

          2. ไม่จำเป็นต้องตกแต่งชิ้นงานหลังการปั๊ม

          3. ขนาดของชิ้นงานปั๊มทุกชนิดเท่ากัน สามารถเปรียบกันได้ในงานประกอบ

          4. สมบัติทางกลเพิ่มขึ้น เช่น ควมแข็งแรง เป็นต้น

          5. ชิ้นงานมีน้ำหนักเบามาก

          6. อัตราการผลิตสูง

ภาพที่ 2 ตัวอย่างการปั๊มชิ้นงาน [2]

กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั๊ม (Stamping Process)

          กรรมวิธีที่ใช้ในงานปั๊มขึ้นรูปโลหะแผ่นมีหลายกรรมวิธี  แต่แบ่งได้เป็น 3 กรรมวิธีพื้นฐานหลัก คือ 1. การตัดเฉือน (shearing) ซึ่งแบ่งเป็นการปั๊มเจาะ (blaking) และการตัดเจาะรู (piercing) 2. การตัด (bending) หรือการขึ้นรูป (forming) และ 3. การลากขึ้นรูป (drawing) นอกจากนี้ยังมีกรรมวิธีดังเดิมอื่นๆ เช่น การปั๊มนูน (embossing) การปั๊มจม (coining) การบีบอัด (swaging) การฝานขอบ (shaving) และการตัดขอบ(trimming) การผลิตชิ้นงานโลหะแผ่นจะต้องใช้หลายกรรมวิธีที่กล่าวมาแต่ไม่จำเป็นต้องใช้กรรมวิธีทั้งหมด   กรรรมวิธีที่กล่าวทั้งหทดมีลักษณะการทำงานดังนี้

          1.   Blanking เป็นขั้นตอนแรกที่จะต้องทำในการผลิต โดยจะเป็นการตัดแผ่นโลหะด้วยพั้นซ์และดายให้ได้รูปร่างตามที่ต้องการ   แผ่นโลหะที่ตัดออกมานี้จะนำไปผ่านกรรมวิธีอื่นเพื่อผลิตเป็นชิ้นงานต่อไป

          2. Piercing   โดยทั่วไปเป็นขั้นตอนที่ต่อจาก blanking โดยจะตัดแผ่นโลหะให้เป็นรูตามตำแหน่งที่ต้องการบางครั้ง blanking และ piercing สามารถทำพร้อมกันได้ในขั้นตอนเดียว   ข้อแตกต่างระหว่าง blanking และ piercing จะใช้แผ่นโลหะที่ตัดออกมาด้วยพั้นซ์และดายเป็นชิ้นงาน   ส่วน piercing จะใช้แผ่นโลหะที่ถูกตัดเป็นรูเป็นชิ้นงาน

          3. Bending   เป็นการตัดพื้นผิวระนาบของโลหะทำมุมกันตั้งแต่หนึ่งมุมขึ้นไปโดยความหนาของแผ่นโลหะไม่เปลี่ยนแปลงและรัศมีการดัดจะต้องมากกว่าหรือเท่ากับความหนาของแผ่นโลหะ

          4. Drawing เป็นการสาลขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยพั้นซ์เข้าไปในโพรงของดายโดยปราศจากการยืดของแผ่นโลหะ   ดังนั้นช่องว่างระหว่างพั้นซ์และดายจะเท่ากับความหนาของแผ่นโลหะ

          5. Embossing เป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นหลุมหรือปุ่มตื้นๆ โดยที่ความหนาไม่เปลี่ยนแปลง  ปรกติทำแผ่นป่ายต่างๆ ที่มีตัวอักษรนูน

          6. Coining เป็นการขึ้นรูปแผ่นโลหะให้เป็นลวดโดยการบีบอัดแผ่นโลหะในแม่พิมพ์ปิด   ลวดลายทั้งสองด้านจะไม่เหมือนกันก็ได้ เช่น การทำเหรียญ

ภาพที่ 3  กรรมวิธี  Coining  และ  Embossing  [1]

          7.  Swaging  เป็นการขึ้นรูปโลหะโดยการบีบอัดในแม่พิมพ์เปิด  โลหะจะสามารถไหลผ่านแม่พิมพ์ออกมาได้อย่างอิสระ

          8.  Shaving  เป็นการตัดแต่งขอบแผ่นโลหะผ่านการ  blanking  หรือ  piercing  มาแล้ว

          9.  Trimming  เป็นการทำงานคล้าย  blanking  เพื่อตัดโลหะส่วนเกินออก  วิธีนี้จะทำทีหลังสุดเมื่อแผ่นโลหะผ่านกรรมวิธีอื่นๆ มาแล้ว

ชนิดของแม่พิมพ์  (Types  of  Dies)

              การแบ่งชนิดของแม่พิมพ์สามารถแบ่งตามกรรมวิธีเช่น  แม่พิมพ์ดัด  (bending  die)  หรือจะแบ่งตามวิธีการทำงาน  ซึ่งแบ่งได้ดังต่อไปนี้

              1.  แม่พิมพ์ธรรม  (simple  die)  เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานได้กรรมวิธีเดียวในการกดหนึ่งครั้ง  เช่น  blanking  เป็นต้น

              2.  แม่พิมพ์ผสม  (compound  die)  เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานตัด  (shearing)  ตั้งแต่สองกรรมวิธีขึ้นไปอยู่ในสถานีเดียวกันและสามารถทำงานได้พร้อมกันในการกดหนึ่งครั้ง  เช่นสามารถทำ  blanking  และ  piercing  ได้พร้อมกันในการกดหนึ่งครั้ง  ดังนั้นในการกดหนึ่งครั้งจะได้ชิ้นงานซึ่งหลุดออกจากแถบโลหะ  (strip)  ที่ป้อนเข้าไป

ภาพที่ 4  แม่พิมพ์แบบ  Compound Die[1]

              3.  แม่พิมพ์รวม  (combination  die)  เป็นแม่พิมพ์ที่ทำงานเหมือน  compound  die  นอกจากทำงานตัดแล้ว  จะทำงานอย่างอื่นไปพร้อมกันได้ด้วยเช่น  bending  และ drawing  เป็นต้น

              4.  แม่พิมพ์แบบลำดับ  (progressive  die)  เป็นแม่พิมพ์ที่สามารถทำงานพร้อมกันได้ตั้งแต่สองกรรมวิธีขึ้นไป  แตกต่างจาก  compound  die  ตรงที่แต่ละกรรมวิธีจะอยู่แยกสถานีกัน  ดังนั้นการออกแบบ  progressive  die  จะง่ายกว่า   compound  die  ชิ้นงานที่ถูกป้อนผ่านแต่ละสถานีด้วยระบบกลไกอัตโนมัติจะยังคงติดอยู่กับแถบโลหะจนถึงสถานีสุดท้ายจึงจะหลุดออกมาเป็นชิ้นงานสำเร็จ

ภาพที่ 5  แม่พิมพ์แบบ  Progressive  Die[1]

              5.  แม่พิมพ์แบบชิ้นงานเคลื่อน  (transfer  die)  เป้นระบบี่แตกต่างจาก  progressive  die  ตรงที่ชิ้นงานเป็นชิ้นที่หลุดออกจากแถบโลหะแล้วจะถูกส่งผ่านแต่ละสถานีด้วยกลไลของก้านโยก  (lever)  หรือลูกเบี้ยว  (cam)  ที่สร้างขึ้นหรือติดตั้งบนเครื่องกด  ระบบนี้ต้องการอุปกรณ์เพิ่มเช่น   ตัวปลด  (stripper)  ,  เข็มกระทุ้ง  (ejector  pin)  และ  ตัวกันกระแทกแม่พิมพ์  (die cushion)  เป็นต้น

ชนิดของเครื่องกด  (Press  Machines)


              การแบ่งชนิดของเครื่องกดสามารถแบ่งได้หลายวิธีเช่น  แบ่งตามแหล่งให้กำลัง  แบ่งตามชนิดก้านกระทุ้ง  (ram)  แบ่งตามโครงสร้างของเครื่อง  หรือแบ่งตามจุดมุ่งหมายในการทำงาน  เป็นต้น  แต่ในที่นี้จะแบ่งชนิดของเครื่องกดตามกลไลการถ่ายทอดกำลังให้แก่ก้านกระทุ้ง  ซึ่งสามารถแบ่งได้ดังนี้

              1.  กลไกแบบข้อเหวี่ยง  (crank)  เป็นระบบขับเคลื่อนที่ธรรมดาที่สุด  ใช้ข้อเหวี่ยง  ในจังหวะเคลื่อนที่ลงความเรว็วจะเพิ่มขึ้น  ความเร็วจะสูงสุดที่กึ่งกลางของช่วงชัก  (stroke)  ส่วนมากการกดแม่พิมพ์จะเกิดขึ้นที่ความวเร็วสูงสุดนี้

              2.  กลไกแบบเยื้องศูนย์  (eccentric)  จะเหมือนกับ crank  แต่ช่วงชักจะสั้นกว่า  และจะมีความแข็งแรงกว่า

              3.  กลไกแบบลูกเบี้ยว  (cam)  จะคล้ายกับ  eccentric  แต่จะใช้กับการเคลื่อนที่ของ  ram  ที่พิเศษตามความต้องการ

              4.  กลไกแบบเฟืองรางและเกียร์  (rank  and  gear)  ใช้เมื่อต้องการช่วงชักที่ยาวมากๆ  การเคลื่อนที่สม่ำเสมอแต่จะช้ากว่าแบบ  crank  จะมีตัวหยุดเพื่อควบคุมช่วงชักได้   และอาจจะติดตั้งอุปกรณ์ quick-return  เพื่อให้  ram  เคลื่อนที่กลับไปจุดตั้งตั้นได้อย่างรวดเร็ว

              5.  กลไกแบบไฮดรดลิก  (hydraulic)  ใช้ในเครื่องกดและงานต่างๆ  มากมาย  การคลื่อนที่ช้าแต่ให้แรงกดมาก  เหมาะกับงาน  forming  และ  drawing

              6.  กลไกแบบข้อต่อร่วม  (knuckle  joint)  เป็นระบบที่นิยมใช้กันมากเนื่องจากความได้เปรียบทางกลสูงที่ระบบยืดสุดซึ่งจะให้แรงกดสูง  จึงเหมาะสำหรับการทำ  coining  และ  sizing

              7.  กลไลแบบข้อศอก  (toggle)   ใช้ในการยึดแผ่นโลหะ  (blank-holder)  ในงาน  drawing  เป็นหลัก  การออกแบบมีหลากหลายแต่จุดประสงค์หลักคือต้องยึดแผ่นโหละให้อยู่ในตำแหน่งได้อย่างเพียงพอ

              8.  กลไกแบบสกรู  (screw)  เป็นระบบขับเคลื่อนที่ใช้แผ่นจานเสียดทาน  (friction  disk)  ขับล้อตุนกำลัง  (flywheel)  ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มาก  ที่ระยะยืดสุดพลังงานที่สะสมที่ล้อตุนกำลังจะถ่ายทอดลงชิ้นงาน

ภาพที่ 6  แสดงกลไกของเครื่องกดชนิดต่างๆ [1]

              เครื่องกดที่ใช้ระบบกลไกโดยใช้  flywheel  ในการให้กำลังจะสามารถให้แรงกดได้ตั้งแต่  20-6,000  ตันและช่วงชักได้ตั้งแต่  5-500  มิลลิเมตรและมีความเร็วตั้งแต่  20-1,500  ครั้งแต่นาที  ระบบกลไกนี้จึงเหมาะกับงาน  blanking  และงาน  drawing  สำหรับเครื่องกดที่ใช้ระบบไฮดรอลิกในการให้กำลังสามารถสร้างแรงกดได้ตั้งแต่  20-10,000  ตัน  ช่วงชักได้ตั้งแต่  10-800  มิลลิเมตร  ระบบไฮดรอลิกสามารถให้กำลังเต็มที่ได้ทุกระยะของช่วงชัก  จึงเหมาะสำหรับงาน  deep  drawing  และงานที่ใช้  combination  die  (blanking  และ bending)

ลักษณะของชิ้นงานปั๊ม  (Characteristics  of  Stamped  Parts)

              ชิ้นงานที่เกิดจากกระบวนการปั๊มจะมีความหนาของชิ้นงานคงที่สม่ำเสมอ  (ยกเว้นบางกรณี)  รูปร่างชิ้นงานมีได้แต่รูปร่างง่ายๆ  ไปจนถึงรูปร่างที่ซับซ้อน  ความหนาของชิ้นงานปั๊มอยุ่ในช่วงระหว่าง  0.025  มิลลิเมตร  ถึง  20  มิลลิเมตร  แต่โดยส่วนใหญ่มักอยู่ระหว่าง  1.3  มิลลิเมตร  ถึง  9.5  มิลลิเมตร  ขนาดของชิ้นงานปั๊มสามารถมีขนาดเล็กเท่าชิ้นส่วนนาฬิกาข้อมือไปจนถึงตัวถังรถบรรทุกหรือเครื่องบิน  ลักษณะของชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการปั๊มจะมีลักษณะที่เกิดขึ้นได้ดังนี้

             1.  ขอบหนาม  (burr-side)  และรัศมีการตัด  (cut  radius)  การตัดแผ่นโลหะด้วยวิธี  blanking  หรือ  piercing  จะเกิดลักษณะที่ขอบรอยตัดของแผ่นโลหะ  ด้านหนึ่งขรุขระไม่เรียบเหมือนหนาม  เรียกลักษณะนี้ว่า  burr-side  ส่วนขอบรอยตัดด้านตรงข้ามจะเกิดรัศมีการตัด  หรือที่เรียกว่า  rollover  การแก้ไขสามารถทำได้โดยกรรมวิธี  deburring

ภาพที่ 7 Burr  และ  Rollover  ที่เกิดขึ้นในงานเจาะรู [3]

              2.  Concentricity  เป็นการเยื้องกันเล็กน้อยของจุดศูนย์กลางของเส้นรอบรูปวงในและวงนอกซึ่งจะเกิดขึ้นในทุกกระบวนการปั๊มยกเว้นการใช้  compound  die  ชิ้นงานจะยอมรับได้ถ้าค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกินค่าที่ระบุไว้

              3.  Flatness/Blanking  Distortion  เป็นการโก่งงอของชิ้นงานเล็กน้อยเนื่องจากความเค้นทีชอบของชิ้นงานจากแรงกด  ปริมาณการโก่งงอจะเพิ่มขึ้นตามขนาดของพื้นที่ผิว  ชนิดของวัสดุ  ความหนา  และรูปร่างของชิ้นงาน  มีผลกระทบต่อการควบคุมความแบนราบ   (flatness)  และชนิดของแม่พิมพ์มากที่สุด  compound  die  จะให้ชิ้นงานมีความแบนราบมากที่สุด

ข้อแนะนำในการออกแบบชิ้นงานปั๊ม  (Design  Recommendations)

              การออกแบบชิ้นงานปั๊มที่ดีจะต้องใช้วัตถุดิบให้คุ้มค่ามากที่สุดและสามารถผลิตได้โดยไม่มีของเสียเกิดขึ้น ลำดับขั้นตอนการผลิตก็มีความสำคัญเช่นกัน  กรรมวิธีที่ใช้ในการผลิตก็ยังมีข้อจำกัดในตัวเอง  ข้อแนะนำในการออกแบบแยกเป็นแต่ละกรรมวิธีหลักได้ดังนี้
Blanking

              -  มุมมองชิ้นงานควรมีรัสมีอย่างน้อยเท่กับ  0.5  เท่าของความหนาของแผ่นโลหะและแผ่นโลหะต้องมีความหนาไม่น้อยกว่า 0.8 มิลลิเมตร

              -   ความกว้างของ slot และ Tab ควรมีค่ามากกว่า 1.5 คูณความหนาของแผ่นโลหะและความยาวต้องไม่เกิน 5 เท่าของความกว้าง

              -   หลีกเลี่ยงการปั๊มส่วนโค้งครึ่งวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับความกว้างของแผ่นโลหะ

ภาพที่ 8 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Blanking [2.5]

Piercing
              -รูควรมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับหรือมากกว่าความหนาแผ่นโลหะ (หรือเท่ากับ 2 เท่าสำหรับเหล็กสเตน)

              -ระยะห่างระหว่างนรูควรเท่ากับ 2 เท่าของความหนาแผ่นโลหะหรือมากกว่า

              -ระยะห่างระหว่างรูกับชิ้นงานควรเท่ากับควมหนาแผ่นโลหะเป็นอย่างน้อย

ภาพที่ 9 ข้อแนะนำในกรรมวิธี piercing [2]

Bending
              -แนวรอยพับควรตั้งฉากกับแนวเกรนของแผ่นโลหะ (แนวการกรีด) เพื้อป้องกันการแตกตามรอยพับ

              -รูควรห่างจากรอยพับอย่างน้อยเท่ากับ 1.5 เท่าของความหนาแผ่นโลหะบวกกับรัศมีการพีบเพื่อป้องกันรูบิดเบี้ยว

              -มุมการพับด้านในควรจะเท่ากับ 90 องศา

              -การพับเป็นรูป Channel ความกว้างต่อความสูงอย่างน้อยควรเท่ากับ 2:1 และความกว้างควรเท่ากับ 3 เท่าของความหนาแผ่นโลหะเป็นอย่างน้อย

ภาพที่ 10 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Bending [2]

Drawing
              -หลีกเลี่ยงผนังถ้วยที่เป็น Taper เพราะค่าใช้จ่ายสูงมากกว่าผนังตรง

              -กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉพาะด้านในด้านในหรือด้านนอกเท่านั้นเพราะสามารถควบคุมขนาดได้ด้านเดียว

              -หลีกเลี่ยงมุมแหลมที่ก้นถ้วย   ควรมีรัศมีอย่างน้อย 4 เท่าของความหนาแผ่นโลหะ

              -มุมของกล่องสี่เหลี่ยมควรมีรัศมีอย่างน้อย 0.25 เท่าของความลึกของกล่อง

ภาพที่11 ข้อแนะนำในกรรมวิธี Drawing [2]

              นอกจากข้อแนะนำในกรรมมวิธีการผลิตแล้ว   การจัดวางชิ้นงานลงบนแผ่นโลหะก็มีความสำคัญที่จะช่วยลดเศษวัสดุลงได้   บางครั้งจำเป็นต้องแก้ไขแบบชิ้นงานใหม่โดยชิ้นงานยังคงทำหน้าที่ได้เหมือนเดิมแต่สามารภถประหยัดวัตถุดิบลงได้ดังภาพที่ 12 และในงานที่ต้องการความเที่ยงตรง ลำดับขั้นตอนการผลิตก็สามารถช่วยลดของเสียลงได้ ดังตัวอย่างในภาพที่ 13 ซึ่งต้องการให้รูอยู่ในแนวเดียวกัน

ภาพที่ 12 การจัดวางแลพการปรับเปลี่ยนแบบชิ้นงานเพื่อลดเศษวัสดุ [4]

ภาพที่ 13 (a) เจาะรูก่อนพับ, (b) พับก่อนแล้วเจาะรู, (c) เจาะรูก่อนแล้วพับโดยขยายรูใดรูหนึ่งให้กว้างขึ้น, (d) เจาะรูก่อนแล้วพับโดยมีรูยึดชิ้นงานในการพับ [2]

tags :

บทความอื่นๆ

​รู้จักเจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2557 : อิซามุ อะคาซากิ

​รู้จักเจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2557 : อิซามุ อะคาซากิ new post

อิ่วจาก้วยนะ ไม่ใช่ปาท่องโก๋

อิ่วจาก้วยนะ ไม่ใช่ปาท่องโก๋

ลักษณะเสียงร้องของทารก..สิ่งที่ควรอนุรักษ์ไว้อย่างมากที่สุดในประวัติศาสตร์ตลอดของการมีสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

ลักษณะเสียงร้องของทารก..สิ่งที่ควรอนุรักษ์ไว้อย่างมากที่สุดในประวัติศาสตร์ตลอดของการมีสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

เติมทรายแก้ปัญหาการกัดเซาะชายฝั่ง ปัญหาภัยพิบัติที่วิกฤตที่สุดของประเทศไทย!!!

เติมทรายแก้ปัญหาการกัดเซาะชายฝั่ง ปัญหาภัยพิบัติที่วิกฤตที่สุดของประเทศไทย!!!

ห้องเรียนกลับด้าน ผังการเรียนรู้ผสานโซเชียลมีเดียและอินโฟกราฟฟิค ศาสตร์การเรียนรู้ในศตวรรษที่ 21

ห้องเรียนกลับด้าน ผังการเรียนรู้ผสานโซเชียลมีเดียและอินโฟกราฟฟิค ศาสตร์การเรียนรู้ในศตวรรษที่ 21