การแก้ปัญหาการสึกหรอของแม่พิมพ์: กลไกการสึกหรอที่สำคัญในแม่พิมพ์ขึ้นรูป

สรุปสั้นๆ

กลไกการสึกหรอในแม่พิมพ์ตัดขึ้นรูปเกิดขึ้นหลักจากการเสียดสีและความดันสูงระหว่างเครื่องมือกับแผ่นโลหะ มีอยู่สองประเภทหลัก คือ การสึกหรอแบบขูดขีด การสึกหรอแบบขูดขีด เกิดจากอนุภาคแข็งๆ ที่ทำให้ผิวแม่พิมพ์เป็นรอย ความสึกหรอแบบยึดติด (Galling) ซึ่งเกิดจากการถ่ายโอนวัสดุและการเชื่อมไมโครระหว่างผิวสัมผัส สำหรับเหล็กเคลือบสมัยใหม่ กลไกที่เด่นชัดคือ การรวมตัวของเศษวัสดุเคลือบที่มีความแข็ง ซึ่งแตกร่วงจากแผ่นโลหะและสะสมบนเครื่องมือ ทำให้การเสื่อมสภาพเร่งตัวขึ้นและลดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์

กลไกพื้นฐาน: การสึกหรอแบบขูดขีด versus การสึกหรอแบบยึดติด

การเข้าใจอายุการใช้งานและความสามารถในการทำงานของแม่พิมพ์ตัดขึ้นรูปเริ่มจากการรับรู้กลไกการสึกหรอสองประเภทหลักที่เกิดขึ้นที่บริเวณติดต่อระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน ได้แก่ การสึกหรอแบบกัดกร่อนและการสึกหรอแบบยึดเกาะ แม้ว่าทั้งสองประเภทมักจะเกิดขึ้นพร้อมกัน แต่สาเหตุมาจากกระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกัน โดยการสึกหรอของเครื่องมือและแม่พิมพ์เกิดขึ้นโดยตรงจากแรงเสียดทานที่สร้างขึ้นระหว่างการเลื่อนตัวของโลหะแผ่นกับผิวของเครื่องมือ ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียวัสดุหรือการเคลื่อนตัวของวัสดุ

การสึกหรอแบบขูดขีดคือการเสื่อมสภาพทางกลของพื้นผิวที่เกิดจากอนุภาคแข็งถูกกดทับและเคลื่อนที่ไปมาบนพื้นผิวนั้น อนุภาคเหล่านี้อาจมีต้นกำเนิดจากหลายแหล่ง เช่น เฟสที่แข็งภายในโครงสร้างจุลภาคของโลหะแผ่น ออกไซด์บนพื้นผิว หรือที่สำคัญที่สุดคือ ชิ้นส่วนที่แตกร้าวออกมาจากชั้นเคลือบที่แข็ง เช่น ชั้น Al-Si บนเหล็กกล้าสำหรับปั๊มขึ้นรูปแข็ง อนุภาคเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายเครื่องมือตัด ไถร่องและขีดข่วนลงบนวัสดุแม่พิมพ์ที่นิ่มกว่า ความต้านทานต่อการสึกหรอแบบขูดขีดของเหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความแข็งและความปริมาตรของคาร์ไบด์แข็งในโครงสร้างจุลภาค

การสึกหรอแบบยึดติดกันนั้น ในทางตรงกันข้าม เป็นปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนกว่า ซึ่งเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนวัสดุระหว่างพื้นผิวที่สัมผัสกันสองพื้นผิว ภายใต้แรงกดและอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการตัดขึ้นรูป พื้นผิวหยาบจุลภาค (ยอดเขา) บนแม่พิมพ์และแผ่นโลหะสามารถสร้างจุดเชื่อมขนาดเล็กในท้องที่ได้ เมื่อพื้นผิวเคลื่อนไถลต่อไป การเชื่อมเหล่านี้จะแตกหัก ทำให้มีการฉีกชิ้นส่วนเล็กๆ ออกจากพื้นผิวที่อ่อนแอกว่า (มักเป็นเครื่องมือ) และถ่ายโอนไปยังอีกพื้นผิวหนึ่ง กระบวนการนี้อาจทวีความรุนแรงขึ้นจนกลายเป็นรูปแบบที่รู้จักกันในชื่อ การเกิดรอยยึดติด (galling) ซึ่งวัสดุที่ถูกถ่ายโอนสะสมอยู่บนแม่พิมพ์ ส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวอย่างมาก เพิ่มแรงเสียดทาน และลดคุณภาพของชิ้นงาน

กลไกทั้งสองนี้มักเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด พื้นผิวหยาบที่เกิดจากความสึกหรอแบบยึดติดในช่วงแรกสามารถกักอนุภาคขัดสีได้มากขึ้น ทำให้ความสึกหรอแบบขัดสีรุนแรงและเร็วขึ้น ในทางกลับกัน ร่องที่เกิดจากความสึกหรอแบบขัดสีสามารถกลายเป็นจุดกำเนิดให้มีการสะสมของเศษวัสดุ ซึ่งจะเริ่มต้นกระบวนการสึกหรอแบบยึดติด การบริหารอายุการใช้งานของแม่พิมพ์อย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องใช้กลยุทธ์ที่สามารถจัดการกับรูปแบบการเสียหายพื้นฐานทั้งสองนี้ได้

เพื่อความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับความแตกต่าง พิจารณาการเปรียบเทียบต่อไปนี้:

บทบาทสำคัญของชั้นเคลือบแผ่นโลหะและการอัดตัวของเศษวัสดุ

แม้ว่าแบบจำลองดั้งเดิมจะเน้นการสึกหรอแบบกัดกร่อนและยึดติด แต่กลไกที่ซับซ้อนกว่านั้นกลับเป็นตัวกำหนดหลักในการขึ้นรูปวัสดุสมัยใหม่ เช่น เหล็กความแข็งสูงขั้นสูง (AHSS) ที่เคลือบด้วย AlSi การศึกษาอย่างละเอียดที่ตีพิมพ์ใน MDPI's น้ำมันหล่อลื่น สมุดจดบันทึก เปิดเผยว่า กลไกการสึกหรอหลักมักเกิดจากการ อัดตัวของเศษวัสดุที่หลุดลอกออกมาจากชั้นเคลือบแผ่นโลหะ สิ่งนี้เปลี่ยนมุมมองการสึกหรอจากปฏิกิริยาระหว่างเครื่องมือกับเหล็กเพียงอย่างเดียว ไปเป็นระบบไทรโบโลยีที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับวัตถุที่สาม คือ เศษวัสดุจากชั้นเคลือบเอง

การเคลือบ AlSi ที่ใช้กับเหล็กสำหรับขึ้นรูปแบบร้อนถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันการเกิดสเกลและการเสียคาร์บอนที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ชั้นเคลือบนี้จะเปลี่ยนตัวเป็นเฟสอินเตอร์เมทัลลิกที่แข็งและเปราะ โดยมีค่าความแข็งอยู่ในช่วง 7 ถึง 14 กิกะพาสกาล ซึ่งชั้นอินเตอร์เมทัลลิกเหล่านี้มีความแข็งมากกว่าเหล็กเครื่องมือที่ผ่านการอบแข็งแล้ว (โดยทั่วไปประมาณ 6-7 กิกะพาสกาล) อย่างมีนัยสำคัญ ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ การแตกร้าวของชั้นเคลือบที่เปราะนี้เกิดขึ้นได้จากสองสาเหตุหลัก ได้แก่ แรงเสียดทานไถลที่รุนแรงกับแม่พิมพ์ และการเปลี่ยนรูปร่างพลาสติกอย่างรุนแรงของเนื้อเหล็กด้านล่าง ส่งผลให้เกิด "ฝุ่น" ละเอียดที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคชั้นเคลือบที่แข็ง

เศษวัสดุเหล่านี้จะถูกจับตัวอยู่ที่บริเวณรอยต่อระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน ภายใต้ความดันและอุณหภูมิสูงในระหว่างรอบการขึ้นรูป เศษผงที่หลวมเหล่านี้จะถูกอัดเข้าไปในร่องไมโครที่มีลักษณะไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวแม่พิมพ์ เช่น ร่องจากกระบวนการกลึง หรือร่องขีดข่วนเริ่มต้น เมื่อมีการดำเนินการซ้ำหลายครั้ง เศษวัสดุจะสะสมเพิ่มมากขึ้นและถูกอัดแน่นกลายเป็นชั้นหนาแน่นคล้ายเคลือบเงา ซึ่งยึดติดกับแม่พิมพ์อย่างมั่นคงทางกลไก กระบวนการนี้จะรุนแรงเป็นพิเศษในเขตที่มีความดันสูง เช่น บริเวณรัศมีดึงขึ้นรูป ซึ่งแรงเสียดทานและการเปลี่ยนรูปร่างของวัสดุอยู่ในระดับสูงสุด

ลักษณะของความเสียหายนี้มีความแตกต่างกันไปตามตำแหน่ง บริเวณรัศมีโค้งจะปรากฏในรูปแบบ 'การถ่ายโอนวัสดุจำนวนมาก' ซึ่งก่อให้เกิดชั้นที่หนาและแน่น จนอาจเปลี่ยนแปลงเรขาคณิตของแม่พิมพ์ได้ ส่วนบนพื้นผิวเรียบที่มีแรงกดต่ำกว่า อาจปรากฏเป็น 'การถ่ายโอนวัสดุแบบกระจาย' ทำให้เกิดแถบหรือจุดด้าน กลไกนี้แสดงให้เห็นว่า ความเสียหายมักเกิดจากปัญหาเชิงกลและรูปร่างพื้นผิวมากกว่าปัญหาทางเคมีเพียงอย่างเดียว พื้นผิวเริ่มต้นของเครื่องมือมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะแม้แต่ข้อบกพร่องเล็กน้อยก็สามารถทำหน้าที่เป็นจุดยึดเกาะให้เศษวัสดุเริ่มสะสมได้ ดังนั้น การป้องกัน *การเริ่มต้น* ของความเสียหายบนพื้นผิวจึงเป็นกลยุทธ์หลักในการลดรูปแบบการสึกหรอที่รุนแรงนี้

ปัจจัยสำคัญที่เร่งการสึกหรอของแม่พิมพ์

การสึกหรอของแม่พิมพ์เป็นปัญหาที่ซับซ้อนและถูกเร่งให้รุนแรงขึ้นจากปัจจัยหลายประการที่เกี่ยวข้องกับกลไก วัสดุ และกระบวนการผลิต การเปลี่ยนผ่านไปใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงขึ้น เช่น AHSS ได้ยิ่งเพิ่มผลกระทบจากตัวแปรเหล่านี้ ทำให้การควบคุมกระบวนการมีความสำคัญมากกว่าที่เคย การเข้าใจปัจจัยเหล่านี้จึงเป็นก้าวแรกในการพัฒนากลยุทธ์การลดผลกระทบที่มีประสิทธิภาพ

แรงดันสัมผัสและคุณสมบัติของวัสดุ อาจถือได้ว่าเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลมากที่สุด การขึ้นรูป AHSS ต้องใช้แรงมากกว่าเหล็กอ่อนอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้แรงดันสัมผัสที่กระทำต่อแม่พิมพ์เพิ่มขึ้นตามสัดส่วน นอกจากนี้ ความแข็งของเกรด AHSS บางชนิดอาจใกล้เคียงกับความแข็งของเหล็กเครื่องมือเอง ทำให้เกิดสภาพที่มีความแข็งใกล้เคียงกัน ส่งผลให้การสึกหรอแบบกัดกร่อนรุนแรงขึ้น ความหนาของแผ่นโลหะที่บางลงซึ่งมักใช้กับ AHSS เพื่อลดน้ำหนัก ยังเพิ่มแนวโน้มการเกิดรอยย่น ซึ่งจำเป็นต้องใช้แรงยึดแผ่นโลหะ (blankholder) ที่สูงขึ้นเพื่อป้องกัน ทำให้แรงกดเฉพาะที่และความสึกหรอเพิ่มสูงขึ้นอีก

การหล่อลื่น มีบทบาทสําคัญในการแยกพื้นผิวของเครื่องเจาะและชิ้นงาน การเลื่อมที่ไม่เพียงพอหรือไม่ถูกต้องไม่สามารถสร้างแผ่นป้องกันได้ ส่งผลให้มีการสัมผัสระหว่างโลหะตรงกับโลหะ การ ทํา ไม ใช้อุปกรณ์ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก บ ผูก ความดันและอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง AHSS มักต้องการน้ํามันย่อยที่มีประสิทธิภาพสูงที่มีสารเสริมความดันสูง (EP)

การออกแบบและการทําปลายพื้นผิว ก็เป็นเรื่องสําคัญ การตัดที่ไม่ถูกต้อง จะทําให้แรงตัดและความอ้วนเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ตาม แนวทาง AHSS , ความสะอาดที่แนะนําสําหรับเหล็ก DP590 อาจเป็น 15% เมื่อเทียบกับ 10% สําหรับเหล็ก HSLA แบบดั้งเดิม การทําผิวที่ไม่ดีบนเครื่องมือทําให้มีจุดสูงและหุบเขาที่ดูแท้ ซึ่งเป็นจุดที่เกิดสารนิวเคลียร์สําหรับการบดและการบดขยะ การเคลือบเครื่องมือให้เรียบเรียบมาก (เช่น Ra < 0.2 μm) ก่อนและหลังการเคลือบเป็นวิธีการที่แนะนําเพื่อลดจุดการท่าเรือเหล่านี้

ตารางต่อไปนี้สรุปปัจจัยสําคัญเหล่านี้และอิทธิพลของพวกเขา

กลยุทธ์ ลด ความ เสียหาย: การ ปรับปรุง อายุ ยาว

การยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ตัดแต่งจำเป็นต้องใช้แนวทางแบบองค์รวม ซึ่งรวมถึงวัสดุขั้นสูง การเคลือบผิวที่ซับซ้อน และการควบคุมกระบวนการอย่างเหมาะสม การพึ่งพาเพียงแค่วิธีการแบบดั้งเดิมมักไม่เพียงพอเมื่อทำงานกับเหล็กความแข็งแรงสูงรุ่นใหม่

กลยุทธ์หลักประการหนึ่งคือการเลือกใช้ เหล็กเครื่องมือขั้นสูง แม้ว่าเหล็กเครื่องมือทั่วไปอย่าง D2 จะถูกใช้งานมายาวนานหลายทศวรรษ แต่มักจะถึงขีดจำกัดเมื่อใช้กับ AHSS เหล็กเครื่องมือที่ผลิตจากผงโลหะ (PM) ถือเป็นการปรับปรุงที่สำคัญ โดยผลิตจากผงโลหะที่ถูกทำให้เป็นละออง เหล็ก PM มีโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดและสม่ำเสมอมากกว่า พร้อมทั้งคาร์ไบด์ที่กระจายตัวอย่างทั่วถึง ส่งผลให้มีความเหนียวและความต้านทานการสึกหรอที่ดีเยี่ยมกว่าเหล็กที่ผลิตด้วยวิธีทั่วไป กรณีศึกษาหนึ่งที่ได้รับการเน้นย้ำโดย ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับ AHSS แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนจาก D2 ไปเป็นเหล็กเครื่องมือ PM ที่ทนทานกว่าสำหรับการขึ้นรูปชิ้นส่วนควบคุม (control arm) สามารถเพิ่มอายุการใช้งานของแม่พิมพ์จากประมาณ 5,000–7,000 รอบ เป็น 40,000–50,000 รอบ การบรรลุสมรรถนะระดับนี้มักต้องอาศัยการทำงานร่วมกับผู้เชี่ยวชาญ ตัวอย่างเช่น บริษัทต่างๆ เช่น Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. มุ่งเน้นการผลิตแม่พิมพ์ขึ้นรูปรถยนต์แบบเฉพาะ พร้อมใช้ประโยชน์จากวัสดุและกระบวนการขั้นสูง เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ให้สูงสุดสำหรับผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ (OEMs) และซัพพลายเออร์ระดับ Tier 1

การบำบัดผิวและการเคลือบ ให้แนวป้องกันที่มีประสิทธิภาพอีกชั้นหนึ่ง เป้าหมายคือการสร้างพื้นผิวที่แข็งและมีแรงเสียดทานต่ำ ซึ่งทนต่อการสึกหรอทั้งแบบกัดกร่อนและแบบยึดติดได้ดี แนวทางปฏิบัติที่นิยมคือการรักษาแบบดูเพล็กซ์ (duplex treatment) โดยขั้นตอนแรก เช่น การไนเตรตด้วยไอออน (ion nitriding) จะทำให้วัสดุเหล็กเครื่องมือ (tool steel substrate) แข็งขึ้น เพื่อสร้างพื้นฐานที่แข็งแรง ป้องกันไม่ให้วัสดุเปลี่ยนรูปร่างภายใต้ชั้นเคลือบ จากนั้นจึงทำการเคลือบด้วยกระบวนการตกตะกอนไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition - PVD) ชั้นเคลือบที่ใช้ PVD เช่น Titanium Nitride (TiN), Titanium Aluminum Nitride (TiAlN) หรือ Chromium Nitride (CrN) จะสร้างชั้นป้องกันที่มีความแข็งมาก มีคุณสมบัติหล่อลื่น และทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม โดยทั่วไปมักเลือกใช้ PVD แทน Chemical Vapor Deposition (CVD) เพราะเป็นกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิต่ำกว่า จึงหลีกเลี่ยงความเสี่ยงที่จะทำให้แม่พิมพ์ที่ผ่านการบำบัดความร้อนเกิดการบิดเบี้ยวหรืออ่อนตัวลง

และสุดท้าย การปรับแต่งกระบวนการและออกแบบ มีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบระยะช่องว่างระหว่างพันช์กับได (punch-to-die clearances) ให้ถูกต้อง การรักษาระดับพื้นผิวเครื่องมือให้มีความเรียบเงาสูง และการดำเนินแผนการหล่อลื่นที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ควรจัดทำรายการตรวจสอบ (checklist) สำหรับการบำรุงรักษาและการตั้งค่าแม่พิมพ์ ซึ่งควรประกอบด้วย:

• ตรวจสอบรัศมีและขอบที่สำคัญอย่างสม่ำเสมอเพื่อสังเกตสัญญาณแรกเริ่มของความสึกหรอหรือการสะสมของวัสดุ
• ติดตามรูปแบบการสึกหรอเพื่อระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการจัดแนวหรือการกระจายแรงดันไม่เหมาะสม
• ตรวจสอบให้มั่นใจว่าแม่พิมพ์และเครื่องกดจัดแนวอย่างแม่นยำ เพื่อป้องกันการรับน้ำหนักที่ไม่สมดุล
• บำรุงรักษาระบบหล่อลื่นเพื่อให้มั่นใจว่ามีการหล่อลื่นอย่างต่อเนื่องและเพียงพอ
• ขัดเงาบริเวณที่เริ่มมีอาการกาลลิ่งออกก่อนที่จะลุกลามและก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรง

ด้วยการผสานรวมกลยุทธ์ขั้นสูงด้านวัสดุ พื้นผิว และกระบวนการผลิต ผู้ผลิตสามารถต่อสู้กับกลไกการสึกหรอหลักในแม่พิมพ์ขึ้นรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ ปรับปรุงคุณภาพชิ้นงาน และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตโดยรวม

คำถามที่พบบ่อย