ฝาครอบเครื่องยนต์แบบลึก (Oil Pans) จากกระบวนการขึ้นรูปลึก: ขั้นตอน ข้อกำหนดทางเทคนิค และคู่มือวิศวกรรม

สรุปสั้นๆ

หม้อใส่น้ำมันเครื่องแบบ Deep draw stamping เป็นกระบวนการขึ้นรูปโลหะความแม่นยำสูงที่สร้างภาชนะแบบไร้รอยต่อและไม่รั่วซึม โดยการดึงแผ่นโลหะแบน—โดยทั่วไปคือ Interstitial Free (IF) หรือ เหล็กสำหรับการดึงลึกพิเศษ (EDDS) —ให้กลายเป็นรูปร่างที่ซับซ้อน โดยมีความลึกเกินเส้นผ่านศูนย์กลาง เมื่อเทียบกับทางเลือกแบบหล่ออะลูมิเนียม หม้อแบบตัดแตะมีข้อดีเรื่องความเหนียว, น้ำหนักเบา และต้นทุนต่ำกว่าในงานผลิตจำนวนมาก

ตัวชี้วัดสำคัญในการผลิต ได้แก่ การบรรลุความลึกของการดึงได้สูงสุดถึง 13 นิ้ว พร้อมรักษาระดับความแบนของขอบฟลังจ์ภายในระยะเผื่อนั้น 0.1มม เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์ กระบวนการนี้ต้องใช้เครื่องอัดไฮดรอลิกหรือเครื่องกลที่มีแรงอัดตั้งแต่ 400 ถึง 2000 ตันขึ้นไป เพื่อควบคุมการไหลของวัสดุและป้องกันการเกิดรอยย่นหรือฉีกขาด

การเปรียบเทียบระหว่าง Deep Draw Stamping กับการหล่อ: มุมมองทางวิศวกรรม

สำหรับวิศวกรยานยนต์และผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อ การเลือกระหว่างหม้อใส่น้ำมันเครื่องแบบเหล็กขึ้นรูปลึกและแบบอะลูมิเนียมหล่อ มักขึ้นอยู่กับสามปัจจัย: ความทนทาน น้ำหนัก และความสมบูรณ์ของการปิดผนึก . การขึ้นรูปด้วยการดึงลึก (Deep draw stamping) เปลี่ยนแผ่นโลหะเดี่ยวให้กลายเป็นรูปทรงกลวงที่สมมาตรตามแนวแกนโดยไม่มีรอยต่อ ซึ่งช่วยกำจัดเส้นทางรั่วซึมที่เกิดจากโครงสร้างที่เชื่อมติดกัน

ความแข็งแรงของโครงสร้างและการเพิ่มความแข็งแกร่งจากการทำงาน

แม้ว่าอลูมิเนียมหล่อจะให้ความแข็งแรง แต่ก็มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวเมื่อได้รับแรงกระแทก ซึ่งถือเป็นโหมดการล้มเหลวที่สำคัญสำหรับหม้อพักน้ำมันเครื่องที่ติดตั้งต่ำและสัมผัสเศษวัสดุบนถนนได้ง่าย เหล็กที่ขึ้นรูปด้วยการดึงลึกในทางตรงกันข้าม จะได้รับประโยชน์จาก การเหนียวแข็งจากการแปรรูป (Work hardening) (หรือการเพิ่มความแข็งแกร่งจากการเปลี่ยนรูป) ระหว่างกระบวนการขึ้นรูป เมื่อวัสดุถูกยืด โครงสร้างผลึกของมันจะจัดเรียงตัวใหม่ ส่งผลให้ความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก หม้อพักน้ำมันเครื่องที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปจะบุ๋มแทนที่จะแตกหักเมื่อได้รับแรงกระแทก จึงรักษาระบบหล่อลื่นของเครื่องยนต์ไว้ได้

ต้นทุนและประสิทธิภาพในการผลิตจำนวนมาก

การขึ้นรูปลึก (Deep drawing) เป็นวิธีที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตรถยนต์ปริมาณมาก เมื่อแม่พิมพ์ (ไดและเพนช์) ผ่านการตรวจสอบแล้ว เวลาแต่ละรอบจะวัดเป็นวินาที ในทางตรงกันข้าม การหล่อต้องใช้เวลานานในการทำให้เย็นตัว และต้องใช้เครื่องจักรเสริมจำนวนมากกว่า สำหรับการใช้งานด้านดีเซลหนัก พานที่ขึ้นรูปด้วยเหล็กแผ่น .071” CR IF (Cold Rolled Interstitial Free) ให้ความทนทานที่จำเป็น โดยไม่ต้องเผื่อน้ำหนักเพิ่มจากชิ้นงานหล่อที่มีผนังหนา

ขั้นตอนกระบวนการผลิต

การผลิตโอ่งน้ำมันเครื่องที่ปราศจากข้อบกพร่องต้องอาศัยกระบวนการหลายขั้นตอนอย่างเข้มงวด การเปลี่ยนจากคอยล์แบนเรียบไปเป็นถังเก็บน้ำมันลึก 13 นิ้ว ต้องควบคุมการไหลของวัสดุและการหล่อลื่นอย่างแม่นยำ

1. การตัดแผ่นและการหล่อลื่น

ขั้นตอนเริ่มต้นด้วยการตัดรูปร่างเบื้องต้น หรือที่เรียกว่า "แผ่นเปล่า" ออกจากคอยล์หลัก โดยขนาดของแผ่นเปล่าจะคำนวณจากปริมาตร ไม่ใช่พื้นที่ เพื่อให้สามารถคำนึงถึงการไหลของวัสดุได้ มีการใช้สารหล่อลื่นแรงดันสูงพิเศษเพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างแผ่นโลหะกับแม่พิมพ์ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการป้องกันการสึกหรอแบบติดกัน (galling) ขณะเกิดการเปลี่ยนรูปร่างอย่างรุนแรง

2. การทำงานดึงขึ้นรูป

นี่คือขั้นตอนหลัก โดยแผ่นเปล่าจะถูกยึดด้วย ตัวยึดแผ่นวัสดุ ด้วยแรงกดที่แม่นยำ—หากแรงน้อยไปจะทำให้เกิดรอยย่น แต่ถ้าแรงมากไปจะทำให้ฉีกขาด ลูกสูบเชิงกลหรือไฮดรอลิกจะดันโลหะเข้าไปในช่องของแม่พิมพ์ สำหรับภาชนะลึก (เช่น 8-13 นิ้ว) อาจจำเป็นต้องใช้หลายสถานีในการดึงขึ้นรูป (redrawing) เพื่อให้ได้ความลึกสุดท้ายโดยไม่เกินแผนภาพขีดจำกัดการขึ้นรูปของโลหะ (FLD)

3. การรีดปรับผิวและควบคุมความหนาของผนัง

การขึ้นรูปด้วยการดึงลึกโดยธรรมชาติจะทำให้วัสดุมีความบางลงที่มุมด้านล่าง และหนาตัวขึ้นที่ส่วนฟแลนจ์ ขั้นตอนการเรียบเรียงวัสดุด้วยความแม่นยำมักถูกรวมเข้าไปเพื่อจัดสรรกระจายวัสดุใหม่ เพื่อให้มั่นใจว่าผนังมีความหนาสม่ำเสมอ ผู้ผลิตจำเป็นต้องควบคุมความหนาของผนังให้อยู่ในช่วงที่กำหนดอย่างเข้มงวด (โดยทั่วไป ±0.005 นิ้ว) เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพเชิงโครงสร้าง

การบรรลุรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนเหล่านี้ จำเป็นต้องอาศัยพันธมิตรทางการผลิตที่มีรายชื่ออุปกรณ์ครบครัน เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ใช้เครื่องอัดแรงดันสูงสุดถึง 600 ตัน และปฏิบัติตามมาตรฐาน IATF 16949 เพื่อเติมเต็มช่องว่างจากการผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็ว ไปสู่การผลิตจำนวนมากของชิ้นส่วนสำคัญ เช่น กรอบย่อยและกะทะน้ำมัน

4. การตัดแต่งและทำฟแลนจ์

เมื่อขึ้นรูปร่างเรียบร้อยแล้ว วัสดุส่วนเกินจะถูกตัดออก ส่วนฟแลนจ์—พื้นผิวสำหรับปิดผนึกที่ต่อเชื่อมกับบล็อกเครื่องยนต์—จะถูกเรียบเรียงให้แบนราบ ซึ่งถือเป็นลักษณะด้านคุณภาพที่สำคัญที่สุด เพราะฟแลนจ์ที่บิดงอจะทำให้แน่นอนว่าเกิดการรั่วซึมของน้ำมัน ผู้ผลิตชั้นนำมักกำหนดค่าความแบนราบไว้ที่ 0.1 มม. ภายในระยะ 250 มม. เพื่อให้มั่นใจว่าจะเกิดการปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์แบบร่วมกับจี๊กเก็ต

ข้อกำหนดวัสดุสำหรับการขึ้นรูปลึก

การเลือกเกรดเหล็กที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกะทะน้ำมัน เนื่องจากต้องเผชิญกับการเปลี่ยนรูปร่างอย่างรุนแรง เหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปมักขาดคุณสมบัติการยืดตัวที่จำเป็น

สำหรับการใช้งานหนักส่วนใหญ่ ผู้ผลิตจะกำหนดให้ใช้วัสดุเช่น .071" (1.8mm) CR IF หรือ .055" (1.4mm) EDDS เกรดเหล่านี้ช่วยให้อัตราส่วนการยืดตัว ("stretch") ได้โดยไม่ฉีกขาดเหมือนเหล็กทั่วไป

ข้อพิจารณาด้านการออกแบบและคุณภาพที่สำคัญ

การออกแบบฝาครอบเครื่องยนต์ต้องคำนึงถึงมากกว่าแค่รูปร่าง ต้องสามารถรวมฟังก์ชันต่าง ๆ ได้อย่างครบถ้วน และผ่านการทดสอบตรวจสอบอย่างเข้มงวด

การทดสอบและตรวจสอบการรั่ว

ศูนย์ข้อบกพร่องคือมาตรฐาน กระทะน้ำมันที่ผลิตเสร็จจะต้องผ่านการทดสอบการรั่ว 100% โดยทั่วไปจะใช้ การทดสอบการลดแรงดันอากาศที่ 1.5 บาร์ หรือการจุ่มใต้น้ำเป็นเวลา 30 วินาที เพื่อตรวจหาสิ่งผิดปกติขนาดเล็ก เช่น รูเข็ม สำหรับกระทะเหล็ก การทดสอบพ่นเกลือ (โดยทั่วไปมากกว่า 480 ชั่วโมง) เป็นข้อกำหนดเพื่อยืนยันความทนทานของชั้นเคลือบอี-โค้ทหรือผงเคลือบต่อเกลือถนน

การผนวกคุณสมบัติ

กระทะน้ำมันสมัยใหม่เป็นชุดประกอบ ไม่ใช่แค่เปลือกภายนอกเท่านั้น จึงจำเป็นต้องมี:

• แผ่นกั้น: เชื่อมจุดภายในช่องรองรับเพื่อป้องกันการขาดแคลนน้ำมันขณะเข้าโค้งหรือเบรกด้วยความเร่งสูง
• ที่นั่งปลั๊กถ่ายน้ำมัน: บริเวณที่เสริมความแข็งแรง ซึ่งต้องสามารถทนต่อแรงบิดที่สูงกว่า 80 นิวตัน·เมตร โดยไม่บิดเบี้ยว
• คู่มือไม้จุ่มวัดระดับน้ำมัน: ท่อที่ขึ้นรูปด้วยความแม่นยำติดอยู่ในผนังด้านข้าง

มุมร่างและรัศมีโค้ง

เพื่อให้สามารถถอดชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์ได้อย่างสะดวก ผนังแนวตั้งมักจำเป็นต้องมีมุมร่าง อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปลึกสามารถทำให้ผนังมีความตรงมากกว่าการหล่อ รัศมีมุมควรจะกว้างพอสมควร โดยทั่วไป 6-8 เท่าของความหนาของวัสดุ เพื่อช่วยให้วัสดุไหลได้ง่าย และลดการรวมตัวของแรงเครียดที่อาจนำไปสู่การแตกร้าว

การออกแบบซีลให้สมบูรณ์แบบ

การขึ้นรูปลึกด้วยแรงกดยังคงเป็นมาตรฐานทองคำในการผลิตกะทะรองน้ำมันเครื่องที่สร้างสมดุลระหว่างต้นทุน น้ำหนัก และความน่าเชื่อถือ โดยการใช้วัสดุขั้นสูง เช่น เหล็ก IF และการควบคุมกระบวนการอย่างแม่นยำ ตั้งแต่แรงดันของตัวยึดแผ่นโลหะ (blank holder) ไปจนถึงการเรียบพื้นผิวขอบ (flange flattening) ผู้ผลิตสามารถจัดส่งชิ้นส่วนที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเครื่องยนต์ที่มันปกป้อง สำหรับวิศวกร ความสำเร็จอยู่ที่การกำหนดข้อกำหนดที่ชัดเจนเกี่ยวกับความลึกของการขึ้นรูป การยืดตัวของวัสดุ และค่าความคลาดเคลื่อนของการปิดผนึก ตั้งแต่ระยะออกแบบเบื้องต้น

คำถามที่พบบ่อย

1. ความแตกต่างระหว่างการขึ้นรูปลึกและการตัดขึ้นรูปทั่วไปคืออะไร?

ความแตกต่างหลักคืออัตราส่วนระหว่างความลึกกับเส้นผ่านศูนย์กลาง การขึ้นรูปลึก (Deep drawing) ถูกนิยามเฉพาะว่าเป็นกระบวนการที่ความลึกของชิ้นงานเกินครึ่งหนึ่งของเส้นผ่านศูนย์กลาง มีการไหลและการยืดของวัสดุอย่างมาก ในขณะที่การตอกแบบธรรมดา (หรือการขึ้นรูปตื้น) จะเน้นไปที่การตัด การดัด และการขึ้นรูปรายละเอียดพื้นผิว โดยมีการบางตัวของผนังน้อยมาก

2. เหล็กชนิดใดดีที่สุดสำหรับกะทะน้ำมันเครื่องที่ผลิตด้วยกระบวนการตอก

เหล็กอินเตอร์สติเชียลฟรี (IF steel) และ เหล็กสำหรับการดึงลึกพิเศษ (EDDS) เป็นตัวเลือกชั้นนำ เกรดดังกล่าวมีปริมาณคาร์บอนต่ำมากและได้รับการคงสภาพด้วยไทเทเนียมหรือไนโอเบียม ทำให้มีความเหนียวสูงมากเพียงพอที่จะยืดออกเป็นรูปทรงลึก (8–13 นิ้ว) โดยไม่แยกชั้นหรือฉีกขาด

3. ทำไมจึงใช้เหล็กตอกแทนอลูมิเนียมหล่อ

เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการตัดขึ้นรูปทั่วทั่วมีน้ำหนักเบากว่า ความเหนียวดีกว่า และต้นทุนการผลิตในปริมาณสูงต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่ีเทียบกับอลูมิเนียมที่ผ่านกระบวนการหล่อ แม้ว่าอลูมิเนียมที่ผ่านกระบวนการหล่อมีความแข็งแกร่งมากกว่า แต่มันอาจแตกร้าวเมื่่อปะทะกับเศษวัสดุบนถนน ในทางกลับเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการตัดขึ้นรูปมักจะบุ๋มแทนการแตกร้าว ซึ่งให้การป้องกันความเสียหายที่ดีกว่าสำหรับระบบหล่อลื่นเครื่องยนต์