กระบวนการ Coining ในการตัดแตะชิ้นส่วนยานยนต์: ความแม่นยำและการควบคุมการเด้งกลับ

สรุปสั้นๆ

The กระบวนการตีตราในงานขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์ เป็นเทคนิคการขึ้นรูปเย็นที่มีความแม่นยำสูง โดยแผ่นโลหะจะถูกบีบอัดระหว่างแกนดันและแม่พิมพ์ โดยระยะห่างระหว่างกันจะแคบกว่าความหนาของวัสดุอย่างมาก ต่างจากกระบวนการดัดแบบธรรมดา กระบวนการตีตราจะทำให้โลหะไหลตัวแบบพลาสติก ซึ่งช่วยกำจัดแรงภายในและลดการเด้งกลับจนเกือบเป็นศูนย์ กระบวนการนี้ต้องใช้แรงกดมหาศาล—โดยทั่วไปประมาณ 5 ถึง 8 เท่าของแรงในการขึ้นรูปมาตรฐาน—เพื่อสร้างลักษณะเฉพาะที่มีความแข็งแรงสูง และขนาดแม่นยำ เช่น เฟืองเฉียง ตัวเสริมความแข็งแรง และมุมที่ได้รับการปรับเทียบแล้ว

การตีตราในงานขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์คืออะไร?

โดยพื้นฐานแล้ว การตีขึ้นรูปแบบคอยน์ถูกกำหนดด้วยเงื่อนไขเชิงกลที่ชัดเจน นั่นคือ ช่องว่างระหว่างแม่พิมพ์ดัน (punch) และแม่พิมพ์รอง (die) มีขนาดเล็กกว่าความหนาของแผ่นโลหะที่นำมาขึ้นรูป ในขณะที่กระบวนการตัดหรือดัดมาตรฐานจะทำการพับหรือยืดโลหะ แต่การคอยน์จะบีบอัดโลหะอย่างรุนแรง แรงกดอัดนี้มีความเข้มข้นเพียงพอที่จะทำให้เกินความต้านทานต่อการคราก (yield strength) ของวัสดุ ส่งผลให้เกิด การไหลพลาสติก ซึ่งบังคับให้โลหะปรับตัวได้ตรงตามโพรงของแม่พิมพ์อย่างสมบูรณ์ เหมือนกับของเหลว

กลไกนี้เองที่ทำให้การคอยน์แตกต่างจากวิธีการขึ้นรูปอื่น ๆ ในการดัดแบบ "แอร์ เบนดิ้ง" (air bending) ปลายแม่พิมพ์ดันจะดันโลหะเข้าไปในแม่พิมพ์รูปตัววี โดยไม่สัมผัสก้นแม่พิมพ์ ทำให้มุมสุดท้ายขึ้นอยู่กับการเด้งกลับของวัสดุ (elastic recovery) แต่ในการคอยน์ ปลายแม่พิมพ์ดันจะแทรกผ่านเนื้อโลหะเลยแกนกลางเฉื่อย (neutral axis) ไป ทำให้วัสดุบางลงบริเวณจุดสัมผัส กระบวนการนี้ช่วยทำให้ผิวแข็งขึ้นและโครงสร้างผลึกละเอียดขึ้น ส่งผลให้ชิ้นงานมีความแม่นยำทางมิติ และมักมีคุณสมบัติทางกลที่ดีกว่าในบริเวณที่ถูกคอยน์

คำว่า "ปิดตาย" มักใช้เพื่ออธิบายสภาพแวดล้อมนี้ เนื่องจากโลหะถูกกักไว้และอยู่ภายใต้ความดัน ทำให้ไม่สามารถหลุดออกมาได้ ส่งผลให้โลหะเติมเต็มรายละเอียดทุกส่วนของแม่พิมพ์อย่างสมบูรณ์ นี่คือเหตุผลที่การขึ้นรูปแบบคอยน์เป็นวิธีที่นิยมใช้ในการสร้างลักษณะซับซ้อนบนชิ้นส่วนยานยนต์ที่ต้องการความซ้ำซากแม่นยำสูง เช่น ขั้วไฟฟ้าและที่ยึดเซ็นเซอร์ความแม่นยำ

"แอปพลิเคชันหลัก": การลดการเด้งกลับ & ความแม่นยำ

การประยุกต์ใช้งานที่สำคัญที่สุดเพียงหนึ่งเดียวของ กระบวนการตีตราในงานขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์ คือการจัดการการเด้งกลับ เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงที่ใช้ในโครงแชสซีรถสมัยใหม่มีชื่อเสียงในเรื่องการเด้งกลับเข้าสู่รูปร่างเดิมหลังจากแรงขึ้นรูปลดลง ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาการประกอบอย่างมาก

การตีขึ้นรูป (Coining) ช่วยแก้ปัญหานี้โดยการ "ปรับเทียบ" มุมพับ เมื่อแม่พิมพ์ดันลงที่รัศมีของชิ้นงานที่ถูกพับ (เช่น แผ่นฟลังจ์) จะทำให้แรงดึงและแรงอัดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในระหว่างกระบวนการพับลดลง การทำให้แรงภายในเป็นกลางนี้จะทำให้โลหะสูญเสีย "ความจำ" รูปแบบเดิมที่แบนเรียบ และยึดมั่นอยู่กับมุมที่ถูกตีขึ้นรูป

ข้อมูลอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของวิธีนี้ สำหรับฟลังจ์รถยนต์ที่ซับซ้อน การเด้งกลับ (springback) อาจทำให้เกิดความเบี่ยงเบนได้สูงถึง 3 มม. ซึ่งไม่สามารถยอมรับได้ในการประกอบด้วยหุ่นยนต์เชื่อม การใช้กระบวนการตีขึ้นรูปที่รัศมีการพับสามารถลดความเบี่ยงเบนให้อยู่ในช่วง ±0.5 มม. ความแม่นยำนี้ทำให้การตีขึ้นรูป (Coining) มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการผลิตชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย โดยที่ความถูกต้องทางเรขาคณิตถือเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้

การตีขึ้นรูป (Coining) เทียบกับ การนูน (Embossing) เทียบกับ การพับแน่น (Bottoming)

มักเกิดความสับสนระหว่างกระบวนการ coining, embossing และ bottoming แต่ทั้งสามกระบวนการนี้มีความแตกต่างกันและมีข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่ต่างกัน ตารางด้านล่างแสดงความแตกต่างหลักๆ สำหรับวิศวกรยานยนต์:

ในขณะที่ การสกัด สร้างลักษณะนูนขึ้นหรือเว้าลง โดยเน้นเพื่อเพิ่มความแข็งแรง (เช่น บนแผ่นกันความร้อน) หรือเพื่อระบุตัวตน โดยไม่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของวัสดุอย่างรุนแรงเหมือนการทำโคอิน การดัดแบบ Bottoming เป็นกระบวนการระดับกลาง คือกดแผ่นโลหะลงบนไดอีเพื่อกำหนดมุม แต่ไม่มีการไหลอัดอย่างรุนแรงที่เป็นลักษณะเฉพาะของการทำโคอินที่แท้จริง

พารามิเตอร์กระบวนการและข้อกำหนดเครื่องมือ

การใช้งานการโคอินต้องอาศัยอุปกรณ์ที่ทนทานและสามารถจ่ายแรงได้สูงมาก สูตรคำนวณแรงดันสำหรับการโคอินมีความเข้มข้น: วิศวกรมักคำนวณแรงที่ต้องการไว้ที่ 5 ถึง 8 เท่าของแรงดันที่ต้องใช้สำหรับการดัดแบบแอร์เบนด์ ซึ่งสร้างแรงเครียดมหาศาลต่อเครื่องพับและเครื่องมือ เช่น อาจต้องใช้เครื่องพับขนาด 600 ตัน ในการโคอินพื้นที่เล็กๆ บนเหล็กโครงสร้างรถยนต์ที่มีความหนา

การออกแบบเครื่องมือและการล็อกไฮโดรสแตติก

แม่พิมพ์สำหรับกระบวนการอัดขึ้นรูป (coining) ต้องผลิตจากเหล็กกล้าเครื่องมือคุณภาพสูงที่ผ่านการชุบแข็ง เพื่อต้านทานการแตกร้าวภายใต้แรงอัด การพิจารณาด้านการออกแบบที่สำคัญอย่างยิ่งคือ การหล่อลื่น เนื่องจากกระบวนการอัดขึ้นรูปเป็นกระบวนการที่ใช้แม่พิมพ์ปิด การหล่อลื่นมากเกินไปอาจทำให้เกิด ล็อกไฮโดรสแตติก ได้ เนื่องจากของเหลวไม่สามารถอัดตัวได้ น้ำมันที่ถูกกักไว้อาจทำให้แม่พิมพ์ปิดไม่สนิท หรือแม้แต่ทำให้ชิ้นส่วนเครื่องมือแตกหักภายใต้แรงดัน ดังนั้นการหล่อลื่นที่ควบคุมและใช้ในปริมาณน้อยจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง

ความสำคัญของความแข็งแรงของเครื่องอัด

ตัวเครื่องอัดเองจะต้องมีความแข็งแรงสูงมาก ถ้ามีการโก่งตัวเกิดขึ้นที่ฐานหรือลูกสูบของเครื่องอัด จะส่งผลให้การอัดขึ้นรูปไม่สม่ำเสมอ นำไปสู่ความหนาของชิ้นงานที่ไม่คงที่ สำหรับผู้ผลิตที่กำลังเปลี่ยนจากการผลิตต้นแบบมาสู่การผลิตจำนวนมาก การตรวจสอบความสามารถของเครื่องอัดจึงเป็นขั้นตอนที่สำคัญ บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เติมเต็มช่องว่างนี้ โดยให้บริการการขึ้นรูปความแม่นยำด้วยเครื่องอัดที่รองรับได้สูงสุดถึง 600 ตัน ซึ่งมั่นใจได้ว่าการดำเนินงานการอัดขึ้นรูปที่ต้องใช้แรงอัดสูงจะถูกดำเนินการด้วย ความแม่นยำตามมาตรฐาน IATF 16949 สำหรับชิ้นส่วนสำคัญ เช่น แขนควบคุม (control arms) และโครงย่อย (subframes)

การประยุกต์ใช้งานทั่วไปในอุตสาหกรรมยานยนต์

เหนือกว่าการผลิต 'เหรียญ' หรือแผ่นโลหะรูปเหรียญทั่วไป กระบวนการคอยน์มีบทบาทสำคัญต่อการทำงานของระบบต่างๆ ในยานพาหนะหลายประเภท แอปพลิเคชันที่พบได้บ่อย ได้แก่:

• โครงยึดโครงสร้าง: การคอยน์บริเวณรัศมีโค้งของโครงยึดหนาทำให้มุมโค้งคงที่แม่นยำที่ 90 องศา ช่วยให้การจัดตำแหน่งสลักเกลียวในการประกอบเป็นไปอย่างราบรื่น
• ขั้วไฟฟ้า: ในระบบแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า (EV) และเซ็นเซอร์ การคอยน์จะสร้างพื้นผิวสัมผัสที่เรียบสมบูรณ์และมีความแข็งแรงจากการขึ้นรูปเย็น ซึ่งช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าและความต้านทานต่อการสึกหรอ
• แหวนรองความแม่นยำ: ใช้การคอยน์เพื่อสร้างขอบเอียงบนแหวนรองและชิ้นเว้นระยะ เพื่อกำจัดคมหยาบและสร้างขอบนำเข้าสำหรับอุปกรณ์ยึด
• การทำให้คมหยาบเรียบ: หลังกระบวนการตัดแผ่น เส้นขอบอาจถูกคอยน์เพื่อทำให้โซนการแตกร้าวเรียบ ทำให้ชิ้นส่วนปลอดภัยต่อการจับถือ โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการขัดเงาเพิ่มเติม

ความแม่นยำคือมาตรฐาน

การตีขึ้นรูปด้วยแรงอัด (Coining) ยังคงเป็นมาตรฐานทองคำในการบรรลุความแม่นยำสูงในงานขึ้นรูปรถยนต์ โดยแม้ว่ากระบวนการนี้จะต้องใช้แรงอัดที่มากกว่าและเครื่องมือที่มีราคาแพงกว่าการขึ้นรูปแบบธรรมดา แต่ผลตอบแทนในด้านการลดการเด้งกลับของวัสดุ (springback) และความแม่นยำระดับพร้อมประกอบนั้นไม่มีใครเทียบได้ สำหรับวิศวกรที่ออกแบบชิ้นส่วนโครงรถและระบบความปลอดภัยรุ่นใหม่ การเข้าใจและควบคุมกระบวนการ coining ไม่ใช่เพียงทางเลือก แต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานคุณภาพสมัยใหม่

คำถามที่พบบ่อย

1. ความแตกต่างหลักระหว่าง coining กับ embossing คืออะไร

ความแตกต่างหลักอยู่ที่การไหลของวัสดุและความหนา Coining บีบอัดโลหะ เพื่อลดความหนาและกระตุ้นให้วัสดุเกิดการไหลพลาสติก เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูง ในขณะที่ embossing ดึงโลหะให้ยืดออกเพื่อสร้างลวดลายที่นูนขึ้นหรือเว้าลง โดยไม่เปลี่ยนแปลงความหนาแน่นรวมหรือโครงสร้างภายในของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ

2. ต้องใช้แรงอัด (tonnage) เท่าใดในการทำ coining

การตีขึ้นรูปแบบคอยนิงต้องใช้แรงสูงมาก โดยทั่วไปต้องการแรงกดมากกว่า 5 ถึง 8 เท่าของแรงที่ใช้ในการดัดแบบแอร์เบนดิ้งมาตรฐาน แรงที่แน่นอนขึ้นอยู่กับความต้านทานแรงดึงของวัสดุและพื้นที่ผิวที่ถูกคอยน์ แต่โดยทั่วไปแรงดันจะเกินความต้านทานแรงครากของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ เพื่อให้มั่นใจว่าเกิดการเปลี่ยนรูปร่างอย่างถาวร

3. การคอยนิงสามารถกำจัดการเด้งกลับได้หรือไม่

ใช่ การคอยนิงเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการกำจัดการเด้งกลับ โดยการบีบอัดวัสดุให้เกินจุดคราก ทำให้แรงเครียดภายในที่เหลืออยู่ซึ่งเป็นสาเหตุให้โลหะกลับคืนรูปร่างเดิมถูกระบายออก ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีค่าความคลาดเคลื่อนเชิงมุมแคบมาก บ่อยครั้งอยู่ในช่วง ±0.25 องศา