การตีขึ้นรูปคืออะไร? การจำแนกประเภทและลักษณะเฉพาะ

การตีขึ้นรูปเป็นชื่อเรียกโดยรวมของการขึ้นรูปและการปั๊มขึ้นรูป เป็นวิธีการขึ้นรูปโดยใช้ค้อน ทั่ง และตัวเจาะของเครื่องตีขึ้นรูปหรือแม่พิมพ์เพื่อออกแรงกดบนชิ้นงาน ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปพลาสติกจนได้ชิ้นส่วนที่มีรูปร่างและขนาดตามต้องการ

การตีขึ้นรูปคืออะไร

ในกระบวนการตีขึ้นรูป ชิ้นงานทั้งหมดจะเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างมากและมีการไหลของพลาสติกในปริมาณมาก ในขณะที่กระบวนการปั๊มขึ้นรูปนั้น ชิ้นงานจะถูกขึ้นรูปโดยการเปลี่ยนตำแหน่งเชิงพื้นที่ของแต่ละส่วนเป็นหลัก และไม่มีการไหลของพลาสติกในระยะกว้างภายในชิ้นงาน การตีขึ้นรูปส่วนใหญ่ใช้ในการแปรรูปชิ้นส่วนโลหะ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการแปรรูปวัสดุที่ไม่ใช่โลหะบางชนิด เช่น พลาสติกวิศวกรรม ยาง เซรามิก อิฐ และการขึ้นรูปวัสดุผสมได้อีกด้วย

การรีด การดึง และอื่นๆ ในอุตสาหกรรมการตีขึ้นรูปและโลหะวิทยา ล้วนเป็นกระบวนการขึ้นรูปด้วยแรงดันหรือการใช้พลาสติก อย่างไรก็ตาม การตีขึ้นรูปส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะ ในขณะที่การรีดและการดึงส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตวัสดุโลหะอเนกประสงค์ เช่น แผ่น แถบ ท่อ โปรไฟล์ และลวด

การจำแนกประเภทของการตีขึ้นรูป

การตีขึ้นรูปส่วนใหญ่แบ่งตามวิธีการขึ้นรูปและอุณหภูมิการขึ้นรูป ตามวิธีการขึ้นรูป การตีขึ้นรูปสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ การตีขึ้นรูปและการปั๊มขึ้นรูป ส่วนตามอุณหภูมิการขึ้นรูป การตีขึ้นรูปสามารถแบ่งออกได้เป็น การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน การตีขึ้นรูปด้วยความเย็น การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิปานกลาง และการตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิคงที่ เป็นต้น

1. การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน

การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน คือการตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะ การเพิ่มอุณหภูมิสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นของโลหะ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงคุณภาพที่แท้จริงของชิ้นงานและลดโอกาสการแตกร้าว อุณหภูมิสูงยังสามารถลดความต้านทานการเสียรูปของโลหะและลดปริมาณแรงกดที่ต้องการได้เครื่องจักรตีขึ้นรูปอย่างไรก็ตาม กระบวนการตีขึ้นรูปด้วยความร้อนหลายวิธีนั้น ความแม่นยำของชิ้นงานต่ำ และพื้นผิวไม่เรียบ อีกทั้งยังเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชัน การสูญเสียคาร์บอน และความเสียหายจากการไหม้ จึงควรใช้การตีขึ้นรูปด้วยความร้อนกับชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่และหนา วัสดุมีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นต่ำ (เช่น การดัดแผ่นโลหะหนาพิเศษ การดึงแท่งเหล็กกล้าคาร์บอนสูง เป็นต้น)
โดยทั่วไป อุณหภูมิการขึ้นรูปด้วยความร้อนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอน 800~1250℃; เหล็กกล้าโครงสร้างอัลลอย 850~1150℃; เหล็กกล้าความเร็วสูง 900~1100℃; โลหะผสมอลูมิเนียมที่ใช้กันทั่วไป 380~500℃; โลหะผสม 850~1000℃; ทองเหลือง 700~900℃

2. การขึ้นรูปเย็น

การตีขึ้นรูปเย็น คือการตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะ โดยทั่วไปแล้ว การตีขึ้นรูปเย็นหมายถึงการตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้อง

ชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปเย็นที่อุณหภูมิห้องมีรูปทรงและความแม่นยำสูง พื้นผิวเรียบ ขั้นตอนการผลิตน้อย และสะดวกต่อการผลิตแบบอัตโนมัติ ชิ้นส่วนที่ตีขึ้นรูปเย็นและปั๊มขึ้นรูปเย็นจำนวนมากสามารถนำไปใช้เป็นชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการกลึง อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการตีขึ้นรูปเย็น เนื่องจากโลหะมีความยืดหยุ่นต่ำ การแตกร้าวจึงเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างการขึ้นรูป และมีความต้านทานต่อการขึ้นรูปสูง จึงต้องใช้เครื่องจักรตีขึ้นรูปขนาดใหญ่

3. การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน

การตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิปกติ แต่ไม่เกินอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ เรียกว่าการตีขึ้นรูปอุ่น โดยโลหะจะถูกอุ่นก่อน และอุณหภูมิในการให้ความร้อนจะต่ำกว่าการตีขึ้นรูปร้อนมาก การตีขึ้นรูปอุ่นให้ความแม่นยำสูงกว่า ผิวเรียบกว่า และมีความต้านทานต่อการเสียรูปต่ำกว่า

4. การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิคงที่

การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิคงที่ (Isothermal forging) คือการรักษาอุณหภูมิของชิ้นงานให้คงที่ตลอดกระบวนการขึ้นรูป การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิคงที่นี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติความยืดหยุ่นสูงของโลหะบางชนิดที่อุณหภูมิเดียวกัน หรือเพื่อให้ได้โครงสร้างและคุณสมบัติเฉพาะ การตีขึ้นรูปด้วยอุณหภูมิคงที่จำเป็นต้องรักษาอุณหภูมิของแม่พิมพ์และชิ้นงานให้คงที่ ซึ่งมีต้นทุนสูงและใช้ได้เฉพาะกับกระบวนการตีขึ้นรูปพิเศษ เช่น การขึ้นรูปด้วยความยืดหยุ่นสูง (Superplastic forming)

ลักษณะเฉพาะของการตีขึ้นรูป

การตีขึ้นรูปสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโลหะและปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะได้ หลังจากที่แท่งโลหะถูกตีขึ้นรูปด้วยความร้อนแล้ว ความหลวม รูพรุน รอยแตกขนาดเล็ก ฯลฯ ที่มีอยู่ในสภาพหล่อจะถูกอัดแน่นหรือเชื่อมติดกัน โครงสร้างเดนไดรต์เดิมจะแตกออก ทำให้เกรนละเอียดขึ้น ในขณะเดียวกัน การแยกตัวและการกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอของคาร์ไบด์เดิมจะเปลี่ยนไป ทำให้โครงสร้างสม่ำเสมอ ส่งผลให้ได้ชิ้นงานตีขึ้นรูปที่มีความหนาแน่น สม่ำเสมอ ละเอียด มีประสิทธิภาพโดยรวมที่ดี และเชื่อถือได้ในการใช้งาน หลังจากที่ชิ้นงานตีขึ้นรูปถูกขึ้นรูปด้วยความร้อนแล้ว โลหะจะมีโครงสร้างเป็นเส้นใย หลังจากขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปเย็นแล้ว ผลึกของโลหะจะเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ

การตีขึ้นรูปคือการทำให้โลหะไหลแบบพลาสติกเพื่อขึ้นรูปชิ้นงานให้มีรูปร่างตามต้องการ ปริมาตรของโลหะจะไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากเกิดการไหลแบบพลาสติกเนื่องจากแรงภายนอก และโลหะจะไหลไปยังส่วนที่มีแรงต้านน้อยที่สุดเสมอ ในการผลิต รูปร่างของชิ้นงานมักถูกควบคุมตามกฎเหล่านี้เพื่อให้ได้การเปลี่ยนแปลงรูปร่างต่างๆ เช่น การหนาขึ้น การยืดออก การขยายตัว การดัดงอ และการขึ้นรูปดึงลึก

ขนาดของชิ้นงานขึ้นรูปมีความแม่นยำและเอื้อต่อการผลิตจำนวนมาก ขนาดของแม่พิมพ์ในการใช้งานต่างๆ เช่น การตีขึ้นรูป การอัดรีด และการปั๊มขึ้นรูป มีความแม่นยำและคงที่ สามารถใช้เครื่องจักรตีขึ้นรูปประสิทธิภาพสูงและสายการผลิตตีขึ้นรูปอัตโนมัติเพื่อจัดการการผลิตจำนวนมากทั้งแบบเฉพาะทางและแบบทั่วไปได้

เครื่องจักรขึ้นรูปโลหะที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ค้อนขึ้นรูปโลหะเครื่องอัดไฮดรอลิกและเครื่องอัดขึ้นรูปเชิงกล ค้อนตีขึ้นรูปมีอัตราเร็วในการกระแทกสูง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการไหลของโลหะ แต่จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือน เครื่องอัดไฮดรอลิกใช้การตีขึ้นรูปแบบคงที่ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการตีขึ้นรูปโลหะและปรับปรุงโครงสร้าง การทำงานมีความเสถียร แต่ผลผลิตต่ำ เครื่องอัดขึ้นรูปเชิงกลมีระยะชักคงที่และง่ายต่อการนำระบบกลไกและระบบอัตโนมัติมาใช้

แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีการตีขึ้นรูป

1) เพื่อปรับปรุงคุณภาพที่แท้จริงของชิ้นส่วนขึ้นรูป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล (ความแข็งแรง ความยืดหยุ่น ความเหนียว ความทนทานต่อความล้า) และความน่าเชื่อถือ
สิ่งนี้ต้องการการประยุกต์ใช้ทฤษฎีการเสียรูปพลาสติกของโลหะที่ดีขึ้น ควรใช้วัสดุที่มีคุณภาพดีกว่า เช่น เหล็กอบสุญญากาศและเหล็กหลอมสุญญากาศ ควรดำเนินการให้ความร้อนก่อนการตีขึ้นรูปและการอบชุบความร้อนระหว่างการตีขึ้นรูปอย่างถูกต้อง และควรทำการทดสอบแบบไม่ทำลายชิ้นส่วนที่ตีขึ้นรูปอย่างเข้มงวดและครอบคลุมมากขึ้น

2) พัฒนาเทคโนโลยีการตีขึ้นรูปและการปั๊มขึ้นรูปที่มีความแม่นยำสูงให้ดียิ่งขึ้น กระบวนการผลิตที่ไม่ใช้การตัดเป็นมาตรการและทิศทางที่สำคัญที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องจักรในการปรับปรุงการใช้ประโยชน์จากวัสดุ เพิ่มผลผลิตแรงงาน และลดการใช้พลังงาน การพัฒนาการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานตีขึ้นรูปโดยไม่เกิดออกซิเดชัน รวมถึงวัสดุแม่พิมพ์ที่มีความแข็งสูง ทนต่อการสึกหรอ และมีอายุการใช้งานยาวนาน ตลอดจนวิธีการปรับสภาพพื้นผิว จะเอื้อต่อการขยายขอบเขตการใช้งานของการตีขึ้นรูปและการปั๊มขึ้นรูปที่มีความแม่นยำสูง

3) พัฒนาอุปกรณ์การตีขึ้นรูปและสายการผลิตการตีขึ้นรูปที่มีประสิทธิภาพและระบบอัตโนมัติสูงขึ้น ภายใต้การผลิตแบบเฉพาะทาง ประสิทธิภาพแรงงานจะดีขึ้นอย่างมากและต้นทุนการตีขึ้นรูปจะลดลง

4) พัฒนาระบบการขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปที่ยืดหยุ่น (เช่น การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแบบกลุ่ม การเปลี่ยนแม่พิมพ์อย่างรวดเร็ว เป็นต้น) ซึ่งจะช่วยให้สามารถผลิตชิ้นงานตีขึ้นรูปหลากหลายชนิดในปริมาณน้อย โดยใช้เครื่องจักรหรือสายการผลิตตีขึ้นรูปที่มีประสิทธิภาพสูงและระบบอัตโนมัติสูง ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตและต้นทุนใกล้เคียงกับระดับการผลิตจำนวนมาก

5) พัฒนาวัสดุใหม่ เช่น วิธีการขึ้นรูปโลหะผง (โดยเฉพาะโลหะผงสองชั้น) โลหะเหลว พลาสติกเสริมใย และวัสดุคอมโพสิตอื่นๆ พัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การขึ้นรูปด้วยพลาสติกยิ่งยวด การขึ้นรูปด้วยพลังงานสูง และการขึ้นรูปด้วยแรงดันสูงภายใน