หลักการสำคัญของการออกแบบแม่พิมพ์ตัดแต่งและเจาะ

สรุปสั้นๆ

การออกแบบแม่พิมพ์ตัดแต่งและเจาะรูเป็นสาขาวิศวกรรมเฉพาะทางที่มุ่งเน้นการสร้างเครื่องมือกดที่ทนทานเพื่อใช้ในการตัดและเจาะโลหะแผ่นอย่างแม่นยำ ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการคำนวณแรงตัดอย่างถูกต้อง การเลือกวัสดุเครื่องมืออย่างมีกลยุทธ์ และเทคนิคการออกแบบขั้นสูง เป้าหมายหลักคือการควบคุมความเค้นของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ให้ได้รอยตัดที่สะอาดโดยมีครีบต่ำสุด และเพิ่มอายุการใช้งานและความแม่นยำของชุดแม่พิมพ์ให้มากที่สุด

หลักพื้นฐานของการดำเนินงานตัดแต่งและเจาะรู

ในโลกของการผลิตชิ้นส่วนโลหะแผ่น การตัดแต่งขอบ (Trimming) และการเจาะ (Piercing) เป็นกระบวนการตัดพื้นฐานที่กำหนดรูปร่างสุดท้ายของชิ้นงาน แม้โดยทั่วไปจะจัดอยู่ในกลุ่มกระบวนการที่คล้ายกัน แต่ทั้งสองอย่างมีหน้าที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยการตัดแต่งขอบคือกระบวนการตัดวัสดุส่วนเกินออกจากริมด้านนอกของชิ้นงานที่ผ่านการขึ้นรูปแล้ว เพื่อให้ได้รูปทรงสุดท้ายตามแบบ ส่วนการเจาะนั้นเกี่ยวข้องกับการสร้างลักษณะภายใน เช่น รูหรือช่องเปิด โดยการตอกวัสดุส่วนนั้นออกไปจากบริเวณภายในเส้นรอบรูปของชิ้นงาน ทั้งสองกระบวนการอาศัยหลักการเฉือน ซึ่งแรงกดสูงมากจะถูกกระจายตัวเฉพาะที่ขอบตัดของแม่พิมพ์ตอก (punch) และแม่พิมพ์รองรับ (die) ทำให้วัสดุเกิดการแตกหักอย่างสะอาด

คุณภาพของขอบที่ถูกตัดด้วยเครื่องจักรนั้นสามารถจำแนกได้เป็น 4 โซน ได้แก่ โซนโค้งมน (rollover), โซนเงา (burnish), โซนการแตกร้าว (fracture) และครีบ (burr) ตามที่อธิบายไว้ในคู่มือต่างๆ จาก แนวทาง AHSS , ขอบที่เหมาะสมสำหรับเหล็กความแข็งแรงสูงจะมีโซนเงา (burnish zone) ที่ชัดเจนและโซนการแตกร้าวที่เรียบเนียน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการเกิดรอยแตกในการขึ้นรูปขั้นตอนต่อไป การเข้าใจพื้นฐานเหล่านี้คือก้าวแรกสู่การออกแบบเครื่องมือที่ผลิตชิ้นส่วนได้อย่างสม่ำเสมอและมีคุณภาพสูง

เพื่อให้เข้าใจบทบาทของแต่ละกระบวนการอย่างชัดเจน ควรเปรียบเทียบกระบวนการเหล่านี้กับกระบวนการตัดทั่วไปอื่นๆ การตัดแผ่น (Blanking) มีลักษณะคล้ายกับการเจาะ (piercing) แต่ในกรณีของการตัดแผ่น วัสดุที่ถูกดันออก (ชิ้นส่วน) จะเป็นชิ้นงานที่ต้องการ ในขณะที่ในการเจาะ ชิ้นส่วนที่ถูกดันออกจะถือเป็นของเสีย การเฉือน (Shearing) เป็นคำทั่วไปที่ใช้อธิบายการตัดโลหะแผ่นตามแนวตรงระหว่างใบมีดสองชิ้น กระบวนการแต่ละแบบจะถูกเลือกใช้ตามผลลัพธ์ที่ต้องการและตำแหน่งในลำดับการผลิต

หลักการพื้นฐานของการออกแบบแม่พิมพ์และการคำนวณที่สำคัญ

การออกแบบแม่พิมพ์ที่มีประสิทธิภาพเป็นกระบวนการที่อาศัยข้อมูลและยึดหลักการทางวิศวกรรม ก่อนเริ่มการสร้างแบบจำลอง นักออกแบบต้องทำการคำนวณที่สำคัญเพื่อให้มั่นใจว่าเครื่องมือสามารถทนต่อแรงที่เกิดขึ้นในระหว่างการทำงานและทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายในเครื่องอัดที่เลือกใช้ การคำนวณพื้นฐานที่สุดคือแรงตัด ซึ่งใช้กำหนดแรงอัด (tonnage) ที่ต้องการจากเครื่องอัด สูตรทั่วไปมักแสดงเป็น: แรงตัด (F) = L × t × S โดยที่ 'L' คือความยาวรวมของเส้นตัดรอบรูปร่าง 't' คือความหนาของวัสดุ และ 'S' คือความต้านทานการเฉือนของวัสดุ

การกำหนดแรงตัดอย่างแม่นยำมีความจำเป็นต่อการเลือกเครื่องอัดที่มีกำลังตันเพียงพอ โดยทั่วไปควรเผื่อระยะปลอดภัยไว้ 20-30% อีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญคือช่องว่างของแม่พิมพ์ (die clearance) ซึ่งหมายถึงช่องว่างระหว่างหัวดันและช่องเปิดของแม่พิมพ์ ตามที่ระบุไว้ในคู่มืออย่างละเอียดโดย Jeelix ช่องว่างที่เหมาะสมมักจะอยู่ที่ 5-12% ของความหนาของวัสดุต่อข้าง ช่องว่างที่น้อยเกินไปจะทำให้แรงตัดและแรงสึกหรอของเครื่องมือเพิ่มขึ้น ในขณะที่ช่องว่างมากเกินไปอาจก่อให้เกิดเสี้ยนขนาดใหญ่และขอบที่มีคุณภาพต่ำ สำหรับเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) มักจำเป็นต้องเพิ่มช่องว่างเหล่านี้เพื่อจัดการกับแรงเครียดที่สูงขึ้น

การเลือกวัสดุสำหรับชิ้นส่วนแม่พิมพ์ดายถือเป็นหลักการสำคัญอีกประการหนึ่ง ทั้งหัวดันและแผ่นดายจะต้องมีความสมดุลระหว่างความแข็งเพื่อต้านทานการสึกหรอ และความเหนียวเพื่อป้องกันการแตกร้าวจากการกระแทก วัสดุที่นิยมใช้ทั่วไปได้แก่ เหล็กเครื่องมือชนิด D2 และ A2 สำหรับงานทั่วไป ในขณะที่งานผลิตจำนวนมากหรืองานที่ใช้วัสดุกัดกร่อน อาจต้องใช้เหล็กแบบผงโลหะหรือคาร์ไบด์ กระบวนการคัดเลือกนี้เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนกับประสิทธิภาพ โดยมีเป้าหมายเพื่อยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์และลดเวลาการหยุดซ่อมบำรุง สำหรับการใช้งานที่ซับซ้อน เช่น ในภาคอุตสาหกรรมยานยนต์ การขอความเชี่ยวชาญจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง บริษัทต่างๆ เช่น Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. เชี่ยวชาญด้านแม่พิมพ์ตัดขึ้นรูปในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยใช้ประโยชน์จากแบบจำลองจำลองขั้นสูงและความรู้ด้านวัสดุ เพื่อจัดหาโซลูชันเครื่องมือที่ทนทานและมีประสิทธิภาพ

ส่วนประกอบของชุดแม่พิมพ์ตัดและเจาะ

แม่พิมพ์ไม่ใช่ก้อนเหล็กที่เป็นชิ้นเดียวกัน แต่เป็นชุดประกอบความแม่นยำที่ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายชิ้นซึ่งทำงานร่วมกันอย่างสอดคล้อง โดยแต่ละชิ้นมีหน้าที่เฉพาะเจาะจง การเข้าใจองค์ประกอบเหล่านี้จึงเป็นสิ่งสำคัญต่อการออกแบบ การผลิต และการบำรุงรักษาเครื่องมือให้มีประสิทธิภาพ ชุดประกอบทั้งหมดจะถูกติดตั้งอยู่ภายในชุดแม่พิมพ์ (die set) ซึ่งประกอบด้วยแผ่นแม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างที่จัดแนวโดยหมุดนำทางและปลอกนำทาง ระบบนี้ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานเพื่อให้มั่นใจว่าครึ่งบนและครึ่งล่างของเครื่องมือจะจัดแนวตรงกันในระดับไมครอนระหว่างการทำงานที่ความเร็วสูง ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันความเสียหายและรักษามาตรฐานความสม่ำเสมอของชิ้นงาน

องค์ประกอบการทำงานหลักประกอบด้วยตัวทับ (punch) และบล็อกตาย (die block หรือ die button/insert) ตัวทับซึ่งติดตั้งอยู่กับรองเท้าตายด้านบน (upper die shoe) เป็นส่วนที่ทำหน้าที่เหมือนส่วนชายในการตัด ส่วนบล็อกตายซึ่งติดตั้งอยู่กับรองเท้าด้านล่างเป็นส่วนที่ทำหน้าที่เหมือนส่วนหญิง ซึ่งมีช่องเปิดให้ตัวทับเข้าไปได้ รูปทรงเรขาคณิตและความชิดสนิทที่แม่นยำระหว่างชิ้นส่วนทั้งสองนี้ จะเป็นตัวกำหนดรูปร่างสุดท้ายของรูที่เจาะหรือขอบที่ถูกตัดแต่ง วัสดุ ความแข็ง และผิวเคลือบผิวของชิ้นส่วนทั้งสองมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือและคุณภาพของชิ้นงาน

อีกหนึ่งส่วนประกอบที่สำคัญคือ สตริปเปอร์ หลังจากที่พันช์ตัดผ่านวัสดุแล้ว การคืนตัวแบบยืดหยุ่นของแผ่นโลหะจะทำให้วัสดุเกาะติดอยู่กับพันช์ หน้าที่ของสตริปเปอร์คือการดันวัสดุออกจากพันช์ในจังหวะขึ้นของเครื่องกด สตริปเปอร์สามารถเป็นแบบคงที่หรือแบบใช้สปริงได้ โดยแบบใช้สปริงจะช่วยสร้างแรงดันเพื่อกดวัสดุให้เรียบระหว่างกระบวนการตัด ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเรียบของชิ้นงาน สำหรับแม่พิมพ์พรอเกรสซีฟ ไพล็อต (pilots) ก็มีความจำเป็นเช่นกัน ซึ่งเป็นหมุดที่จะเข้าล็อกกับรูที่เจาะไว้ก่อนหน้าในแถบวัสดุ เพื่อให้มั่นใจถึงการจัดแนวที่แม่นยำในแต่ละสถานีต่อไป

รายการตรวจสอบการบำรุงรักษาส่วนประกอบแม่พิมพ์:

• พันช์และดายบัตตอน: ควรตรวจสอบขอบตัดเป็นประจำเพื่อดูการกร่อน แตกร้าว หรือการสึกหรอที่มากเกินไป ควรทำการลับคมตามความจำเป็นเพื่อรักษารอยตัดที่สะอาด และลดแรงตัด
• หมุดนำทางและปลั๊กนำทาง: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้รับการหล่อลื่นอย่างเหมาะสม และตรวจสอบหาสัญญาณของการเกิดกาลลิ่งหรือการสึกหรอ ตัวนำทางที่สึกหรออาจทำให้เกิดการไม่ตรงแนว และก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อแม่พิมพ์
• Stripper plate: ตรวจสอบว่าสปริง (ถ้ามี) มีแรงดันเพียงพอและไม่หักหรือเสียหาย รวมทั้งตรวจสอบการสึกหรอที่ผิวสัมผัส
• ชุดแม่พิมพ์: ตรวจสอบฐานดาย (die shoes) ว่ามีรอยร้าวหรือความเสียหายใดๆ ตรวจสอบให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ยึดทั้งหมดถูกขันให้แน่นตามค่าแรงบิดที่กำหนด
• ความสะอาดทั่วไป: รักษาระบบดายให้ปราศจากชิ้นส่วนตกค้าง เช่น เศษโลหะ ชิ้นเล็กชิ้นน้อย หรือสิ่งแปลกปลอมอื่นๆ ที่อาจก่อให้เกิดข้อบกพร่องของชิ้นงานหรือความเสียหายต่อเครื่องมือ

เทคนิคและวัสดุขั้นสูงสำหรับการออกแบบดาย

นอกเหนือจากหลักการพื้นฐานแล้ว การออกแบบดายขั้นสูงจะเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน การจัดการวัสดุที่ยาก และยืดอายุการใช้งานเครื่องมือสำหรับการผลิตปริมาณมาก หนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดคือการใช้ดายแบบโปรเกรสซีฟ (progressive dies) ซึ่งสามารถดำเนินการหลายขั้นตอน (เช่น การเจาะ การตัดแต่ง การดัด) อย่างต่อเนื่องในสถานีต่างๆ ภายในเครื่องมือเดียวกัน โดยตามคำอธิบายของผู้เชี่ยวชาญจาก Eigen Engineering การเชี่ยวชาญในการออกแบบดายแบบโปรเกรสซีฟเกี่ยวข้องกับการวางแผนเลย์เอาต์แถบวัสดุอย่างซับซ้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้วัสดุและรักษาระบบแถบวัสดุให้มีเสถียรภาพขณะเคลื่อนผ่านดาย

เพื่อให้ได้ความเรียบของชิ้นส่วนที่มีคุณภาพสูง เทคนิคต่างๆ เช่น การตัดขึ้นรูปแบบไฟน์แบล็งกิ้ง (fineblanking) และวิธีการตัดและพกพา (cut-and-carry) จะถูกนำมาใช้ ไฟน์แบล็งกิ้งเป็นกระบวนการเฉพาะทางที่ใช้แผ่นรองแรงดันสูงและแหวนวี (v-ring) เพื่อยึดวัสดุให้แน่น ทำให้ได้ชิ้นงานที่ถูกเฉือนอย่างสมบูรณ์ มีขอบตรง และเกือบไม่มีโซนแตกร้าว ในทำนองเดียวกัน วิธีการตัดและพกพา ซึ่งอธิบายไว้โดย ผู้สร้าง , เกี่ยวข้องกับการตัดชิ้นงานออกจากแถบวัสดุเพียงบางส่วน และยึดให้อยู่ในแนวราบด้วยแผ่นกด ก่อนจะถูกผลักออกที่สถานีลำดับถัดไป การควบคุมวัสดุระหว่างกระบวนการตัดนี้ จะช่วยลดแรงเครียดภายในที่ก่อให้เกิดการบิดงอ

การออกแบบสำหรับเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) มีความท้าทายเฉพาะตัวเนื่องจากความแข็งแรงสูงและดัดโค้งได้น้อย ส่งผลให้จำเป็นต้องใช้ช่องว่างแม่พิมพ์ที่ใหญ่ขึ้น โครงสร้างเครื่องมือที่ทนทานมากขึ้น และวัสดุเครื่องมือคุณภาพสูง เช่น เหล็กแบบผงโลหะหรือคาร์ไบด์ เพื่อรองรับแรงที่สูงมากและการสึกหรอแบบกัดกร่อน นอกจากนี้ยังสามารถปรับเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของดายเพื่อลดแรงกระแทกสูงสุด โดยการใช้หน้าดายที่ตัดเฉือนหรือเอียงจะทำให้กระบวนการตัดเกิดขึ้นในช่วงเวลานานขึ้นเล็กน้อย ซึ่งช่วยลดแรงที่ต้องใช้ลงอย่างมาก และลดผลกระทบจากการ "ทะลุผ่าน" อย่างรุนแรง ที่อาจก่อให้เกิดความเสียหายทั้งต่อแม่พิมพ์และเครื่องจักรกด

แม่พิมพ์โปรเกรสซีฟ เทียบกับ แม่พิมพ์สถานีเดียว

• ข้อดีของแม่พิมพ์โปรเกรสซีฟ: ความเร็วในการผลิตสูงมาก ต้นทุนแรงงานต่ำ ความซ้ำซ้อนสูง และสามารถรวมหลายขั้นตอนการทำงานไว้ในเครื่องมือชิ้นเดียว
• ข้อเสียของแม่พิมพ์โปรเกรสซีฟ: ต้นทุนเครื่องมือเริ่มต้นสูงมาก กระบวนการออกแบบและสร้างซับซ้อน และมีความยืดหยุ่นน้อยสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่หรือชิ้นส่วนที่ต้องขึ้นรูปลึก
• ข้อดีของแม่พิมพ์สถานีเดียว: ต้นทุนแม่พิมพ์ต่ำกว่า ดีไซน์ง่ายกว่า และยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการผลิตจำนวนน้อย หรือชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่มาก
• ข้อเสียของแม่พิมพ์แบบสถานีเดียว: ความเร็วในการผลิตช้ากว่ามาก ต้นทุนแรงงานต่อชิ้นสูงขึ้น และอาจเกิดความไม่สม่ำเสมอได้เนื่องจากการจัดวางและจับยึดซ้ำหลายครั้ง

คำถามที่พบบ่อย

1. กฎการออกแบบแม่พิมพ์คืออะไร?

ถึงแม้จะไม่มีกฎเพียงหนึ่งเดียวที่ใช้ได้กับทุกกรณี แต่การออกแบบแม่พิมพ์จะปฏิบัติตามหลักการที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ซึ่งรวมถึงการคำนวณแรงตัดตามคุณสมบัติของวัสดุ การกำหนดระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างพันช์กับแม่พิมพ์ (โดยทั่วไปประมาณร้อยละ 5-12 ของความหนาของวัสดุต่อด้าน) การมั่นใจในความแข็งแรงทนทานของชุดแม่พิมพ์ และการวางแผนลำดับขั้นตอนการผลิตอย่างเป็นระบบในผังแถบวัสดุ เป้าหมายโดยรวมคือการสร้างเครื่องมือที่ปลอดภัย เชื่อถือได้ และผลิตชิ้นส่วนที่มีคุณภาพสม่ำเสมอตามข้อกำหนด

2. แม่พิมพ์ตัดแต่ง (trim tool) ในการหล่อตายคืออะไร

เครื่องมือตัดแต่งในกระบวนการหล่อตายทำหน้าที่คล้ายกับเครื่องมือตัดในงานปั๊มแผ่นโลหะ แต่ใช้กับชิ้นส่วนชนิดต่างกัน หลังจากที่ชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นผ่านกระบวนการหล่อตาย (การฉีดโลหะเหลวลงในแม่พิมพ์) จะมีวัสดุส่วนเกินเหลืออยู่ เช่น รันเนอร์ โอเวอร์โฟลว์ และแฟลช เครื่องตัดแต่ง (Trim die) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในขั้นตอนการกดต่อเนื่องเพื่อตัดวัสดุที่ไม่ต้องการเหล่านี้ออก ทำให้ได้ชิ้นส่วนหล่อที่เรียบร้อยและสมบูรณ์

3. กฎเหล็กสำหรับการตัดตายคืออะไร

การตัดตายด้วยใบมีดเหล็กเป็นกระบวนการที่ต่างออกไป โดยทั่วไปจะใช้กับวัสดุนุ่มกว่า เช่น กระดาษ กล่องกระดาษ ฟองน้ำ หรือพลาสติกบางชนิด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกดใบมีดเหล็กบางและคม ("steel rule") ที่ถูกดัดโค้งให้มีรูปร่างตามต้องการและฝังอยู่ในฐานเรียบ (มักเป็นไม้อัด) ลงในวัสดุ เป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนสำหรับการตัดรูปร่างในงานวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ หรือแผ่นโลหะบางมาก

4. การตัดตายมีกี่ประเภท

การตัดตายแบบดายมีหลายวิธีที่ออกแบบมาเพื่อวัสดุและปริมาณการผลิตที่แตกต่างกัน โดยในงานโลหะแผ่นนั้น ส่วนใหญ่หมายถึงกระบวนการปั๊ม เช่น การเจาะ (piercing) การตัดชิ้นงานเบื้องต้น (blanking) และการตัดแต่ง (trimming) โดยใช้อุปกรณ์แม่พิมพ์แข็ง (ชุดด้ามปั๊มและดาย) รูปแบบอื่นๆ ได้แก่ การตัดด้วยดายแบบแบน (flatbed die cutting) สำหรับวัสดุที่หนากว่า การตัดด้วยดายแบบหมุน (rotary die cutting) สำหรับการผลิตฉลากหรือจอยส์ติกเกอร์ความเร็วสูง และวิธีการตัดแบบดิจิทัล เช่น การตัดด้วยเลเซอร์หรือการตัดด้วยน้ำแรงดันสูง (waterjet cutting) ซึ่งไม่ใช้ดายทางกายภาพ