กระบวนการตีขึ้นรูปที่จำเป็นสำหรับข้อต่อแบบยูนิเวอร์แซล

สรุปสั้นๆ

กระบวนการตีขึ้นรูปสำหรับข้อต่อแบบยูนิเวอร์แซลเป็นวิธีการผลิตขั้นสูงที่ใช้แรงกดอย่างรุนแรงในการขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กคุณภาพสูง เพื่อสร้างชิ้นส่วนที่แข็งแรงและทนทาน เทคนิคสำคัญได้แก่ การตีขึ้นรูปแบบร้อน ซึ่งจะให้ความร้อนกับโลหะเหนืออุณหภูมิการเกิดผลึกใหม่เพื่อให้ง่ายต่อการขึ้นรูป และการตีขึ้นรูปแบบเย็นเพื่อความแม่นยำที่สูงขึ้น กระบวนการนี้ใช้เครื่องอัดแรงดันสูงและแม่พิมพ์เฉพาะทางในการขึ้นรูปชิ้นส่วนหลัก เช่น อกไก่และกากบาท เพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแรงสูงและโครงสร้างเม็ดผลึกต่อเนื่อง ซึ่งจำเป็นต่อการใช้งานที่ต้องรับแรงสูง

การเข้าใจข้อต่อแ universal joints และข้อได้เปรียบจากกระบวนการตีขึ้นรูป

ข้อต่อแหวนหมุน หรือที่มักเรียกว่ายู-จอยต์ (U-joint) เป็นข้อต่อทางกลที่สำคัญ ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมเพลาที่หมุนเข้าด้วยกัน เพื่อให้สามารถถ่ายโอนแรงบิดและการเคลื่อนไหวได้ แม้ในกรณีที่เพลากำลังเอียงทำมุมกัน ความยืดหยุ่นนี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งในหลายการประยุกต์ใช้งาน ไม่ว่าจะเป็นเพลาขับของรถยนต์ ระบบพวงมาลัย รวมถึงเครื่องจักรอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม โดยทั่วไป ข้อต่อนี้ประกอบด้วยข้อต่อยอกสองชิ้นที่เชื่อมต่อกันด้วยชิ้นส่วนรูปข้าวหลามตัด หรือที่เรียกว่า spider ซึ่งมีแบริ่งอยู่ภายในเพื่อช่วยให้การหมุนเกิดขึ้นได้อย่างราบรื่น

การตีขึ้นรูปเป็นวิธีการผลิตที่ได้รับความนิยมสำหรับชิ้นส่วนเหล่านี้ เนื่องจากให้ความแข็งแรงสูงมาก เมื่อเทียบกับการหล่อหรือการกลึงจากวัตถุดิบที่เป็นชิ้นเดียว การตีขึ้นรูปจะจัดรูปร่างโลหะผ่านกระบวนการเปลี่ยนรูปอย่างควบคุมได้ ทำให้โครงสร้างเม็ดผลึกภายในของวัสดุสอดคล้องกับรูปร่างสุดท้ายของชิ้นส่วน ส่งผลให้เกิดการไหลของเม็ดผลึกอย่างต่อเนื่องซึ่งตามแนวโค้งของข้อต่อและแกน ส่งผลให้มีความต้านทานแรงดึง ความเหนี่ยวนำ และความทนทานต่อแรงกระแทกที่ยอดเยี่ยม ความสมบูรณ์ทางโครงสร้างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงที่ซับซ้อนและสลับทิศทางอย่างต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งาน

การเลือกวัสดุสำหรับข้อต่อเพื่อการหมุน (universal joints) ถูกกำหนดโดยเงื่อนไขที่เข้มงวดเหล่านี้ เหล็กกล้าผสมคุณภาพสูงเป็นทางเลือกมาตรฐานเนื่องจากมีความแข็งแรง ความเหนียว และความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น เหล็กคาร์บอนปานกลาง เช่น เหล็กเกรด 45 มักใช้ในชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ข้อต่อเพื่อการหมุนรูปตัวยู (universal joint fork) ในบางแอปพลิเคชันพิเศษ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนสูง อาจใช้โลหะผสมสแตนเลส และสามารถเคลือบผิวเพื่อลดแรงเสียดทานและป้องกันการติดขัดได้

เทคนิคการตีขึ้นรูปแกนหลัก: การตีขึ้นรูปแบบร้อน เทียบกับ แบบเย็น

การผลิตข้อต่อเพื่อการหมุน (universal joints) ส่วนใหญ่อาศัยเทคนิคการตีขึ้นรูปสองแบบหลัก ได้แก่ การตีขึ้นรูปแบบร้อนและการตีขึ้นรูปแบบเย็น การเลือกระหว่างสองวิธีนี้ขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนเฉพาะ คุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการ และปริมาณการผลิต แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันในแง่ของความแม่นยำ ความแข็งแรง และต้นทุน

การขึ้นรูปด้วยความร้อน เป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการผลิตชิ้นส่วนยูนิเวอร์แซลจอยต์ เช่น ไครส์ (cross) โดยในกระบวนการนี้ แท่งเหล็กจะถูกให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเรคัสแตลไลเซชัน ความร้อนขั้นสูงนี้ทำให้โลหะมีความเหนียวและสามารถขึ้นรูปได้ง่าย จึงสามารถขึ้นรูปด้วยแรงกดจากเครื่องตีขึ้นรูปหรือค้อนตีขึ้นรูปได้น้อยลง ข้อดีหลักของฮ็อตฟอร์จจิ้งคือความสามารถในการสร้างรูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่ซับซ้อนและการเปลี่ยนรูปร่างขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย ทำให้เหมาะสำหรับรูปร่างที่ซับซ้อนของไครส์ยูจอยต์ นอกจากนี้ยังช่วยปรับปรุงโครงสร้างเกรนของโลหะ กำจัดช่องว่างภายใน และเพิ่มความทนทาน

การขึ้นรูปแบบเย็น , ในทางตรงกันข้าม ทำที่อุณหภูมิห้องหรือใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง การกระบวนการนี้ต้องการแรงดันสูงกว่ามากในการขึ้นรูปโลหะ แต่ให้ความแม่นยำของขนาดที่ดีกว่า พื้นผิวเรียบเนียนกว่า และเพิ่มความแข็งแรงผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การแข็งตัวจากการขึ้นรูป (work hardening) ถึงแม้ว่าจะใช้น้อยกว่าสำหรับการขึ้นรูปชิ้นส่วนซับซ้อน เช่น กากบาท แต่การตีเย็นสามารถใช้กับบางส่วนประกอบ หรือเป็นกระบวนการตกแต่งขั้นที่สอง เพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบ โดยไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรกลอย่างกว้างขวาง

ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบระหว่างสองวิธีหลัก:

ขั้นตอนกระบวนการผลิต

การสร้างข้อต่อแบบยูนิเวอร์ซัลโดยวิธีการหล่อขึ้นรูปเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เปลี่ยนแท่งเหล็กธรรมดาให้กลายเป็นชิ้นส่วนกลไกที่มีสมรรถนะสูง แต่ละขั้นตอนได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายจะเป็นไปตามมาตรฐานคุณภาพและความทนทานที่เข้มงวด แม้ว่ารายละเอียดเฉพาะอาจแตกต่างกันไป แต่ลำดับขั้นตอนโดยรวมจะเป็นไปตามแนวทางที่ชัดเจนและเป็นลำดับ

1. การเตรียมวัสดุและการตัด กระบวนการเริ่มต้นจากการเลือกแท่งโลหะผสมเหล็กคุณภาพสูง แท่งดังกล่าวจะถูกตรวจสอบคุณภาพก่อน จากนั้นจึงถูกตัดเป็นความยาวที่กำหนดอย่างแม่นยำ ซึ่งเรียกว่า บิลเล็ต หรือ สลัก เศษวัสดุแต่ละชิ้นจะมีการคำนวณน้ำหนักและปริมาตรอย่างละเอียด เพื่อให้มีวัสดุเพียงพอในการเติมเต็มโพรงแม่พิมพ์ โดยลดของเสีย (ที่เรียกว่า แฟลช) ให้น้อยที่สุด
2. การให้ความร้อน (สำหรับการหล่อขึ้นรูปแบบร้อน) แท่งโลหะที่ตัดแล้วจะถูกส่งไปยังเตาเผา โดยทั่วไปเป็นเตาเหนี่ยวนำ ซึ่งจะให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการขึ้นรูปด้วยแรงอัด สำหรับเหล็ก อุณหภูมิดังกล่าวมักอยู่ระหว่าง 1100°C ถึง 1250°C ขั้นตอนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำให้โลหะมีความเหนียวและสามารถขึ้นรูปภายใต้แรงกดได้
3. การขึ้นรูปด้วยแรงอัด: หลังจากให้ความร้อนแล้ว แท่งโลหะจะถูกใส่เข้าไปอย่างรวดเร็วในครึ่งล่างของชุดแม่พิมพ์ที่ออกแบบมาเฉพาะตัวภายในเครื่องอัดแรงอัดสูง จากนั้นเครื่องอัดจะใช้แรงกดมหาศาล ทำให้โลหะที่อยู่ในสภาพพลาสติกไหลเต็มโพรงของแม่พิมพ์ ซึ่งมีรูปร่างตามชิ้นส่วนที่ต้องการ เช่น ข้อต่อรูปตัวแอก หรือข้อต่อรูปกากบาท โดยกระบวนการนี้มักดำเนินการหลายขั้นตอน ได้แก่ ขั้นตอนก่อนขึ้นรูปเพื่อจัดรูปร่างเบื้องต้น และขั้นตอนการขึ้นรูปขั้นสุดท้ายเพื่อให้ได้รูปร่างสมบูรณ์พร้อมรายละเอียดที่แม่นยำ
4. การตัดแต่งขอบ: หลังจากการขึ้นรูปด้วยแรงอัด ชิ้นส่วนจะมีเส้นบางๆ ของวัสดุส่วนเกินอยู่รอบขอบ ซึ่งเป็นบริเวณที่แม่พิมพ์สองชิ้นประกบกัน วัสดุส่วนเกินนี้เรียกว่า แฟลช (flash) จะถูกตัดออกโดยใช้เครื่องตัดแต่ง และแฟลชที่ได้จะถูกนำไปรีไซเคิลในภายหลัง
5. การบำบัดความร้อน: เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลตามที่ต้องการในขั้นตอนสุดท้าย ชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการปั้นขึ้นรูปจะต้องได้รับการบำบัดด้วยความร้อน โดยตามที่ได้อธิบายไว้โดย HYB Universal Joint ขั้นตอนนี้รวมถึงกระบวนการต่างๆ เช่น การทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว (quenching) เพื่อเพิ่มความแข็งของเหล็ก และการอบคืนตัว (tempering) ซึ่งเป็นการให้ความร้อนใหม่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า เพื่อเพิ่มความเหนียวและลดความเปราะ บางชิ้นส่วนอาจได้รับการคาร์บูไรซ์ (carburized) เพื่อสร้างพื้นผิวที่แข็งและทนต่อการสึกหรอ
6. การตกแต่งและการกลึงขั้นสุดท้าย: แม้ว่าการปั้นขึ้นรูปจะสามารถสร้างรูปร่างที่ใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้ายแล้ว แต่ยังคงจำเป็นต้องใช้เครื่องจักรกลึงความแม่นยำสูงเพื่อให้ได้ขนาดที่แน่นหนาและแม่นยำสำหรับพื้นที่สัมผัสแบริ่งและจุดเชื่อมต่อ งานต่างๆ เช่น การเจาะ การขัด และการกลึง จะดำเนินการโดยใช้เครื่องจักร CNC เพื่อให้มั่นใจว่าชิ้นส่วนพอดีกันอย่างสมบูรณ์และทำงานได้อย่างลื่นไหล
7. การประกอบและการควบคุมคุณภาพ: ในที่สุด ชิ้นส่วนต่างๆ ได้แก่ ข้อต่อรูปตัว Y, แกนไขว้ (cross) และแบริ่ง จะถูกนำมาประกอบเข้าด้วยกัน ตลอดกระบวนการผลิตทั้งหมดจะมีการตรวจสอบคุณภาพอย่างเข้มงวด รวมถึงการตรวจสอบมิติและการทดสอบความทนทาน เพื่อให้มั่นใจว่าข้อต่อหมุนทุกตัวจะเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ

ชิ้นส่วนเฉพาะสำหรับการตีขึ้นรูป: ยอกและกากบาท

ชิ้นส่วนหลักของข้อต่อแ universal ได้แก่ ยอกและกากบาท มีลักษณะทางเรขาคณิตที่แตกต่างกัน ซึ่งต้องอาศัยการออกแบบแม่พิมพ์ตีขึ้นรูปและการดำเนินกระบวนการเฉพาะทาง การปรับปรุงกระบวนการเหล่านี้ให้มีประสิทธิภาพถือเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้วัสดุ ยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ และรับประกันความแข็งแรงทนทานของชิ้นงานสำเร็จรูป

การตีขึ้นรูปยอกข้อต่อแ universal

ข้อต่อแ universal หรือยอก เป็นชิ้นงานตีขึ้นรูปที่มีลักษณะคล้ายกิ่งก้าน ซึ่งมีการกระจายตัวของโลหะที่แตกต่างกันอย่างมาก รูปร่างที่ซับซ้อนของชิ้นงาน ซึ่งมีซี่โครงแคบและสูง ทำให้การตีขึ้นรูปอย่างมีประสิทธิภาพเป็นเรื่องท้าทาย วิธีการแบบดั้งเดิมอาจทำให้วัสดุไหลไม่เหมาะสม ส่งผลให้เกิดแฟลช (flash) มากเกินไปในบางบริเวณ และเติมเต็มแม่พิมพ์ไม่ครบถ้วนในบางจุด ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้สิ้นเปลืองวัสดุ แต่ยังก่อให้เกิดการสึกหรอของแม่พิมพ์เร็วกว่าปกติ และต้องใช้แรงกดในการตีขึ้นรูปที่สูงขึ้น

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ จึงมีการพัฒนาเทคนิคขั้นสูง เช่น กระบวนการตีขึ้นรูปล่วงหน้าแบบกึ่งปิด ตามที่ได้อธิบายไว้ในการวิเคราะห์โดย Xinlong Machinery , ซึ่งเกี่ยวข้องกับการออกแบบโครงสร้างของแม่พิมพ์ใหม่เพื่อควบคุมการไหลของโลหะได้ดียิ่งขึ้น โดยบังคับให้โลหะไหลเข้าสู่ช่องว่างที่จำเป็น แทนที่จะล้นออกไปยังร่องรั่ว ด้วยการปรับปรุงรูปร่างก่อนขึ้นรูปและจัดวางแม่พิมพ์ให้เหมาะสม ผู้ผลิตสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้วัสดุจากประมาณ 61.5% เป็น 75% หรือมากกว่านั้น ลดแรงกดในการขึ้นรูปขั้นสุดท้ายอย่างมีนัยสำคัญ และยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ได้มากกว่าสองเท่า

สำหรับบริษัทที่ต้องการชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีความทนทานและเชื่อถือได้ การให้บริการขึ้นรูปพิเศษถือเป็นสิ่งจำเป็น ตัวอย่างเช่น สำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีความแข็งแรงและเชื่อถือได้ ขอแนะนำบริการขึ้นรูปตามแบบจาก เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ พวกเขามีความชำนาญในงานขึ้นรูปร้อนที่มีคุณภาพสูงและได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF16949 สำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ พร้อมให้บริการตั้งแต่การทำต้นแบบอย่างรวดเร็วสำหรับการผลิตจำนวนน้อย ไปจนถึงการผลิตจำนวนมากเต็มรูปแบบ ความเชี่ยวชาญในการผลิตแม่พิมพ์ภายในองค์กร ทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำและประสิทธิภาพสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน เช่น ก้านยูนิเวอร์แซลจอยต์

การขึ้นรูปเพลาข้าม

เพลาข้าม หรือที่รู้จักกันในชื่อสไปเดอร์ เป็นองค์ประกอบหลักที่เชื่อมต่อยอกทั้งสองข้าง เรขาคณิตแบบกิ่งสี่ของมันถือเป็นตัวอย่างคลาสสิกของชิ้นส่วนสามมิติที่ซับซ้อน ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตีขึ้นรูปแบบปิดแม่พิมพ์ขณะร้อน กระบวนการผลิตจะต้องทำให้มั่นใจว่าการไหลของเม็ดเกรนมีความต่อเนื่องจากศูนย์กลางออกไปยังกิ่งแต่ละกิ่งทั้งสี่ (หรือหมุดแบริ่ง) ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรองรับแรงบิดและแรงดัดที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงาน

กระบวนการตีขึ้นรูปเพลาข้ามของยู-จอยน์ต์ ประกอบด้วยการกดแท่งเหล็กที่ถูกให้ความร้อนไว้ภายในแม่พิมพ์ ซึ่งจะบังคับให้วัสดุไหลออกสู่กิ่งทั้งสี่ของรูปร่างเพลาข้าม การออกแบบชิ้นงานเบื้องต้นและแม่พิมพ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุจะเติมเต็มแม่พิมพ์ได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่มีข้อบกพร่อง หลังจากการตีขึ้นรูป ชิ้นเพลาข้ามจะผ่านกระบวนการบำบัดความร้อน เช่น การคาร์บูไรซิ่ง เพื่อสร้างพื้นผิวที่แข็งมากและทนต่อการสึกหรอที่บริเวณกิ่งเพลา ซึ่งเป็นตำแหน่งที่แบริ่งเข็มจะมาสัมผัส ก่อนที่จะคงแกนกลางที่เหนียวและยืดหยุ่นมากกว่าไว้ เพื่อดูดซับแรงกระแทก

คำถามที่พบบ่อย

1. กระบวนการตีขึ้นรูปมี 4 ประเภทใดบ้าง

   มีกระบวนการตีขึ้นรูปหลัก 4 ประเภทที่ใช้ในการขึ้นรูปโลหะ ได้แก่ การตีขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์ประทับ (หรือการตีขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์ปิด) ซึ่งเป็นการอัดโลหะระหว่างแม่พิมพ์สองชิ้นที่มีรูปร่างเฉพาะเจาะจง, การตีขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์เปิด ซึ่งเป็นการขึ้นรูปโลหะระหว่างแม่พิมพ์เรียบโดยไม่ปิดล้อมชิ้นงาน, การตีขึ้นรูปเย็น ซึ่งทำที่อุณหภูมิห้องเพื่อความแม่นยำสูง และการตีขึ้นรูปแหวนกลิ้งไร้รอยต่อ ที่ใช้สร้างชิ้นส่วนในรูปทรงแหวน

2. ยูนิเวอร์ซัลจอยต์ทำมาจากวัสดุอะไร

   ยูนิเวอร์ซัลจอยต์มักทำจากเหล็กกล้าผสมที่มีความแข็งแรงสูงและสามารถชุบแข็งด้วยความร้อนได้ เพื่อทนต่อแรงบิดและแรงเสียดทานสูง วัสดุที่นิยมใช้ ได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอน เช่น เหล็ก 45 และเหล็กกล้าผสมต่างๆ สำหรับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนสูง เช่น ในสภาพแวดล้อมทางทะเลหรือนอกชายฝั่ง อาจใช้สแตนเลสสตีล เช่น เกรด 316L นอกจากนี้ยังสามารถเคลือบผิวด้วย PTFE เพื่อลดแรงเสียดทานได้

3. กระบวนการตีขึ้นรูปครอสคืออะไร

   การตีขึ้นรูปแบบกากบาทคือกระบวนการแปรรูปชิ้นงานเบื้องต้นโดยใช้แรงกดในแนวระนาบที่สลับกัน เพื่อพัฒนาสมบัติทางกลศาสตร์ สำหรับข้อต่อเพลาแบบยูนิเวอร์แซล (universal joint cross) จะใช้กระบวนการตีขึ้นรูปในแม่พิมพ์ปิด โดยจะนำแท่งโลหะที่ถูกให้ความร้อนมากดอัด ทำให้โลหะไหลออกไปยังช่องว่างทั้งสี่ด้านของแม่พิมพ์ สำหรับข้อต่อเพลาแบบยูนิเวอร์แซล การขึ้นรูปนี้ใช้วิธีการตีขึ้นรูปในแม่พิมพ์ปิด โดยการอัดแท่งโลหะที่ถูกให้ความร้อน จนทำให้โลหะไหลออกไปยังช่องว่างทั้งสี่ด้านของแม่พิมพ์ ซึ่งจะเป็นรูปร่างของแขนทั้งสี่ด้านของกากบาท กระบวนการนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่าช่องภายในแม่พิมพ์ถูกเติมเต็มอย่างสมบูรณ์ และลดของเสีย (แฟลช) ให้น้อยที่สุด