สรุปสั้นๆ

การตัดขึ้นลึก (deep draw stamping) เป็นกระบวนการขึ้นรูปเย็นที่เชี่ยวชาญโดยเฉพาะ จำเป็นสำหรับการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์แบบกลวงที่ไม่มีรอยต่อ โดยความลึกของชิ้นงานเกินเส้นผ่านศูนย์กลาง มักเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับผลิตชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย เช่น เปลือกหุ้มถุงลมนิรภัย และ โมดูลเบรก ABS รวมถึงระบบจัดการของเหลว เช่น รางเชื้อเพลิง และ ถ้วยหัวฉีด กระบวนการนี้ให้ความแข็งแรงของโครงสร้างที่เหนือกว่าผ่านการเพิ่มความแข็งจากการขึ้นรูป (work hardening) ทำให้มั่นการันตีสมรรถนะที่ไม่รั่ว และลดน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญเมื่ีเทียบกับการหล่อหรือการกลึง สำวิศวกรยานยนต์ การตัดขึ้นลึกเป็นทางออกที่ประหยัดต้นทุนสำหรับการผลิตจำนวนมากของชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีความแข็งแรงสูง

การตัดขึ้นลึกในอุตสาหการผลิตยานยนต์คืออะไร?

การขึ้นรูปลึก (Deep draw stamping) เป็นกระบวนการขึ้นรูปโลหะที่เปลี่ยนแผ่นโลหะแบนให้กลายเป็นรูปร่างกลวงสามมิติ คำนิยามทางเทคนิกระบุว่า ชิ้นส่วนจะถือว่า "ขึ้นรูปลึก" ก็ต่อเมื่อความลึกของมันเท่ากับหรือมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน ต่างจากงานตัดขึ้นรูปโลหะทั่วไป ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการตัดหรือการขึ้นรูปตื้น การขึ้นรูปลึกจะอาศัย การปรับปรุงพลาสติก .

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการวางแผ่นโลหะไว้บนแม่พิมพ์ขึ้นรูป จากนั้นใช้แรงกดจากหมัดเชิงกลดันโลหะเข้าไปในช่องของแม่พิมพ์ ในขณะที่ตัวยึดแผ่นโลหะจะควบคุมการไหลของวัสดุเพื่อป้องกันการยับย่น ซึ่งถือเป็น การขึ้นรูปเย็น หมายความว่าโลหะจะถูกขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้อง สำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะกระบวนการไม่ได้แค่เปลี่ยนรูปร่างของโลหะเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลของมันด้วย

การขึ้นรูปลึกมักดำเนินการโดยใช้ แม่พิมพ์กดแบบก้าวหน้า หรือ เครื่องอัดแบบถ่ายโอน (transfer press) ระบบ ในชุดแม่พิมพ์แบบก้าวหน้า ชิ้นส่วนจะยังคงติดอยู่กับแถบโลหะ (เว็บ) ขณะเคลื่อนผ่านสถานีต่างๆ แต่ละสถานีทำกระบวนการเฉพาะอย่าง เช่น การขึ้นรูปดึงลึก การเจาะ หรือการตัดแต่ง วิธีนี้ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อน มีหลายลักษณะได้ด้วยความเร็วสูง และมีความสม่ำเสมอสูง ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำคัญเพื่อให้เป็นไปตามค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดของผู้ผลิตรถยนต์ OEM

กรณีทางวิศวกรรม: เหตุใดจึงควรเลือกวิธีการขึ้นรูปดึงลึก

วิศวกรยานยนต์และผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อให้ความนิยมในการขึ้นรูปด้วยวิธีดึงลึกเหนือการหล่อ การกลึง หรือการเชื่อม เนื่องจากเหตุผลเชิงกลยุทธ์หลายประการ ประโยชน์เหล่านี้ตอบสนองโดยตรงต่อแนวโน้มของอุตสาหกรรมในการลดน้ำหนัก เพิ่มความปลอดภัย และเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุน

1. ความแข็งแรงสมบูรณ์แบบและการป้องกันการรั่วซึม

เนื่องจากชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีดึงลึกถูกขึ้นรูปจากแผ่นโลหะเพียงชิ้นเดียว จึงไม่มีรอยต่อหรือรอยเชื่อม โครงสร้างแบบ โมโนลิธิก เป็นสิ่งที่ไม่สามารถเจรจาได้สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องจัดการกับของเหลวหรือก๊าซภายใต้ความดัน การใช้งานต่างๆ เช่น ถังเชื้อเพลิง ฝาครอบเครื่องยนต์ (oil pans) และท่อไอเสียแบบลดเสียง (exhaust mufflers) ต่างพึ่งพาโครงสร้างที่ไร้รอยต่อนี้ เพื่อกำจัดความเสี่ยงของการรั่วซึมที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยการเชื่อม

2. การแข็งตัวจากการแปรรูป (Work Hardening หรือ Strain Hardening)

ขณะที่โลหะถูกดึงเข้าไปในแม่พิมพ์ มันจะเผชิญกับแรงเครียดอย่างมาก ทำให้โครงสร้างผลึกบิดเบี้ยวและล็อกตัวเอง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเหนียวแข็งจากการแปรรูป (Work hardening) เพิ่มความแข็งแรงดึงและความแข็งของชิ้นส่วนสำเร็จรูป ส่งผลให้วิศวกรสามารถระบุวัสดุที่บางลงได้โดยไม่ลดทอนความแข็งแรงของโครงสร้าง ซึ่งช่วยสนับสนุนเป้าหมายการลดน้ำหนักรถยนต์ (lightweighting) โดยยังคงมาตรฐานความปลอดภัยในการชน

3. ประสิทธิภาพสูงสำหรับการผลิตจำนวนมาก

เมื่อแม่พิมพ์ได้รับการพัฒนาแล้ว การตอกลึกแบบดราย์จะดำเนินการอย่างรวดเร็วมาก เครื่องกดสามารถทำงานหลายพันจังหวะต่อชั่วโมง ผลิตชิ้นส่วนสำเร็จรูปที่มีระยะเวลารอบการผลิตต่ำสุด เมื่เทียบกับระยะเวลารอบที่ช้าของการกลึง หรือระยะเวลาที่ต้องการเพื่่อลดอุณหภูมิในการหล่อ ตอกลึกแบบดราย์เป็นวิธีที่ดีขึ้นอย่างมากสำหรับการผลิตล้านชิ้นของชิ้นส่วนที่เหมือนตัวซึ่งต้องการสำหรับแพลตฟอร์มยานยนต์ทั่วโลก

การใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรมยานยนต์

ตอกลึกแบบดราย์มีการใช้ทั่วแพร่หลายในยานยนต์สมัยใหม้ มักใช้สำหรับชิ้นส่วนที่ซ่อนอยู่ลึกภายในระบบย่อยของยานยนต์ การใช้งานเหล่านี้สามารถจัดกลุ่มตามหน้าที่และความต้องการที่สำคัญ

ระบบความปลอดภัยและการยึดเหนี่ยว

ชิ้นส่วนเพื่อความปลอดภัยต้องการความเชื่อมั่นที่ไม่มีความล้มเหลวใดๆ ตอกลึกแบบดราย์เป็นวิธีหลักในการผลิต:

• ตัวเปิดถุงลมนิรภัยและตัวกระจายลม: ภาชนะความดันเหล่านี้ต้องทนต่อแรงระเบิดในช่วงการเปิดใช้งาน ตอกลึกแบบดราย์สร้างถังที่มีความแข็งแรงสูงและไม่มีรอยต่อ ที่สามารถกักเก็บสารก่อก๊าซโดยไม่เกิดการแตก
• โมดูลเบรก ABS: หมวกสําหรับไฟฟ้าฟรีมกันล็อคต้องการความละเอียดที่แม่นยําเพื่อให้ระบบไฮดรอลิกทํางานอย่างถูกต้องในระหว่างหยุดฉุกเฉิน
• องค์ประกอบเข็มขัดความปลอดภัย: กล่องตัวลากและองค์ประกอบโครงสร้างอื่น ๆ ได้รับประโยชน์จากความแข็งแรงในการทํางานของเหล็กที่ลากลึก

พลังงานขับเคลื่อนและการจัดการของน้ํายา

การเปลี่ยนไปใช้เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้เพิ่มความต้องการของชิ้นส่วนที่ดึงแม่นยําขึ้น

• รถไฟฟ้าและถ้วยฉีดน้ํามัน: ระบบฉีดตรงแรงดันสูงต้องการถ้วยเหล็กไร้ขัดลมที่ดึงลึก ที่ทนต่อการกัดสนองและความดันเชื้อเพลิงสูง
• เครื่องปั่นน้ํามันและพิสตันการส่ง: ส่วนเหล่านี้ใช้ความสามารถด้านความลึกของกระบวนการในการเก็บน้ําเหลวจํานวนมากในขณะที่เข้ากับช่องเครื่องยนต์ที่แน่น
• ส่วนประกอบของอุปกรณ์ออก: เปลือกท่อไอเสีย แผ่นป้องกันเครื่องแปลงตัวเร่งปฏิกิริยา และปลอกครอบเซ็นเซอร์ออกซิเจน ใช้โลหะผสมทนความร้อนสูงที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการดึงลึก

เซ็นเซอร์และอิเล็กทรอนิกส์

เมื่อยานพาหนะมีระบบไฟฟ้ามากขึ้น ปริมาณของเปลือกชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยการดึงลึกขนาดเล็กรวมตัวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว:

• ตัวเรือนเซ็นเซอร์: แผ่นป้องกันสำหรับเซ็นเซอร์ O2 เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และเซ็นเซอร์วัดความดัน
• ตัวคอยล์โซลินอยด์: ใช้ในระบบควบคุมเกียร์และระบบวาล์วจังหวะแปรผัน
• ตัวเครื่องมอเตอร์: เปลือกมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กสำหรับระบบยกกระจกหน้าต่าง ที่ปัดน้ำฝน และระบบปรับเบาะนั่ง

การเลือกวัสดุสำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยการดึงลึก

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมเป็นการถ่วงดุลระหว่างความสามารถในการขึ้นรูป (ความยืดหยุ่นขณะขึ้นรูป) และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพหลังการผลิต วัสดุต่อไปนี้เป็นมาตรฐานที่ใช้ในงานดึงลึกสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์

กลยุทธ์การผลิตและการจัดหา

การดำเนินโปรแกรมการขึ้นรูปลึกต้องพิจารณาอย่างรอบถึงการลงทุนในเครื่องมือและการขยายกำลังการผลิต ต้นทุนเริ่มต้นสำหรับแม่พิมพ์แบบโปรเกรสซีฟอาจมีจำนวนสูง แต่ต้นทุนต่อหน่วยจะลดลงอย่างมากเมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ กระบวนการนี้จึงเหมาะสำหรับโครงการที่ต้องการชิ้นส่วนตั้งแต่ 50,000 ชิ้นขึ้นไปต่อปี จนถึงหลายล้านชิ้น

จากต้นแบบสู่การผลิตจำนวนมาก

หนึ่งในความท้าทายของการจัดหาในอุตสาหกรรมยานยนต์คือการปิดช่องว่างระหว่างการตรวจสอบการออกแบบเริ่มต้นกับการเปิดตัวในระดับเต็ม วิศวกรมักต้องการต้นแบบที่สามารถผลิตอย่างรวดเร็ว ´ึ่งสามารถเลียนแบบการผลิตจริง ผู้ผลิตชั้นนำในปัจจุบันจึงเสนอทางเลือกของเครื่องมืออ่อน (soft tooling) เพื่อผลิตชุดเล็กสำหรับการทดสอบ ก่อนตัดสินใจลงทุนในเครื่องมือแข็ง (hard tooling)

สำผู้ผู้ผลิตที่ต้องการความแม่นยำที่ได้รับการรับรอง คู่ค้าเช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เสนอโซลูชันแบบครบวงจรที่เชื่อมช่องว่างนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการรับรองมาตรฐาน IATF 16949 และสามารถใช้เครื่องกดได้สูงสุดถึง 600 ตัน ทำให้สามารถบริหารจัดการตลอดทั้งกระบวนการผลิต ตั้งแต่การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วสำหรับชิ้นงานจำนวน 50 หน่วย ไปจนถึงการผลิตจำนวนมากของชิ้นส่วนสำคัญ เช่น คันควบคุม (control arms) และโครงย่อย (subframes) การเข้าถึงแหล่งการผลิตที่สามารถปรับขนาดได้เช่นนี้ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำเนินตามกำหนดเวลาเปิดตัวรถยนต์ที่ต้องการความรวดเร็ว

การออกแบบสำหรับการผลิต (Design for Manufacturability - DFM)

เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากกระบวนการขึ้นรูปลึก (deep drawing) วิศวกรควรปฏิบัติตามหลักการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) ดังต่อไปนี้:

• รัศมีมุม: หลีกเลี่ยงมุมที่แหลมคม ควรใช้มุมโค้งที่มีรัศมีเพียงพอ เพื่อช่วยให้วัสดุไหลตัวได้อย่างราบรื่นและป้องกันการฉีกขาดในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป
• การบางตัวผนัง ต้องคาดการณ์ไว้ล่วงหน้าว่าผนังด้านล่างของการขึ้นรูปอาจบางลงบ้าง ดังนั้นการออกแบบค่าเผื่อควรคำนึงถึงความแปรผันตามธรรมชาตินี้
• มุมร่าง: แม้ว่า deep drawing จะสามารถผลิตผนังตรงได้ แต่การเพิ่ม draft มุมเอียงเล็กน้อยจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์และทำให้ถอดชิ้นงานออกได้ง่ายขึ้น

สรุป

การขึ้นรูปลึกด้วยแม่พิมพ์ (Deep draw stamping) ยังคงเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีการผลิตรถยนต์ ด้วยศักยภาพเฉพาะตัวในการรวม โครงสร้างที่ไร้รอยต่อ , ความซับซ้อนทางเรขาคณิต , และ ความแข็งแรงจากการขึ้นรูปเย็น (work-hardened strength) ทำให้กระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์สมัยใหม่ ตั้งแต่อุปกรณ์พองลมถุงลมนิรภัยไปจนถึงระบบเชื้อเพลิง สำหรับวิศวกรและผู้จัดซื้อในอุตสาหกรรมยานยนต์ การเข้าใจขีดความสามารถของกระบวนการนี้—รวมถึงการร่วมมือกับผู้จัดจำหน่ายที่มีศักยภาพ—เป็นสิ่งสำคัญในการผลิตยานยนต์ที่ปลอดภัยกว่า น้ำหนักเบา และมีประสิทธิภาพมากขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

1. การขึ้นรูปลึกแบบสเตมป์ (deep draw stamping) แตกต่างจากการสเตมป์โลหะทั่วไปอย่างไร

การสเตมป์โลหะทั่วไปมักเกี่ยวข้องกับการตัด การดัด หรือการขึ้นรูปผิวโลหะแบบตื้น ในขณะที่การขึ้นรูปลึกแบบสเตมป์จะถูกกำหนดโดยความลึกของชิ้นงานที่เท่ากับหรือมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นงาน มีการเปลี่ยนรูปร่างพลาสติก (การยืด) ของวัสดุอย่างมาก ซึ่งจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์พิเศษและการหล่อลื่นเฉพาะทางเพื่อควบคุมการไหลของวัสดุและป้องกันการฉีกขาด

2. ทำไมการขึ้นรูปลึกแบบสเตมป์จึงได้รับความนิยมสำหรับชิ้นส่วนความปลอดภัย เช่น ถุงลมนิรภัย

การขึ้นลึกด้วยแม่พิมพ์สร้างชิ้นส่วนที่เป็นเนื้อเดียวและต่อสนิทจากชิ้นโลหะเดี่ยว ซึ่งขจัดการใช้รอยเชื่อมและข้อต่อเชิงกลที่อาจเป็นจุดบกพร่องภายใต้ความดันสูง สำหรับเครื่องเปิดถุงลมนิรภัย ซึ่งต้องกักเก็บก๊าซที่ขยายอย่างรวดเร็ว การต่อสนิทแบบไม่มีรอยต่อนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อรับประกันการเปิดถุงลมที่น่าเชื่อและปลอดภัยสำหรับผู้โดยสง

3. การขึ้นลึกด้วยแม่พิมพ์สามารถจัดการกับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงได้หรือไม่?

ใช่ เครื่องขึ้นลึกในปัจจุบันสามารถขึ้นรูปเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและโลหะผสมต่ำ (HSLA) และวัสดุขั้นสูงอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะมีความสามารถในการขึ้นรูปต่ำกว่าเหล็กกล้าอ่อน และต้องใช้เครื่องที่มีแรงดันตันสูงกว่าพร้อมแม่พิมพ์ที่เคลือบพิเศษ แต่ก็ช่วยลดน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญโดยสามารถใช้ผนังบางกว่าโดยไม่กระทบต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง