หลักการออกแบบสำคัญสำหรับความสามารถในการผลิตโดยการตีขึ้นรูป

สรุปสั้นๆ

การออกแบบชิ้นส่วนให้เหมาะสมกับการผลิตด้วยกระบวนการตีขึ้นรูป จำเป็นต้องวางแผนรูปร่างเรขาคณิตอย่างมีกลยุทธ์ เพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการตีขึ้นรูปโลหะ สิ่งนี้รวมถึงการควบคุมอย่างระมัดระวังในลักษณะสำคัญต่างๆ เช่น เส้นแบ่งพิมพ์ มุมร taper มุมโค้ง และความหนาของผนัง เพื่อให้วัสดุไหลได้อย่างราบรื่น ป้องกันข้อบกพร่อง และทำให้สามารถถอดชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์ได้ง่าย การออกแบบที่เหมาะสมจะช่วยลดต้นทุน ลดขั้นตอนการผลิตต่อเนื่อง และเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งแรงตามธรรมชาติของชิ้นส่วนที่ตีขึ้นรูป

หลักการพื้นฐานของการออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิตด้วยการตีขึ้นรูป (DFM)

การออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิตด้วยกระบวนการตีขึ้นรูป (DFM) เป็นแนวทางวิศวกรรมเฉพาะทางที่มุ่งเน้นการปรับแต่งแบบของชิ้นส่วนให้เหมาะสมกับกระบวนการตีขึ้นรูป โดยเป้าหมายหลักคือการสร้างชิ้นส่วนที่ไม่เพียงแต่มีความสามารถในการใช้งานได้จริง แต่ยังสามารถผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพและคุ้มค่าต้นทุน อีกทั้งยังพิจารณาข้อจำกัดและขีดความสามารถของกระบวนการตีขึ้นรูปตั้งแต่เริ่มต้น ทำให้วิศวกรสามารถลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก พัฒนาคุณภาพของชิ้นงานขั้นสุดท้าย และลดความจำเป็นในการดำเนินการรอง เช่น การกลึง อย่างมีนัยสำคัญ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญได้อธิบายไว้ การตีขึ้นรูปจะจัดเรียงทิศทางของเม็ดผลึกโลหะให้สอดคล้องกับรูปร่างของชิ้นส่วน ซึ่งจะช่วยเสริมสมบัติทางกล เช่น ความต้านทานต่อการเหนื่อยล้าและความเหนียวต่อแรงกระแทก กระบวนการนี้ให้ชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงและทนทานสูงกว่าการหล่อหรือการกลึง .

เป้าหมายหลักของ DFM สำหรับการตีขึ้นรูปรวมถึง:

• ลดความซับซ้อน: รูปร่างที่เรียบง่ายและสมมาตรจะตีขึ้นรูปได้ง่ายกว่า ต้องการแม่พิมพ์ที่ซับซ้อนน้อยลง และส่งผลให้มีข้อบกพร่องน้อยลง
• ประกันการไหลของวัสดุ: การออกแบบต้องช่วยให้โลหะไหลอย่างราบรื่นและเติมเต็มช่องว่างของแม่พิมพ์ได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่เกิดช่องว่างหรือรอยพับ
• การมาตรฐานส่วนประกอบ: เมื่อเป็นไปได้ การใช้ขนาดและลักษณะที่เป็นมาตรฐานสามารถลดต้นทุนเครื่องมือและเวลาการผลิต
• การลดของเสีย: การปรับขนาดแท่งโลหะเริ่มต้นและรูปทรงของชิ้นส่วนให้เหมาะสมจะช่วยลดของเสียจากวัสดุ โดยเฉพาะส่วน 'แฟลช' ที่ต้องตัดทิ้งหลังจากการขึ้นรูปด้วยแรงอัด

การเพิกเฉยต่อหลักการเหล่านี้อาจนำไปสู่ปัญหาที่สำคัญ ทางเลือกในการออกแบบที่ไม่ดีอาจก่อให้เกิดข้อบกพร่องในการผลิต เครื่องมือสึกหรอเร็วขึ้น วัสดุสูญเสียมากขึ้น และในท้ายที่สุดทำให้ได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่อ่อนแอและมีราคาแพงกว่า สำหรับบริษัทในภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการคุณภาพสูง เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยาน การร่วมมือกับผู้ผลิตที่มีความเชี่ยวชาญจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญด้านการขึ้นรูปเย็นยานยนต์ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ , ใช้ความชำนาญเฉพาะด้านในกระบวนการผลิตแม่พิมพ์และกระบวนการผลิต เพื่อให้มั่นใจว่าการออกแบบถูกปรับให้เหมาะสมทั้งในด้านประสิทธิภาพและการใช้งานอย่างมีประสิทธิผล ตั้งแต่ขั้นตอนต้นแบบจนถึงการผลิตจำนวนมาก

ข้อพิจารณาเชิงเรขาคณิตหลัก 1: เส้นแบ่งแบบและมุมร่าง

หนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการออกแบบการตีขึ้นรูป คือ เส้นแบ่งแบบและมุมร่าง ลักษณะเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อความซับซ้อนของแม่พิมพ์ การไหลของวัสดุ และความสะดวกในการดึงชิ้นงานที่เสร็จสมบูรณ์ออกจากอุปกรณ์ การวางแผนที่ดีในด้านเหล่านี้ถือเป็นพื้นฐานสำคัญของการดำเนินงานการตีขึ้นรูปที่ประสบความสำเร็จและมีประสิทธิภาพ

เส้นแบ่งแบบ

เส้นแบ่งแบบ คือ พื้นผิวที่สองครึ่งของแม่พิมพ์การตีขึ้นรูปมาบรรจบกัน การกำหนดตำแหน่งของเส้นนี้ถือเป็นการตัดสินใจที่สำคัญในกระบวนการออกแบบ และควรระบุไว้อย่างชัดเจนบนแบบการตีขึ้นรูป โดยทั่วไป เส้นแบ่งแบบควรอยู่ในระนาบเดียวกัน และวางไว้ตามแนวพื้นที่ภาพฉายที่ใหญ่ที่สุดของชิ้นส่วน เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการไหลของวัสดุที่สมดุล และลดแรงที่จำเป็นต้องใช้ในการตีขึ้นรูปชิ้นส่วน ตาม แนวทางจาก Engineers Edge , เส้นแบ่งที่จัดวางอย่างเหมาะสมยังช่วยควบคุมทิศทางการไหลของเม็ดผลึกและป้องกันการเว้าลึก (undercuts) ซึ่งจะทำให้ไม่สามารถดันชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์ได้

มุมเอียง (Draft angles)

มุมร่าง (Draft angles) คือ มุมเอียงเล็กน้อยที่เพิ่มเข้าไปในพื้นผิวแนวตั้งทั้งหมดของชิ้นงานหล่อขึ้นรูป ซึ่งขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ จุดประสงค์หลักคือเพื่ออำนวยความสะดวกในการนำชิ้นงานออกจากร่องแม่พิมพ์หลังจากขึ้นรูปเรียบร้อยแล้ว หากไม่มีมุมร่างที่เพียงพอ ชิ้นงานอาจติดค้าง ส่งผลให้เกิดความเสียหายทั้งต่อชิ้นส่วนและแม่พิมพ์ที่มีราคาแพง ขนาดของมุมร่างที่ต้องการขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของชิ้นงานและวัสดุที่ใช้ในการหล่อขึ้นรูป แต่ โดยทั่วไป มุมร่างสำหรับชิ้นงานหล่อเหล็กจะอยู่ในช่วง 3 ถึง 7 องศา มุมร่างที่ไม่เพียงพออาจก่อให้เกิดข้อบกพร่อง เพิ่มการสึกหรอของแม่พิมพ์ และชะลอรอบการผลิต

ข้อพิจารณาเชิงเรขาคณิตหลัก 2: ซี่โครง ก้านบาง และรัศมีโค้ง

นอกเหนือจากรูปร่างโดยรวม การออกแบบคุณลักษณะเฉพาะต่าง ๆ เช่น ริบ เว็บ และรัศมีของมุมและส่วนโค้งมน มีความสำคัญต่อความสามารถในการผลิต ส่วนประกอบเหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการออกแบบเพื่อส่งเสริมการไหลของวัสดุอย่างราบรื่น และป้องกันข้อบกพร่องที่มักเกิดขึ้นจากการหล่อขึ้นรูป ขณะเดียวกันก็ต้องรักษาระบบโครงสร้างของชิ้นส่วนสำเร็จรูปให้มีความแข็งแรงสมบูรณ์

ริบและเว็บ

ริบคือส่วนที่ยื่นขึ้นมาเป็นแนวยาวแคบ ซึ่งมักใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความทนทานให้กับชิ้นส่วน โดยไม่เพิ่มน้ำหนักมากเกินไป เว็บคือส่วนของวัสดุที่บาง ทำหน้าที่เชื่อมต่อริบและองค์ประกอบอื่น ๆ เมื่อออกแบบส่วนเหล่านี้ จำเป็นต้องควบคุมสัดส่วนอย่างเหมาะสม ริบที่สูงและแคบเกินไปอาจทำให้เติมวัสดุได้ยาก ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่อง หลักทั่วไปประการหนึ่งคือ ความสูงของริบไม่ควรเกินหกเท่าของความหนาของมัน นอกจากนี้ ความหนาของริบควรเท่ากับหรือน้อยกว่าความหนาของเว็บ เพื่อป้องกันปัญหาในกระบวนการผลิต

รัศมีของมุมและส่วนโค้งมน

หนึ่งในกฎที่สำคัญที่สุดในการออกแบบชิ้นงานตีขึ้นรูปคือ การหลีกเลี่ยงมุมฉากทั้งด้านในและด้านนอกที่คมเกินไป มุมคมจะขัดขวางการไหลของโลหะ ทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยพับ (laps) และรอยเย็น (cold shuts) ซึ่งเกิดจากวัสดุพับทับกันเอง นอกจากนี้ยังก่อให้เกิดจุดรวมแรงดันในแม่พิมพ์และชิ้นงานสำเร็จรูป ซึ่งอาจลดอายุการใช้งานภายใต้ภาวะเหนื่อยล้าได้ การใช้รัศมีเว้า (fillet) ภายใน และรัศมีมุม (corner) ภายนอกที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็น ขอบที่มนเหล่านี้ช่วยให้โลหะไหลเข้าสู่โพรงแม่พิมพ์ได้อย่างราบรื่น ทำให้เติมเต็มทุกส่วนของแม่พิมพ์ได้ครบถ้วน และกระจายแรงดันได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงาน แต่ยังยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ตีขึ้นรูป โดยลดการสึกหรอและความเสี่ยงของการแตกร้าว

การจัดการการไหลของวัสดุ: ความหนาของภาคตัดและสมมาตร

หลักฟิสิกส์พื้นฐานของการตีขึ้นรูปคือการบังคับให้โลหะแข็งไหลเหมือนของเหลวหนืดเข้าสู่รูปร่างที่ต้องการ ดังนั้น การควบคุมการไหลของวัสดุนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการผลิตชิ้นส่วนที่ปราศจากข้อบกพร่อง สิ่งสำคัญคือการรักษารูปตัดที่มีความหนาสม่ำเสมอ และใช้ประโยชน์จากความสมมาตรเท่าที่จะทำได้

การเปลี่ยนแปลงความหนาของผนังอย่างฉับพลันอาจก่อให้เกิดปัญหาอย่างมาก โลหะจะเคลื่อนที่ตามทางที่ต้านทานน้อยที่สุดเสมอ และการเปลี่ยนผ่านอย่างฉับพลันจากส่วนที่หนาไปยังส่วนที่บางอาจจำกัดการไหล ทำให้ส่วนที่บางไม่เต็มรูปแบบ นอกจากนี้ยังอาจสร้างเกรเดียนต์อุณหภูมิในระหว่างการเย็นตัว ซึ่งนำไปสู่การบิดงอหรือแตกร้าว การออกแบบชิ้นงานตีขึ้นรูปที่เหมาะสมควรรักษาระดับความหนาของผนังให้สม่ำเสมอตลอดชิ้นส่วน เมื่อจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลง ควรทำอย่างค่อยเป็นค่อยไปโดยใช้รอยต่อที่เรียวและราบรื่น ซึ่งจะช่วยให้แรงกดกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และโลหะสามารถไหลเข้าสู่ทุกพื้นที่ของแม่พิมพ์ได้อย่างทั่วถึง

ความสมมาตรเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังอีกประการหนึ่งสำหรับนักออกแบบ ชิ้นส่วนที่มีความสมมาตรโดยธรรมชาติจะขึ้นรูปได้ง่ายกว่า เพราะช่วยส่งเสริมการไหลของวัสดุอย่างสมดุล และทำให้ออกแบบแม่พิมพ์ได้ง่ายขึ้น แรงจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น และชิ้นงานจะมีแนวโน้มบิดเบี้ยวน้อยลงระหว่างกระบวนการขึ้นรูปและการเย็นตัวในขั้นตอนถัดไป ทุกครั้งที่การใช้งานอนุญาต การออกแบบรูปร่างที่เรียบง่ายและสมมาตรจะนำไปสู่กระบวนการผลิตที่แข็งแกร่ง คุ้มค่าต้นทุนมากกว่า และได้ชิ้นส่วนสุดท้ายที่มีคุณภาพสูงขึ้นเกือบทุกกรณี

การวางแผนสำหรับขั้นตอนการแปรรูปต่อเนื่อง: ระยะเผื่อและค่าความคลาดเคลื่อนสำหรับการกลึง

แม้ว่าการขึ้นรูปจะสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้ายมาก (near-net shape) แต่บ่อยครั้งจำเป็นต้องมีการกลึงเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบ พื้นผิวเฉพาะเจาะจง หรือลักษณะบางอย่างที่ไม่สามารถขึ้นรูปได้ การวางแผนขั้นตอนการแปรรูปต่อเนื่องเหล่านี้ตั้งแต่ต้นเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งของการออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิต

‘ระยะตัดแต่ง’ คือวัสดุส่วนเกินที่ถูกออกแบบให้เพิ่มเข้าไปในชิ้นงานปั๊มขึ้นรูป บนพื้นผิวที่จะนำไปกลึงในขั้นตอนถัดไป เพื่อให้มั่นใจว่ามีวัสดุเพียงพอสำหรับการตัดออก เพื่อให้ได้ขนาดสุดท้ายที่แม่นยำ โดยทั่วไประยะตัดแต่งอาจอยู่ที่ประมาณ 0.06 นิ้ว (1.5 มม.) ต่อพื้นผิวหนึ่งด้าน แต่ค่านี้อาจแตกต่างกันไปตามขนาดและความซับซ้อนของชิ้นส่วน ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาความคลาดเคลื่อนสะสมในกรณีที่เลวร้ายที่สุด และมุมร่าง (draft angles) ขณะกำหนดระยะตัดแต่งนี้

ค่าความคลาดเคลื่อนในการปั้นขึ้นรูปตามธรรมชาติจะหลวมกว่าค่าความคลาดเคลื่อนในการกลึงอย่างแม่นยำ การกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนที่ปั้นขึ้นรูปโดยตรงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมต้นทุน การพยายามกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบเกินจำเป็นในการปั้นขึ้นรูปอาจทำให้ต้นทุนเครื่องมือและอัตราการเสียของเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ทางเลือกที่ดีกว่าคือการออกแบบควรแยกแยะระหว่างพื้นผิวที่สำคัญซึ่งจะต้องทำการกลึง และพื้นผิวที่ไม่สำคัญซึ่งสามารถคงสภาพเดิมจากการปั้นขึ้นรูปไว้ได้ โดยการระบุข้อกำหนดเหล่านี้อย่างชัดเจนบนแบบร่าง นักออกแบบจะสามารถสร้างชิ้นส่วนที่ทั้งใช้งานได้จริงและผลิตได้อย่างคุ้มค่า ซึ่งจะช่วยเชื่อมช่องว่างระหว่างชิ้นงานดิบที่ปั้นขึ้นรูปและชิ้นส่วนสำเร็จรูป

คำถามที่พบบ่อย

1. มีประเด็นพิจารณาในการออกแบบสำหรับการปั้นขึ้นรูปอะไรบ้าง

ปัจจัยพิจารณาหลักในการออกแบบชิ้นส่วนสำหรับการตีขึ้นรูป ได้แก่ การเลือกวัสดุที่เหมาะสม การกำหนดรูปร่างของชิ้นส่วนเพื่อให้เกิดการไหลของโลหะอย่างเหมาะสม และการระบุคุณลักษณะสำคัญต่างๆ เช่น ตำแหน่งของแนวแยก (parting line) มุมร่นที่เพียงพอเพื่อให้สามารถดึงชิ้นงานออกได้ รัศมีมนและมุมโค้งขนาดใหญ่เพื่อลดการรวมตัวของแรงเครียด และความหนาผนังที่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ นักออกแบบยังต้องวางแผนเผื่อค่ากันกัดสำหรับการกลึง และกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนที่เป็นจริงได้สำหรับกระบวนการหลังจากการตีขึ้นรูป

2. คุณออกแบบชิ้นส่วนเพื่อการผลิตอย่างไร

การออกแบบชิ้นส่วนเพื่อการผลิต หรือ DFM เกี่ยวข้องกับการเรียบง่ายของแบบเพื่อลดความซับซ้อนและต้นทุน หลักการสำคัญ ได้แก่ การลดจำนวนชิ้นส่วนโดยรวม การใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานเมื่อเป็นไปได้ การออกแบบชิ้นส่วนที่มีหลายหน้าที่ และการเลือกวัสดุที่สามารถแปรรูปได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการตีขึ้นรูป หมายถึงการออกแบบเพื่อให้วัสดุไหลอย่างสม่ำเสมอ หลีกเลี่ยงมุมแหลม และลดความจำเป็นในการดำเนินการรอง

3. สิ่งใดที่เป็นลักษณะของแนวคิดการออกแบบเพื่อการผลิต

การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) มีลักษณะเป็นแนวทางเชิงรุก โดยพิจารณากระบวนการผลิตตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นของการออกแบบ หลักการหลักๆ ได้แก่ การปรับแต่งการออกแบบเพื่อให้เกิดความสะดวกในการผลิต ประหยัดต้นทุน และได้คุณภาพที่ดี ซึ่งหมายถึงการเน้นปัจจัยต่างๆ เช่น การเลือกวัสดุ ขีดความสามารถของกระบวนการ มาตรฐาน และการลดความซับซ้อน เพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายสามารถผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้