สรุปสั้นๆ

การตรวจสอบชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องวัดพิกัด (CMM) เป็นกระบวนการควบคุมคุณภาพที่มีความแม่นยำสูง ใช้เพื่อยืนยันความถูกต้องของมิติชิ้นส่วนโลหะแผ่น เทียบกับแบบจำลอง CAD 3 มิติ ต่างจากการวัดด้วยเกจทั่วไป เครื่อง CMM ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถตรวจจับข้อบกพร่องที่ซับซ้อนจากการขึ้นรูป เช่น การเด้งกลับ (springback), การบิดงอ (warping), และความคลาดเคลื่อนตำแหน่งรู ได้อย่างแม่นยำในระดับไมครอน วิธีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการตรวจสอบความสอดคล้องตามมาตรฐานการกำหนดมิติและค่าความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต (GD&T) ก่อนการผลิตจำนวนมาก

โดยการใช้เครื่องวัดพิกัด (CMM) วิศวกรสามารถวิเคราะห์ลักษณะพื้นผิวและเส้นตัดแต่งที่เครื่องมือแบบแมนนวลไม่สามารถตรวจพบได้ คู่มือนี้ครอบคลุมการประยุกต์ใช้เชิงเทคนิคของเครื่อง CMM สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูป วิธีการตีความรายงานการตรวจสอบ และสถานการณ์ที่ควรเลือกใช้ CMM แทนการสแกนเลเซอร์ 3 มิติ

บทบาทของเครื่อง CMM ในการควบคุมคุณภาพชิ้นส่วนโลหะที่ขึ้นรูปด้วยแรงกด

ในอุตสาหกรรมการผลิตยานยนต์และอากาศยานที่มีความเสี่ยงสูง ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดมีความท้าทายเฉพาะตัวด้านการควบคุมคุณภาพ ซึ่งแตกต่างจากชิ้นส่วนที่ผ่านการกลึงที่มีลักษณะแข็งแรงและเป็นรูปทรงเรขาคณิต แผ่นโลหะที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดมักมีความยืดหยุ่นและอาจเกิดการบิดเบี้ยวทางกายภาพที่ซับซ้อนได้ การตรวจสอบชิ้นงานขึ้นรูปด้วยเครื่องวัดพิกัด ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือยืนยันขั้นสุดท้าย ที่เชื่อมโยงระหว่างการออกแบบดิจิทัลกับความเป็นจริงทางกายภาพ

หน้าที่หลักของเครื่อง CMM ในบริบทนี้คือการวัดลักษณะทางเรขาคณิตที่เครื่องมือแบบแมนนวลไม่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดมักมีพื้นผิวอิสระและเส้นโค้งซับซ้อนที่ต้องการการตรวจสอบสามมิติ Sinoway Industry ตามรายงานระบุ เครื่อง CMM มีความจำเป็นต่อการตรวจสอบความเข้ากันได้ของโครงสร้างตัวถัง (body-in-white) เพื่อให้มั่นใจว่าแผงแต่ละชิ้นจะพอดีกันอย่างสมบูรณ์ในขั้นตอนการประกอบสุดท้าย หากขาดความแม่นยำในระดับนี้ ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในระยะห่างของรูหรือรูปร่างพื้นผิวอาจนำไปสู่ความล้มเหลวในการประกอบที่รุนแรงได้

ข้อบกพร่องทั่วไปจากการขึ้นรูปด้วยแรงกดที่ตรวจพบ

โปรโตคอลการตรวจสอบ CMM ที่มีความทนทานถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับข้อบกพร่องเฉพาะที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในกระบวนการขึ้นรูปเย็น ซึ่งรวมถึง:

• การเด้งกลับ (Springback): แนวโน้มของโลหะที่จะกลับคืนสู่รูปร่างเดิมหลังจากการดัดโค้ง ทำให้เบี่ยงเบนจากโมเดล CAD ที่กำหนดไว้
• ข้อผิดพลาดตำแหน่งรู: การจัดตำแหน่งที่ไม่ตรงกัน เกิดจากแม่พิมพ์เคลื่อนตัวหรือวัสดุยืดออกในระหว่างรอบการกด
• ความเบี่ยงเบนของเส้นตัดแต่ง: ขอบที่ไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากแม่พิมพ์สึกหรอหรือการวางตำแหน่งชิ้นงานไม่เหมาะสม
• ข้อผิดพลาดของพื้นผิวโปรไฟล์: การบิดงอหรือโก่งตัวที่เกินค่าความคลาดเคลื่อนโปรไฟล์ที่กำหนดไว้

ด้วยการตรวจพบปัญหาเหล่านี้ตั้งแต่เนิ่นๆ ผู้ผลิตสามารถปรับแก้การออกแบบแม่พิมพ์และการตั้งค่าเครื่องกด ก่อนดำเนินการผลิตจำนวนมาก ซึ่งช่วยลดอัตราของเศษวัสดุและต้นทุนการแก้ไขงานได้อย่างมาก

การใช้งานเชิงเทคนิค: การจัดแนวและการยึดตรึง

การวัดชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปสำเร็จอย่างแม่นยำต้องอาศัยมากกว่าเพียงแค่เครื่องมือที่ได้รับการปรับเทียบให้ถูกต้อง แต่ยังต้องอาศัยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในด้านฟิสิกส์ของการจัดแนว ชิ้นส่วนโลหะแผ่นมักไม่มีความแข็งแรงคงที่ หมายความว่ารูปร่างของชิ้นส่วนอาจเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับวิธีการรองรับ สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์ยึดจับและการวางแผนการจัดแนวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผลลัพธ์ที่สามารถทำซ้ำได้

กลยุทธ์การจัดแนว RPS

สำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ ระบบจุดอ้างอิง (Reference Point System: RPS) คือวิธีการจัดแนวมาตรฐาน ตามที่ได้อธิบายไว้โดย 3D-Scantech การจัดแนวแบบ RPS จะใช้ลักษณะเฉพาะเจาะจง เช่น รู ร่อง หรือจุดบนพื้นผิว เพื่อล็อกชิ้นส่วนเข้าสู่ระบบพิกัดที่เลียนแบบตำแหน่งการประกอบขั้นสุดท้าย ซึ่งจะทำให้ข้อมูลการวัดสะท้อนให้เห็นถึงการทำงานที่แท้จริงของชิ้นส่วนในรถยนต์ แทนที่จะเป็นเพียงลักษณะเมื่อชิ้นส่วนอยู่ในสภาพอิสระ

การวัดในสภาพจำกัด กับ การวัดในสภาพอิสระ

หนึ่งในหัวข้อที่ถกเถียงกันมากที่สุดในการตรวจสอบชิ้นส่วนขึ้นรูปด้วยเครื่อง CMM คือ การควรจะวัดชิ้นส่วนใน "สภาพอิสระ" หรือ "สภาพจำกัด"

• สภาพอิสระ: ชิ้นส่วนถูกวางบนโต๊ะโดยมีการรองรับขั้นต่ำ ซึ่งจะเผยให้เห็นรูปร่างจริงของโลหะในสภาพผ่อนคลาย แต่อาจแสดงความเบี่ยงเบนที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงหรือความเครียดคงเหลือ
• สถานะถูกจำกัด: ชิ้นส่วนถูกยึดแน่นเข้ากับอุปกรณ์ยึดพิเศษที่จำลองสภาพแวดล้อมการติดตั้ง วิธีนี้มักจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่น เช่น แผงประตูหรือฝากระโปรง เพื่อยืนยันว่าชิ้นส่วนจะตรงตามข้อกำหนดเมื่อถูกยึดด้วยสกรู

ผู้ผลิตชั้นนำระดับแนวหน้า เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ , ใช้เทคนิคการจัดแนวและยึดตำแหน่งขั้นสูงเพื่อเชื่อมช่องว่างจากการทำต้นแบบอย่างรวดเร็วไปสู่การผลิตรถยนต์ในปริมาณมาก โดยการยึดมั่นตามมาตรฐานที่เข้มงวด เช่น IATF 16949 พวกเขาจึงสามารถรับประกันได้ว่าทุกชุดแขนควบคุมและโครงย่อยจะเป็นไปตามข้อกำหนดของผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ระดับโลก ไม่ว่าจะเป็นชุดต้นแบบจำนวน 50 ชิ้น หรือหน่วยผลิตจำนวนมากหลายล้านชิ้น

วิธีอ่านรายงานการตรวจสอบด้วยเครื่อง CMM

การตีความผลลัพธ์จากเครื่อง CMM เป็นทักษะสำคัญสำหรับวิศวกรด้านคุณภาพ รายงานการตรวจสอบมาตรฐานจะเปรียบเทียบข้อมูล ชื่อ nominal (อุดมคติ) จากโมเดล CAD กับข้อมูลที่ได้จากการวัด จริงๆ (ข้อมูลที่วัดได้) จากชิ้นส่วนจริง การเข้าใจรูปแบบการจัดวางของรายงานเหล่านี้จะทำให้คุณสามารถระบุข้อผิดพลาดที่สำคัญได้อย่างรวดเร็ว

ตามคู่มืออย่างละเอียดโดย GD Prototyping รายงานโดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนหัวที่มีระดับรุ่นของชิ้นส่วน และส่วนเนื้อหาที่มีข้อมูลลักษณะเฉพาะเป็นบรรทัดๆ ส่วนคอลัมน์ที่สำคัญที่สุดที่ต้องวิเคราะห์ ได้แก่ คอลัมน์เบี่ยงเบน (Deviation) และคอลัมน์นอกช่วงที่กำหนด (Out-of-Tolerance หรือ OUTTOL)

เมื่อตรวจสอบการระบุ GD&T ให้ใส่ใจเป็นพิเศษกับ "โปรไฟล์ของพื้นผิว" และ "ตำแหน่งที่แท้จริง" สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกด การเบี่ยงเบนของโปรไฟล์พื้นผิวมักบ่งชี้ถึงปัญหาเรื่องการเด้งกลับ (springback) ในขณะที่ข้อผิดพลาดของตำแหน่งที่แท้จริงมักชี้ไปที่ปัญหากับแม่พิมพ์เจาะหรือหมุดจัดตำแหน่ง

CMM เทียบกับการสแกนเลเซอร์ 3 มิติ สำหรับงานขึ้นรูปด้วยแรงกด

แม้ว่า CMM จะเป็นมาตรฐานทองคำในด้านความแม่นยำ แต่การสแกนเลเซอร์ 3 มิติกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน การเข้าใจจุดแข็งของแต่ละเทคโนโลยีจะช่วยให้สามารถเลือกเครื่องมือที่เหมาะสมกับงานได้อย่างถูกต้อง

ความแม่นยำของ CMM แบบสัมผัส

CMM แบบสัมผัสดั้งเดิม ซึ่งใช้หัววัดสัมผัส ให้ความแม่นยำที่เหนือกว่า Duggan Manufacturing ระบุว่า CMM ระดับสูงมีความแม่นยำภายใน 5 ไมครอน (0.005 มม.) ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการตรวจสอบลักษณะสำคัญที่มีค่าความคลาดเคลื่อนแคบ เช่น รูแบริ่งหรือรูยึดที่ซึ่งความคลาดเคลื่อนเพียงไมครอนเดียวมีความสำคัญ

ความเร็วของการสแกนด้วยเลเซอร์

ในทางตรงกันข้าม เครื่องสแกนเลเซอร์ 3 มิติสามารถจับข้อมูลได้หลายล้านจุดภายในไม่กี่วินาที สร้างเป็น "เมฆจุด" (point cloud) หรือแผนที่ความร้อนที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในการวิเคราะห์การเด้งกลับ (springback) บนพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น ฝากระโปรงรถ โดยแผนที่ความร้อนจะแสดงภาพโดยทันทีว่าชิ้นส่วนนั้นมีตำแหน่งที่สูงหรือต่ำกว่าแบบจำลอง CAD อย่างไร อย่างไรก็ตาม การสแกนมักมีความแม่นยำต่ำกว่า โดยทั่วไปมีค่าความคลาดเคลื่อนประมาณ 20 ไมครอน (0.02 มม.)

กรอบการตัดสินใจ

• ใช้ CMM เมื่อ: คุณต้องการตรวจสอบและรับรองค่าความทนทานเฉพาะของ GD&T วัดเส้นผ่านศูนย์กลางรูด้วยความแม่นยำสูง หรือดำเนินการตรวจสอบขั้นสุดท้ายสำหรับลักษณะการต่อประสานที่สำคัญ
• ใช้การสแกนเมื่อ: คุณต้องการแก้ไขปัญหารูปร่างของแม่พิมพ์ แสดงภาพการบิดงอหรือการเด้งกลับทั้งชิ้น หรือถอดแบบชิ้นส่วนจริงกลับมาเป็นแบบจำลอง CAD

สรุป

การตรวจสอบแม่พิมพ์ตัดด้วยเครื่องวัดพิกัดไม่เพียงเป็นขั้นตอนการตรวจสอบเท่านั้น แต่เป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่ขับเคลื่อนการปรับปรุงกระบวนการ โดยจับข้อมูลอย่างแม่นยำเกี่ยวกับสปริงแบค เส้นตัด และตำแหน่งรู ผู้ผลิตสามารถปรับแต๋ยตายตัดให้บรรลุคุณภาพที่สม่ำเสมอ ไม่ว่าใช้ CMM สัมผะเพื่ความแม่นยำระดับไมครอนหรือการสแกน 3 มิติเพื่การวิเคราะห์พื้ผิว เป้าหมายยังคงเหมือนเดิม นั่นคือการรับประกันว่าทุกชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปจะตรงกับข้อกำหนดเข้มงวดของวิศวกรรมยุคใหม

สำผู้ผลิตที่ดำเนนการในห่วงโซ่อุปทานของอุตสาหกรรมยานยนต์หรือการบินและอวกาศ การร่วมมือกับผู้เชี่ยวเชี่ยวในการผลิตที่เข้าใจขั้นตอนการตรวจสอบเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็น เมื่อการตรวจสอบด้วย CMM ถูกนำไปใช้อย่างถูก ข้อมูลดิบจะถูกแปลงเป็นข้อมูลเชิงวิเคราะห์ที่สามารถดำเนนการ ซึ่งรับประกันความสมบูรณ์ของการประกอบสุดท้าย

คำถามที่พบบ่อย

1. ต่างระหว่าง CMM กับการวัดด้วยเกจแบบแมนนวลคืออะไร

การวัดด้วยมือ เช่น การใช้ไม้เวอร์เนียร์หรืออุปกรณ์ตรวจสอบ สามารถให้ผลลัพธ์อย่างรวดเร็วสำหรับมิติเฉพาะเจาะจง แต่มีข้อจำกัดจากความผิดพลาดของมนุษย์ และไม่สามารถวัดเส้นโค้ง 3 มิติที่ซับซ้อนได้ เครื่อง CMM ใช้หัววัดที่ควบคุมโดยคอมพิวเตอร์ในการวัดรูปร่างทางเรขาคณิตในพื้นที่ 3 มิติ ทำให้ได้ความแม่นยำสูงกว่า และสามารถตรวจสอบคำระบุตาม GD&T เช่น โปรไฟล์พื้นผิว และตำแหน่งจริง

2. การตรวจสอบด้วยเครื่อง CMM ราคาเท่าใด?

ต้นทุนการตรวจสอบด้วยเครื่อง CMM แตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของชิ้นส่วนและอุปกรณ์ที่ใช้ เครื่อง CMM แบบพกพาอาจมีราคาตั้งแต่ 10,000 ถึง 150,000 ดอลลาร์สหรัฐสำหรับการซื้อ ในขณะที่บริการตรวจสอบภายนอกมักจะคิดค่าบริการรายชั่วโมง ปัจจัยที่มีผลต่อต้นทุนบริการ ได้แก่ เวลาในการเขียนโปรแกรม ความต้องการอุปกรณ์ยึดจับ (fixture) และจำนวนลักษณะเฉพาะที่ต้องตรวจสอบ

3. การจัดแนว RPS มีความสำคัญอย่างไรต่อชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกด (stamped parts)?

การจัดตำแหน่งด้วยระบบ RPS (Reference Point System) มีความสำคัญเนื่องจากชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดอาจเกิดการโค้งงอได้ การจัดตำแหน่งชิ้นส่วนโดยใช้จุดอ้างอิงเดียวกัน (รู/พื้นผิว) ที่จะถูกใช้ในการประกอบขั้นสุดท้าย ทำให้การวัดด้วยเครื่อง CMM จำลองสถานะของชิ้นส่วนเมื่อติดตั้งจริง ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อมูลที่ได้สะท้อนถึงความสามารถในการทำงาน มากกว่าเพียงแค่รูปร่างของชิ้นส่วนในสภาพอิสระ