สรุปสั้นๆ

การเกิดกาลลิ่งในกระบวนการตัดขึ้นรูปคือรูปแบบหนึ่งของความสึกหรอแบบยึดติดกัน ซึ่งมักเรียกว่า "การเชื่อมเย็น" โดยที่แม่พิมพ์และชิ้นงานจะหลอมติดกันในระดับจุลภาคเนื่องจากแรงเสียดทานและความร้อนที่มากเกินไป การป้องกันจำเป็นต้องใช้แนวทางวิศวกรรมหลายชั้น แทนที่จะใช้วิธีแก้ไขด่วนเพียงวิธีเดียว แนวทางป้องกันหลักสามประการ ได้แก่ การปรับปรุงการออกแบบแม่พิมพ์ให้เหมาะสม โดยการเพิ่มช่องว่างระหว่างพันซ์กับไดอินบริเวณที่มีแนวโน้มหนาตัว (เช่น มุมดึงขึ้นรูป) การเลือกวัสดุเครื่องมือที่ต่างกัน (เช่น ทองเหลืองอลูมิเนียม) เพื่อตัดความสัมพันธ์ทางเคมีออก และ การใช้ชั้นเคลือบที่ทันสมัย เช่น TiCN หรือ DLC เฉพาะหลังจากผิวถูกขัดเงาจนเรียบสมบูรณ์แล้วเท่านั้น การปรับเปลี่ยนการดำเนินงาน เช่น การใช้น้ำมันหล่อลื่นแรงดันสูงพิเศษ (EP) และการลดความเร็วของเครื่องอัด ถือเป็นมาตรการสุดท้าย

ฟิสิกส์ของการเกิดกาลลิ่ง: เหตุใดจึงเกิดการเชื่อมเย็น

เพื่อป้องกันการเกิดดายกาลลิ่ง ต้องเข้าใจก่อนว่าสิ่งนี้แตกต่างโดยพื้นฐานจากความเสียหายแบบขัดสี แม้ว่าความเสียหายแบบขัดสีจะคล้ายกับการใช้กระดาษทรายถูไม้หยาบ ๆ แต่กาลลิ่งเป็นปรากฏการณ์ของ การสึกหรอแบบยึดติด มันเกิดขึ้นเมื่อชั้นออกไซด์ป้องกันบนพื้นผิวโลหะเสื่อมสภาพลงภายใต้แรงกดมหาศาลจากเครื่องตัดเฉือน เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น โลหะบริสุทธิ์ที่มีปฏิกิริยาทางเคมีของชิ้นงานจะสัมผัสโดยตรงกับเหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์

ในระดับจุลภาค พื้นผิวจะไม่เรียบอย่างสมบูรณ์ แต่มีลักษณะเป็นยอดและร่องที่เรียกว่าแอสเพอริตี้ (asperities) ภายใต้แรงตันสูง แอสเพอริตี้เหล่านี้จะล็อกติดกันและสร้างความร้อนเฉพาะที่อย่างรุนแรง หากโลหะทั้งสองชนิดมีคุณสมบัติทางเคมีที่เข้ากันได้ เช่น เหล็กสเตนเลสและเหล็กกล้า D2 ซึ่งทั้งคู่มีโครเมียมในปริมาณสูง มันสามารถยึดติดกันในระดับอะตอมได้ กระบวนการนี้เรียกว่า การเคลื่อนที่ระหว่างพื้นผิว หรือ การเชื่อมเย็น . ในขณะที่เครื่องมือยังคงเคลื่อนตัวต่อไป พันธะการเชื่อมที่เกิดขึ้นจะถูกเฉือน ทำให้มีการหลุดลอกของชิ้นส่วนวัสดุจากพื้นผิวที่นิ่มกว่า และไปสะสมอยู่บนเครื่องมือที่แข็งกว่า สารที่สะสมเหล่านี้ หรือที่เรียกว่า "เกลล์" (galls) จะทำหน้าที่คล้ายกับใบไถ ทำให้เกิดรอยขีดข่วนรุนแรงอย่างหายนะต่อชิ้นงานในลำดับถัดไป

แนวป้องกันแรก: การออกแบบแม่พิมพ์และเรขาคณิต

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยที่สุดในอุตสาหกรรมคือการที่คิดว่าการเคลือบสามารถแก้ปัญหาการสึกหรอได้ทุกชนิด อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมเตือนว่า หากสาเหตุหลักมาจากกลไก การใช้การเคลือบเพียงแค่เป็นการ "ปกปิดปัญหา" สาเหตุหลักจากกลไกที่พบบ่อยที่สุดมักเกิดจาก ระยะช่องว่างระหว่างหมัดกับแม่พิมพ์ โดยเฉพาะในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปลึก

ในการขึ้นรูปดึงลึก แผ่นโลหะจะต้องเผชิญกับแรงอัดในแนวระนาบขณะที่ไหลเข้าสู่โพรงแม่พิมพ์ ซึ่งทำให้วัสดุมีแนวโน้มหนาขึ้นตามธรรมชาติ หากการออกแบบแม่พิมพ์ไม่ได้คำนึงถึงการหนาขึ้นนี้ โดยเฉพาะบริเวณผนังแนวตั้งของมุมดึง ช่องว่างระหว่างชิ้นงานกับแม่พิมพ์จะหายไป แม่พิมพ์จะ "หนีบ" วัสดุอย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานสูงมากที่สารหล่อลื่นชนิดใดก็ตามไม่สามารถลดลงได้ ตาม นิตยสาร MetalForming Magazine มาตรการป้องกันที่สำคัญคือ การไสลอกร่องว่างเพิ่มเติม (มักประมาณ 10–20% ของความหนาของวัสดุ) เข้าไปในโซนที่วัสดุหนาขึ้นเหล่านี้

สำหรับงานผลิตที่ซับซ้อน เช่น แขนควบคุมหรือโครงย่อยสำหรับยานยนต์ การคาดการณ์โซนที่วัสดุหนาขึ้นเหล่านี้จำเป็นต้องอาศัยวิศวกรรมขั้นสูง นี่คือจุดที่การร่วมมือกับผู้ผลิตเฉพาะทางกลายเป็นข้อได้เปรียบเชิงกลยุทธ์ บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ใช้การวิเคราะห์ CAE ขั้นสูงและขั้นตอนที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 เพื่อออกแบบค่าชดเชยระยะว่างเหล่านี้เข้าไปในขั้นตอนการออกแบบแม่พิมพ์ เพื่อให้มั่นใจว่าการตัดแตะรถยนต์ปริมาณมากจะไม่เกิดการติดกันตั้งแต่ครั้งแรกที่กดตัด

อีกปัจจัยหนึ่งทางเรขาคณิตคือ ทิศทางการขัดเงา ผู้ผลิตแม่พิมพ์ควรขัดเงาส่วนของแม่พิมพ์ให้สอดคล้องกับทิศทางของการเจาะหรือดึงขึ้นรูป ขนาน การขัดขวางแนว (Cross-polishing) จะทิ้งร่องเล็กจิ๋วที่ทำหน้าที่เหมือนไฟล์ขัดหยาบต่อวัสดุงาน ซึ่งเร่งการเสื่อมสภาพของฟิล์มหล่อลื่น

วิทยาศาสตร์วัสดุ: กลยุทธ์ "โลหะต่างชนิด"

เมื่อทำการตัดแตะเหล็กสเตนเลสหรือโลหะผสมความแข็งแรงสูง การเลือกเหล็กสำหรับทำแม่พิมพ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง รูปแบบความล้มเหลวทั่วไปคือการใช้เหล็กแม่พิมพ์ D2 ในการตัดแตะเหล็กสเตนเลส เนื่องจาก D2 มีโครเมียมประมาณ 12% และเหล็กสเตนเลสก็ใช้โครเมียมเพื่อความต้านทานการกัดกร่อน เช่นกัน ทำให้วัสดุทั้งสองชนิดมี "ความเข้ากันได้ทางโลหะวิทยา" สูง จึงมีแนวโน้มที่จะยึดติดกัน

ทางออกคือการใช้ โลหะต่างชนิด เพื่อทำลายแรงยึดเหนี่ยวทางเคมีนี้ สำหรับการใช้งานที่มีการสึกหรออย่างรุนแรง วัสดุบรอนซ์วิศวกรรม โดยเฉพาะ อลูมิเนียมบรอนซ์ มักจะให้ผลดีกว่าเหล็กเครื่องมือทั่วไป แม้ว่าบรอนซ์อลูมิเนียมจะนิ่มกว่าเหล็ก แต่มันมีคุณสมบัติในการหล่อลื่นได้ดีเยี่ยม และนำความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกทั้งที่สำคัญคือ ไม่เกิดการเชื่อมเย็นกับพื้นผิวเหล็ก การใช้ไส้แทรกหรือปลอกบรอนซ์อลูมิเนียมในพื้นที่ที่มีแรงเสียดทานสูง สามารถป้องกันการสึกหรอแบบยึดติดได้ ในกรณีที่วัสดุที่แข็งกว่าล้มเหลว

หากจำเป็นต้องใช้เหล็กเครื่องมือเพื่อความเหนียว ควรพิจารณาเกรดที่ผลิตด้วยกระบวนการโลหะผง (Powder Metallurgical: PM) เช่น CPM 3V หรือ M4 ซึ่งมีการกระจายตัวของคาร์ไบด์ที่ละเอียดกว่า D2 ทั่วไป ทำให้พื้นผิวเรียบมากขึ้น และลดโอกาสการเริ่มต้นวงจรการสึกหรอแบบยึดติด

การบำบัดผิวและเคลือบผิวขั้นสูง

เมื่อได้ปรับแต่งกลไกและวัสดุให้เหมาะสมแล้ว การเคลือบผิวจะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันขั้นสุดท้าย การเคลือบด้วยกระบวนการตกตะกอนไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition - PVD) เป็นมาตรฐานสำหรับงานตัดขึ้นรูปในปัจจุบัน แต่การเลือกสารเคลือบที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่ง

• TiCN (ไทเทเนียมคาร์บอนไนไตรด์): เป็นสารเคลือบที่ใช้งานทั่วไปได้ดีเยี่ยม ให้ความแข็งสูงกว่าและแรงเสียดทานต่ำกว่า TiN มาตรฐาน โดยทั่วไปนิยมใช้ในการขึ้นรูปเหล็กกล้าความแข็งสูง
• DLC (Diamond-Like Carbon): โดดเด่นด้วยค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่ต่ำมาก DLC จึงเป็นทางเลือกชั้นหนึ่งสำหรับการประมวลผลอลูมิเนียมและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่ยากต่อการแปรรูป ซึ่งเลียนแบบคุณสมบัติของกราไฟต์ ทำให้วัสดุชิ้นงานเลื่อนตัวได้อย่างลื่นไหลด้วยแรงต้านทานต่ำสุด
• การไนทรีด: เป็นกระบวนการแพร่ซึมมากกว่าการเคลือบผิว โดยไนไตรด์จะทำให้ผิวของเหล็กเครื่องมือแข็งตัว มักใช้เป็นการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบ PVD เพื่อป้องกันปรากฏการณ์ "เปลือกไข่" ซึ่งเกิดจากการแตกร้าวของชั้นเคลือบที่แข็ง เนื่องจากพื้นผิวชั้นล่างมีความอ่อนนุ่ม

คำเตือนสำคัญ: การเคลือบจะมีคุณภาพดีเท่ากับการเตรียมพื้นผิวที่รองรับเท่านั้น พื้นผิวของเครื่องมือต้องได้รับการขัดเงาจนถึงระดับผิวกระจก ก่อนหน้านี้ การเคลือบ รอยขีดข่วนหรือสิ่งนูนใดๆ ที่มีอยู่แล้วจะถูกถ่ายทอดไปยังชั้นเคลือบ ทำให้เกิดจุดนูนที่แข็งและแหลมคม ซึ่งจะกัดกร่อนชิ้นงานอย่างรุนแรง

มาตรการดำเนินการ: การหล่อลื่นและการบำรุงรักษา

ในพื้นที่การผลิต ผู้ปฏิบัติงานสามารถลดความเสี่ยงจากการเกิดการยึดติด (galling) ได้ด้วยการควบคุมกระบวนการอย่างเคร่งครัด ตัวแปรแรกคือ การหล่อลื่น สำหรับการป้องกันการยึดติด น้ำมันธรรมดาโดยทั่วไปมักไม่เพียงพอ กระบวนการนี้ต้องใช้สารหล่อลื่นที่มีสารเติมแต่งแรงดันสูง (EP) (เช่น ซัลเฟอร์ หรือ คลอรีน) หรืออุปสรรคชนิดแข็ง (เช่น กราไฟต์ หรือโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์) สารเติมแต่งเหล่านี้จะสร้าง "ฟิล์มไตรโบโลจิคัล" ที่แยกผิวโลหะออกจากกัน แม้ในกรณีที่น้ำมันของเหลวถูกบีบออกโดยแรงกด

การจัดการความร้อน เป็นคันโยกปฏิบัติการข้อที่สอง การยึดติดเกิดจากพลังงานความร้อน; อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้วัสดุชิ้นงานอ่อนตัวลง และส่งเสริมการยึดติดกัน หากพบอาการการยึดติด ควรลองลดความเร็วของเครื่องอัด (จำนวนรอบต่อนาที) สิ่งนี้จะช่วยลดอุณหภูมิของกระบวนการ และให้เวลาแก่สารหล่อลื่นในการฟื้นตัวระหว่างการตอกแต่ละครั้ง Rolleri ยังแนะนำให้ใช้ลำดับการตัดแบบ "สะพาน" (bridge slitting sequence) สำหรับกระบวนการเจาะ โดยสลับตำแหน่งการตอก เพื่อป้องกันการสะสมความร้อนเฉพาะจุดและการรวมตัวของวัสดุ

ในที่สุด การบำรุงรักษาระยะสั้นต้องดำเนินการอย่างรุกเร้า อย่ารอให้เกิดการติดยึดขึ้นมาก่อน ควรจัดทำตารางเวลาในการขัดและทำความสะอาดรัศมีของแม่พิมพ์ เพื่อลบสิ่งที่เกาะติดขนาดเล็กก่อนที่จะเติบโตกลายเป็นก้อนที่ก่อให้เกิดความเสียหาย เครื่องมือที่คมจะช่วยลดแรงตันที่จำเป็นต้องใช้ในการขึ้นรูปชิ้นงาน ซึ่งจะช่วยลดแรงเสียดทานและความร้อนที่เป็นต้นเหตุของการติดยึด

การออกแบบความน่าเชื่อถือเข้าสู่กระบวนการ

การป้องกันไม่ให้แม่พิมพ์เกิดการติดยึดไม่ใช่เรื่องของโชค แต่เป็นศาสตร์ทางด้านฟิสิกส์และวิศวกรรม โดยการเคารพกฎของแรงเสียดทาน—การเว้นระยะห่างที่เพียงพอสำหรับการไหลของวัสดุ การเลือกวัสดุที่มีคุณสมบัติทางเคมีไม่เข้ากัน และการรักษาระดับฟิล์มหล่อลื่นไว้—ผู้ผลิตสามารถกำจัดการเชื่อมเย็นได้เกือบทั้งหมด ต้นทุนของการวิเคราะห์การออกแบบขั้นต้นและการใช้วัสดุเกรดพรีเมียมนั้นเล็กน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายที่เกิดจากการหยุดทำงานของแม่พิมพ์ที่ติดขัด หรืออัตราการทิ้งชิ้นงานที่มีรอยขีดข่วน จงแก้ไขที่ต้นตอ ไม่ใช่แค่อาการ แล้วความน่าเชื่อถือในการผลิตจะตามมา

คำถามที่พบบ่อย

1. คุณจะลดการเกิดการติดยึดในแม่พิมพ์ตัดขึ้นรูปได้อย่างไร?

เพื่อลดการเกิดการติดลื่น (galling) ควรเน้นที่สามประเด็น ได้แก่ กลศาสตร์ วัสดุ และการหล่อลื่น ก่อนอื่น ให้มั่นใจว่าช่องว่างระหว่างพันซ์กับได (punch-to-die clearance) เพียงพอ (โดยเพิ่มส่วนเผื่ออีก 10-20% ในบริเวณที่มีแนวโน้มหนาขึ้น) ประการที่สอง ใช้วัสดุโลหะต่างชนิดกัน เช่น Aluminum Bronze หรือเหล็กกล้าผงเคลือบ (coated PM steels) เพื่อป้องกันการเชื่อมเย็น (cold welding) ประการที่สาม ใช้สารหล่อลื่นที่มีความหนืดสูงพร้อมสารเติมแต่งแรงกดสุดขีด (Extreme Pressure - EP) เพื่อรักษารอยฟิล์มกันระหว่างภายใต้แรงกด

2. น้ำหล่อแรมต้านการยึดติดสามารถป้องกันการเกิด galling ได้หรือไม่

ใช่ สารกันยึด (anti-seize compounds) สามารถป้องกันการเกิด galling ได้ โดยการใส่สารหล่อลื่นในรูปของแข็ง (เช่น ทองแดง กราไฟต์ หรือโมลิบดีนัม) คั่นระหว่างผิวสัมผัส สารของแข็งเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคทางกายภาพที่ช่วยแยกผิวโลหะออกจากกัน แม้ภายใต้แรงกดสูงที่อาจบีบให้น้ำมันหล่อลื่นแบบของเหลวออกหมดก็ตาม อย่างไรก็ตาม การใช้สารกันยึดเป็นเพียงการแก้ไขเฉพาะจุดในการดำเนินงาน และไม่ได้แก้ไขข้อบกพร่องพื้นฐานของการออกแบบ เช่น ช่องว่างที่แคบเกินไป

3. สาเหตุหลักของ galling คืออะไร

สาเหตุหลักของ galling คือ การสึกหรอแบบยึดติด ขับเคลื่อนโดยแรงเสียดทานและความร้อน เมื่อความดันสูงทำให้ฟิล์มออกไซด์ป้องกันบนพื้นผิวโลหะแตกตัว อะตอมที่ถูกเปิดเผยสามารถจับยึดหรือ "เชื่อม" เข้าด้วยกันได้ ปรากฏการณ์นี้พบได้บ่อยที่สุดเมื่อเครื่องมือและชิ้นงานมีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกัน (เช่น การตัดสเตนเลสสตีลด้วยเหล็กกล้าเครื่องมือที่ไม่มีการเคลือบ) ซึ่งนำไปสู่ความเข้ากันได้ทางโลหะวิทยาในระดับสูง