การคำนวณแรงตันสำหรับการตัดขึ้นรูป: สูตรที่จำเป็น

สรุปสั้นๆ

การคำนวณความต้องการแรงดันในการตัด (tonnage) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเลือกเครื่องอัดขึ้นรูปที่เหมาะสม และเพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการผลิตจะประสบความสำเร็จ สูตรพื้นฐานคือ: แรงดัน (Tonnage) = เส้นรอบรูปของการตัด (นิ้ว) × ความหนาของวัสดุ (นิ้ว) × ความต้านทานแรงเฉือนของวัสดุ (ตัน/ตารางนิ้ว) ความแม่นยำของการคำนวณนี้ขึ้นอยู่กับการใช้ค่าความต้านทานแรงเฉือนที่ถูกต้องสำหรับวัสดุเฉพาะของคุณ เนื่องจากค่านี้มีความแตกต่างกันอย่างมากระหว่างโลหะต่างๆ เช่น เหล็กกล้าอ่อน เหล็กอลูมิเนียม และเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง

สูตรพื้นฐานสำหรับการคำนวณแรงดันในการตัดขึ้นรูป

แก่นหลักของการทำงานตัดขึ้นรูปใดๆ คือการคำนวณที่สำคัญ เพื่อกำหนดแรงที่จำเป็นในการตัดหรือขึ้นรูปชิ้นส่วน แรงนี้ซึ่งวัดเป็นตัน จะเป็นตัวกำหนดขนาดและกำลังของเครื่องอัดที่ต้องใช้ การใช้เครื่องอัดที่มีกำลังต่ำเกินไปอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายและเกิดความล้มเหลวในการผลิต ในขณะที่การใช้เครื่องที่มีกำลังสูงเกินไปจะไม่ประหยัดและมีค่าใช้จ่ายสูง สูตรที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับการคำนวณแรงดันในการตัดแผ่นและการเจาะรูนั้นเรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ

สูตรหลักสามารถแสดงได้ดังนี้:

Force (Tons) = P × Th × SS

ตัวแปรแต่ละตัวในสมการนี้แสดงถึงองค์ประกอบที่สำคัญของกระบวนการ:

• P (เส้นรอบรูป): คือความยาวรวมของการตัดที่ทำขึ้น วัดเป็นนิ้ว สำหรับรูกลมง่าย ๆ จะเท่ากับเส้นรอบวง (π × เส้นผ่านศูนย์กลาง) ส่วนรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า คือผลรวมของด้านทั้งหมด
• Th (ความหนา): คือขนาดหรือความหนาของแผ่นโลหะที่ใช้ในการตอก วัดเป็นนิ้ว
• SS (ความต้านทานแรงเฉือน): คือคุณสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่บ่งบอกถึงความต้านทานต่อการถูกเฉือน แสดงเป็นตันต่อตารางนิ้ว ซึ่งเป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดต่อความแม่นยำ

ตัวอย่างเช่น การคำนวณแรงตันที่จำเป็นในการเจาะรูเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้ว ในแผ่นเหล็กอ่อนที่มีความหนา 0.10 นิ้ว โดยมีความต้านทานแรงเฉือนประมาณ 25 ตัน/นิ้ว² การคำนวณจะได้: แรงตัน = (2 นิ้ว × 3.1416) × 0.10 นิ้ว × 25 ตัน/นิ้ว² = 15.7 ตัน โดยทั่วไปมักเพิ่มปัจจัยความปลอดภัยอีก 15-20% เพื่อรองรับปัจจัยอื่น ๆ เช่น การสึกหรอของเครื่องมือ

ในการนำสูตรนี้ไปใช้กับโครงการของคุณเอง ให้ทำตามขั้นตอนต่อไปนี้:

1. กำหนดความยาวรอบรูป (P): คำนวณความยาวรวมของขอบทั้งหมดที่ถูกตัดในแต่ละจังหวะการกด
2. วัดความหนาของวัสดุ (Th): ใช้เวอร์เนียคาลิเปอร์เพื่อวัดความหนาของวัสดุอย่างแม่นยำเป็นนิ้ว
3. ระบุแรงต้านทานเฉือนของวัสดุ (SS): ค้นหาค่าแรงต้านทานเฉือนของวัสดุที่ใช้เป็นตันต่อตารางนิ้ว ซึ่งมักจะพบได้จากแผ่นข้อมูลวัสดุหรือคู่มือวิศวกรรม
4. คำนวณแรงตันที่ต้องการ: นำค่าทั้งสามตัวมาคูณกันเพื่อหาแรงที่ต้องการในหน่วยตัน
5. เพิ่มตัวประกอบความปลอดภัย: เพิ่มปริมาณแรงดันที่คุณคำนวณได้ขึ้นอีก 15-20% เพื่อให้มั่นใจว่าเครื่องอัดของคุณมีความจุเพียงพอ

เจาะลึกตัวแปรสำคัญ: คุณสมบัติของวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วน

ความแม่นยำของการคำนวณแรงดันขึ้นอยู่กับข้อมูลที่คุณใช้เท่านั้น แม้ว่าเส้นรอบรูปและความหนาจะเป็นการวัดที่ตรงไปตรงมา แต่ความต้านทานเฉือนของวัสดุถือเป็นตัวแปรที่ซับซ้อนและมีผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ การเข้าใจผิดเกี่ยวกับคุณสมบัตินี้จึงเป็นสาเหตุหนึ่งของข้อผิดพลาดที่พบบ่อย โดยเฉพาะกับโลหะผสมสมัยใหม่

ความต้านทานเฉือนไม่ใช่ค่าคงที่สากล แต่มีความแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละชนิดของวัสดุ ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมอ่อนต้องใช้แรงเฉือนน้อยกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่ผ่านการอบแข็งมาก ส่วนเหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ซึ่งกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมยานยนต์เนื่องจากอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดี มีค่าความต้านทานเฉือนสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำแบบดั้งเดิมหลายเท่า ตามที่ได้กล่าวไว้ใน แนวทาง AHSS การคํานวณแบบปกติที่ใช้สําหรับเหล็กอ่อน สามารถคาดเดาขนาดที่ต้องการสําหรับวัสดุที่ทันสมัยเหล่านี้ได้น้อยมาก ส่งผลให้เกิดปัญหาที่สําคัญ

กณิตศาสตร์ของชิ้นส่วนนั้นสําคัญเท่ากัน ขอบเขตต้องคํานวณให้ถูกต้องสําหรับรูปร่างที่ตัด สําหรับรูปร่างง่ายๆ เช่นวงกลม (วงกลม = π × กว้าง) หรือสี่เหลี่ยม (วงกลม = 2 × ความยาว + 2 × ความกว้าง) นี่ง่าย สําหรับรูปทรงที่ซับซ้อนและไม่เรียบร้อย ขอบเขตคือยอดของส่วนเส้นตรงและเส้นโค้งแต่ละส่วนที่ถูกตัดพร้อมกัน

เพื่อแสดงความแตกต่างในคุณสมบัติของวัสดุ, นี่คือตารางของค่าความแข็งแรงคัดคันประมาณสําหรับโลหะทั่วไป:

หมายเหตุ: นี้คือค่าประมาณ ติดตามใบนิยามของผู้จําหน่ายวัสดุของคุณเสมอ เพื่อข้อมูลที่แม่นยํา

เพื่อให้แน่ใจว่าการคำนวณของคุณมีความถูกต้อง:

• ตรวจสอบข้อมูลจำเพาะของวัสดุ: อย่าสันนิษฐานแรงเฉือนเอง ควรได้รับค่าที่ถูกต้องสำหรับโลหะผสมและระดับความแข็งแรงเฉพาะของวัสดุที่ใช้เสมอ
• วัดความหนาอย่างแม่นยำ: ความแตกต่างเล็กน้อยของความหนาวัสดุสามารถส่งผลต่อค่าแรงดันสุดท้ายได้อย่างชัดเจน โดยเฉพาะกับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง
• คำนวณเส้นรอบรูปอย่างระมัดระวัง: สำหรับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน ให้แบ่งเรขาคณิตออกเป็นส่วนย่อยๆ เพื่อให้มั่นใจว่าความยาวของการตัดทั้งหมดถูกคำนวณอย่างถูกต้อง

การคำนวณสำหรับกระบวนการตัดขึ้นรูปแบบต่างๆ

แม้ว่าหลักการพื้นฐานในการคำนวณแรงจะเหมือนกัน แต่สูตรจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมกับประเภทของการตัดขึ้นรูปที่ต่างกัน ความแตกต่างหลักอยู่ที่ขั้นตอนใดของกระบวนการที่ใช้พลังงาน และวัสดุถูกทำให้เกิดความเครียดอย่างไร การสับสนในข้อกำหนดระหว่างการตัดแผ่น (blanking), การเจาะ (punching) และการขึ้นรูป (drawing) มักเป็นสาเหตุสำคัญของข้อผิดพลาดในการคำนวณ

การเจาะรูและการตัดชิ้นงาน: ทั้งสองขั้นตอนนี้เป็นกระบวนการตัดเฉือน โดยการเจาะ (punching) จะนำวัสดุออกเพื่อสร้างรู ในขณะที่การตัดชิ้นงาน (blanking) จะตัดรูปทรงของชิ้นส่วนออกจากแผ่นวัสดุขนาดใหญ่ สำหรับทั้งสองกรณี สูตรมาตรฐาน (แรงดันตัน = P × Th × SS) สามารถนำไปใช้ได้โดยตรง สิ่งสำคัญคือต้องใช้ความยาวเส้นรอบรูปของลักษณะที่ถูกตัด และความต้านทานการเฉือนของวัสดุ ตัวอย่างเช่น ในการเจาะ 'P' คือเส้นรอบวงของหัวพันซ์ ส่วนในการตัดชิ้นงาน 'P' คือเส้นรอบรูปของชิ้นส่วนสุดท้าย

การดึงเส้น: นี่คือกระบวนการขึ้นรูป ไม่ใช่กระบวนการตัดเฉือน การขึ้นรูปแบบดึง (drawing) จะยืดแผ่นโลหะให้เป็นรูปร่างสามมิติ เช่น รูปถ้วยหรือเปลือก วัสดุจะอยู่ภายใต้แรงดึง ไม่ใช่แรงเฉือน ดังนั้น การคำนวณจึงจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยน ตามที่อธิบายไว้โดย ผู้สร้าง สูตรการคำนวณสำหรับการดึงจะแทนค่าความต้านทานการเฉือน (SS) ด้วย ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (UTS) นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องคำนวณแรงที่ต้องใช้จากตัวยึดแผ่น (blank holder) หรือแผ่นกด และนำมาบวกเพิ่มในแรงรวม

พันช์แบบโปรเกรสซีฟ (Progressive Stamping): ในแม่พิมพ์แบบโปรเกรสซีฟ งานหลายอย่าง (เช่น การเจาะ ดัด ขึ้นรูป) จะเกิดขึ้นที่สถานีต่างๆ กัน โดยแต่ละจังหวะของเครื่องอัดแรงจะทำให้เกิดการทำงานเหล่านี้พร้อมกัน เพื่อคำนวณแรงรวมทั้งหมด คุณต้องคำนวณแรงที่จำเป็นสำหรับการดำเนินงานทุกอย่างที่เกิดขึ้นพร้อมกัน จากนั้นนำผลลัพธ์มารวมกัน ซึ่งรวมถึงแรงจากการตัดเจาะ การขึ้นรูป การดัด และแรงจากสปริงสตริปเปอร์และแผ่นรองแรงดันไนโตรเจน

ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบประเด็นสำคัญสำหรับการดำเนินงานต่างๆ

เพื่อเลือกสูตรการคำนวณที่ถูกต้อง ให้ใช้รายการตรวจสอบนี้:

• [ ] กระบวนการนี้เป็นการตัดวัสดุเป็นหลักหรือไม่ ถ้าใช่ ให้ใช้สูตรความแข็งแรงต่อแรงเฉือน
• [ ] กระบวนการนี้เป็นการยืดหรือขึ้นรูปวัสดุให้เป็นรูปร่างสามมิติหรือไม่ ถ้าใช่ ให้ใช้สูตรความแข็งแรงต่อแรงดึง และเพิ่มแรงดันแผ่นรอง
• [ ] มีหลายกระบวนการเกิดขึ้นในหนึ่งจังหวะของเครื่องกดหรือไม่ ถ้าใช่ ให้คำนวณแรงตันสำหรับแต่ละกระบวนการแล้วนำมารวมกัน

ข้อพิจารณาขั้นสูงและปัจจัยที่มีผลต่อแรงตัน

สูตรพื้นฐานให้ค่าประมาณที่ค่อนข้างแม่นยำ แต่ในสภาพแวดล้อมการผลิตจริง ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการที่อาจส่งผลต่อแรงดันจริงที่ต้องใช้ การมองข้ามรายละเอียดเหล่านี้อาจนำไปสู่การทำนายที่คลาดเคลื่อนและปัญหาในการประมวลผล วิศวกรที่มีประสบการณ์จะพิจารณาความแตกต่างเล็กๆ เหล่านี้เพื่อปรับปรุงการคำนวณของตน และรับประกันความเสถียรของกระบวนการ

หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือสภาพของเครื่องมือ (tooling) สูตรมาตรฐานมักชดเชยเครื่องมือที่หมุนทื่อโดยการใช้ความหนาเต็มของวัสดุ อย่างไรก็ตาม เครื่องมือที่คมจะทำให้วัสดุแตกร้าวหลังจากเจาะเข้าไปเพียงส่วนหนึ่งของความหนา (มักอยู่ที่ 20-50%) จึงช่วยลดแรงที่ต้องใช้ ในทางกลับกัน เครื่องมือที่สึกหรอหรือทื่อจะต้องใช้แรงดันมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ปัจจัยอื่นๆ ได้แก่ ช่องว่างระหว่างหัวพันซ์และได (punch and die clearance) ความสม่ำเสมอของความแข็งของวัสดุ และความเร็วของเครื่องอัด

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแรงดัน (แรงสูงสุด) กับพลังงาน แม้เครื่องกดจะมีค่าแรงดันเพียงพอ แต่อาจไม่มีพลังงานเพียงพอในการทำงานให้เสร็จสมบูรณ์ โดยเฉพาะการขึ้นรูปลึก (deep-drawing) ที่วัสดุถูกดึงขึ้นไปในช่วงต้นของการเคลื่อนที่ของเครื่องกด ซึ่งอาจทำให้เครื่องกดหยุดชะงักที่จุดล่างสุดของการเคลื่อนที่ การออกแบบสมัยใหม่จึงเริ่มพึ่งพาการวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์อีลิเมนต์ (Finite Element Analysis - FEA) และซอฟต์แวร์จำลองมากขึ้น เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของการคำนวณด้วยมือ อย่างที่ StampingSimulation ได้กล่าวไว้ เครื่องมือเหล่านี้สามารถจำลองปัจจัยที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ เช่น การแข็งตัวของวัสดุจากการขึ้นรูป (work-hardening), การเด้งกลับหลังขึ้นรูป (springback), และแรงดันจากแผ่นยึด (binder pressure) ตลอดกระบวนการขึ้นรูป สำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน โดยเฉพาะในภาคยานยนต์ การใช้การจำลอง CAE ขั้นสูงจึงไม่ใช่ทางเลือกอีกต่อไป แต่เป็นสิ่งจำเป็น ผู้ผลิตชั้นนำอย่าง Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. utilize these technologies to ensure precision and efficiency in manufacturing automotive stamping dies and components.

สำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้และปลอดภัยมากยิ่งขึ้น ควรพิจารณาคำแนะนำมืออาชีพเหล่านี้:

• ใช้ปัจจัยความปลอดภัย: เพิ่มอย่างน้อย 15-20% ให้กับปริมาณน้ํามันที่คิดไว้ เพื่อสร้างความสะดวกในการเปลี่ยนแปลงวัสดุและการใช้เครื่องมือ
• รายงานทุกกําลัง ในแบบพิมพ์ที่ซับซ้อน จําไว้ว่าต้องบวกแรงจากสปริงไนโตรเจน แพดความดัน และแคมที่ขับเคลื่อนไปกับจํานวนทั้งหมดของคุณ
• พิจารณาความคมของเครื่องมือ: หากคุณรักษาเครื่องมือที่คมมาก คุณอาจสามารถใช้ค่าปริมาณน้ํามันที่ต่ํากว่า แต่การคํานวณสําหรับเครื่องมือที่ค่อนข้างค่อนข้างค่อนข้างค่อนข้างจะทําให้มีขีดสูงที่ปลอดภัยกว่า
• คอยปรับน้ําหนัก: ในเครื่องพิมพ์ขนาดใหญ่หรือพิมพ์แบบเร่งเร่ง ให้แน่ใจว่าภาระมีสมดุลกันทั่วเตียงพิมพ์ เพื่อป้องกันการคลุมและการสวมใส่ก่อนเวลา ทั้งเครื่องพิมพ์และเครื่องพิมพ์

คำถามที่พบบ่อย

1. การประชุม คุณคิดปริมาณน้ํามันในการตราได้อย่างไร

วิธีที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการคำนวณแรงดัน (tonnage) ในการตัดขึ้นรูป (โดยเฉพาะการเจาะและการตัดแผ่น) คือการใช้สูตร: แรงดัน = เส้นรอบรูปของการตัด (นิ้ว) × ความหนาของวัสดุ (นิ้ว) × ความต้านทานเฉือนของวัสดุ (ตันต่อตารางนิ้ว) ค่าความต้านทานเฉือนมีความสำคัญอย่างยิ่ง และจะแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับประเภทของโลหะที่ใช้

2. คุณคำนวณความต้องการแรงดันอย่างไร

ในการคำนวณความต้องการแรงดันรวม คุณต้องระบุงานทั้งหมดที่ดำเนินการในแต่ละครั้งของการกดเสียก่อน สำหรับการตัดแผ่นแบบง่าย ๆ ให้ใช้สูตรมาตรฐาน (เส้นรอบรูป × ความหนา × ความต้านทานเฉือน) สำหรับแม่พิมพ์พรอเกรสซีฟที่มีหลายสถานี คุณต้องคำนวณแรงดันสำหรับแต่ละสถานีที่ทำงานพร้อมกัน (เช่น การเจาะ การขึ้นรูป การดัด) จากนั้นนำค่าทั้งหมดเหล่านั้นมารวมกันเพื่อให้ได้แรงดันรวมที่ต้องการ

3. คำนวณแรงดันในการปลอมอย่างไร

การคำนวณแรงดันตันสำหรับเครื่องอัดขึ้นรูป (forging press) มีพื้นฐานที่แตกต่างจากการตอก (stamping) โดยไม่ใช้การตัดตามเส้นรอบรูป แต่เป็นการบีควัสดุในปริมาตรหนึ่งๆ รูปสูตรจึงซับซ้อนกว่าและโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับพื้นที่ภาพฉายของชิ้นงานหล่อขึ้นรูป ความต้านทานการไหลของวัสดุที่อุณหภูมิการหล่อขึ้นรูป และปัจจัยความซับซ้อนของรูปร่าง ซึ่งไม่สามารถใช้แทนกันได้กับการคำนวณแรงดันตันสำหรับการตอก