การขนรปโลหะ (Metal Forming)

รหสวชา 255417

การขนรปชนงานกอน (Bulk Deformation

Processes) part4.2โดย....ดร.วสวชร นาคเขยว

ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม

Impression-die and closed-die forging• Impression หมายถง รปทรงของชองวางของได (shape of die cavities) ดงนน Impression-

die forging จงเปนการตขนรปของวสดทมชองวางของได เปนตวกาหนดรปทรงของชนงานทจะ

ออกมา

• ชนงานทออกมาจะออกมาจาก 2 ได ซงแตละฝ งกมชองวางของได (อาจะเหมอนหรอแตกตางก

ได)

• โดยทวไปมกจะเปนการตชนงานทมการใหอณหภมแกวสด เพอเปนการเพมความเหนยว

(ductility) ของวสด

• ในกรณของ Impression-die นนจะม สวนของไหลของวสดทอยระหวาง ไดทงสอง ทเรยกวา

flash ถากรณไมม flash เกดขนจะเรยกกระบวนการวา close-die forging

Impression-die and closed-die forging

Impression-die and closed-die forging• ในสวนของได นนอาจจะประกอบไปดวยชนสวนหลายๆชนดงทแสดงในรปขางลางน

• ชนงานทจะนามาตขนรปนน สามารถนามาไดจากหลายกระบวนการ เชน การดนหรอการดงขน

รป กรรมวธทางผง (powder metallurgy) การหลอ (casting) เปนตน

14.3 Impression-die and closed-die forging

(a) ขนตอนการผลต connecting rod สาหรบ internal combustion engine

(b) Fullering (c) Edging

Impression-die and closed-die forging• Fullering จะเปนการตขนรปทวสดจะถกแรงดนออกไปจากบรเวณทมแรงมากระทา

• Edging จะเปนการตขนรปทวสดจะถกกกไวในบรเวณทมแรงผานจากไดมากระทา

• Block dies จะเปนไดททาใหเกดรปทรงดงสไลดกอนหนาน

แรงในการตขนรปของ Impression, close-die forging

โดยท F = แรงในการตขนรปแบบ Impression, close-die forging

k = ตวคณ เปนคาคงท

Yf = Flow stress

A = พนท projection (projection area) รวมสวนของ flashing

โดยทวไปในการตขนรปแบบรอนนน ความเคนของโลหะในการตขนรปจะอยในระหวาง 550 Mpa-

1000 MPa

AkYF f=

Impression-die and closed-die forging

Impression-die and closed-die forgingการตขนรปแบบเทยงตรง (Precision Forging)

• ไดรปทรงใกลเคยงกบชนงานทจะออกมา (near-net-shape forming) โดยแทบจะไมตองม

กระบวนการเพมเตมหลงจากการตขนรป

• ตองใช die เฉพาะโดยทจะคมในสวนของ ความถกตอง (accuracy) มากกวา ได โดยทวไป

โดยทวไปจะใชในกรณท แรงในการตไมมากนก ดงนนจะพบในวสดกลม Aluminum,

magnesium alloys

• จะพบในชนงานเชน พวกconnecting rod หรอใบพด turbine blades

• โดยหวใจหลกในการตขนรปแบบนคอ

- เปนได ชนดเฉพาะ

- มการควบคมปรมาตรการไหลของวสด และรปทรงในได

- เนนความถกตองของการวางตาแหนงของชนงาน กบ ชองวางของได

Impression-die and closed-die forgingขนตอนของกระบวนการ forging โดยทวไป

• เตรยมชนงาน ตดใหไดขนาดทตองการ ทาความสะอาดพนผวชนงาน

• ถาเปนการตขนรปแบบรอน (hot forging) นาชนงานไปใหความรอนในเตาอบ รวมทงใหความ

รอน (preheat) และใหสารหลอลนกบ ได ถาเปนกรณ การตขนรปแบบเยน (cold forging) ให

สารหลอลนกบชนงาน

• เลอกใช ได ทเหมาะสมเมอตเสรจทาการกาจด flash ออกโดยกระบวนการเลมออก (trimming),

ตดออก (machining) หรอ เจยระไนออก (grinding)

• ทาความสะอาดชนงาน วดและเชคขนาด พกดความเผอ

• อาจจะตองทาการใชกระบวนการทางความรอน (heat treatment) ในการเพมคณสมบตทางกล

• เชคจดเสย ตาหนตางๆ (defects)

กระบวนการตขนรปตางๆ

กระบวนการ Coining: ตสลกใหเหรยญมภาพ อกษร

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปHeading

- เปนกระบวนการเพมพนทหนาตดทปลายของวสดทรงกระบอก หรอ ลวด

- ถาเปนชนงานเลกจะสามารถผลตไดดวยอตราการผลตทสง ดวยเครองมอเรยกวา headers

ตขนรปหวนอต ตะป ตางๆ เปนการตขนรปแบบเยน ความ

เรยบผวด มพกดความเผอด มความแขงแรงด

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปPiercing

- เปนกระบวนการทาใหเกดชองวาง ร ในชนงาน (ชนงานไมไดขาดออกจากกน)

- รปขางลางน แสดงชนงานจากการ piercing โดยแสดงใหเหนถง grain flow

- แรงทใชในการ piecing นนขนกบ พนทหนาตด รปทรงของหวต (punch) ความแขงแรงของ

วสด และ แรงเสยดทานระหวางพนผวสมผส

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปHubbing

- เปนกระบวนการสราง die cavity (ชองวางของได) ซงชองวางของไดนกนาไปขนรปชนงาน

อนๆตอไป

- แรงในการ hubbing นนสามารถเขยนไดดงน

โดยท

A = พนทหนาตด

UTS = Ultimate Tensile Strength ของวสด

( )( )AUTS3forceHubbing =

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปIsothermal forging

- ได ถกใหความรอน (preheat) จนมความรอนเทากบ อณหภมของชนงานแบบรอน

- สามารถควบคมพกดความเผอไดด เพราะตวได กยงคงรอนในขณะตขนรป

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปRotary Swaging

- เปนกระบวนการตขนรปทรงตน ทอโดยใชแรงจากโดยรอบ ของชนงาน

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรปRotary Swaging (ตอ)

- อตราในการผลตอยในขนปานกลาง ขนาดของเสนผานศนยกลางของชนงานไมเกน 150 mm

(ขนาดเลกทพบอยทประมาณ 0.5 mm) พกดความเผออยในชวง 0.05 – 0.5 mm

- อาจจะมการใชสารหลอลนเพอ ยดอายได และทาใหความเรยบผวดขน

- สามารถนามาปรบแตงสวนปลายของชนงาน หรอ ปรบขนาดสดทายของชนงาน

- ถาชนงานเปนทอ จะสามารถปรบเปลยน internal diameter ของทอ หรอ ปรบแตงความหนา

ของทอได โดยจะใชตวยด mandrel หรอไมกได

กระบวนการทเกยวของกบการตขนรป

(a) shows swaging of tubes without a mandrel; note the increase in wall thickness in the die gap.

(b) Swaging with a mandrel; note that the final wall thickness of the tube depends on the mandrel diameter.

(c) Examples of cross-section of tubes produced by swaging on shaped mandrels.

ความสามารถในการตขนรป และของเสยทเกดความสามารถในการตขนรป (Forgeability) หมายถงความสามารถของวสดในการแปรรปโดยไมเกด

รอยแตกขน

ความสามารถในการตขนรป และของเสยทเกดของเสยทเกดขน (Forging Defects)

รอยแตกทผว (surface cracking) และในรปแบบอนๆดงน

(a) มรอยแตกทเรยกวา Laps โดยทมการบดงอตวของชนงานในขนตอน finishing วธแกควรจะมชองวางระหวางได มากขน

(b) หรออาจจะมการแตกทบรเวณทเรยกวา rib โดยมสาเหตมาจากชนงานขนาดใหญไมเหมาะสม

นอกจากนชนงานอาจะมรอยแตกภายในอนเนองมาจาก การแปรรปแบบ nonuniform ของวสดในได

เกด temperature gradient ในขณะแปรรป และ มการเปลยนเฟส และโครงสรางระหวางการตขนรป

Forging Machinesเครองจกรทใชในการตขนรปมหลายชนด ซงแตละชนดมความสามารถ หรอขอจากดทแตกตางกนออกไป

เชนในตารางขางลางนแสดง ชวงของความเรวในการตขนรปของเครองจกรชนดตางๆ

Forging MachinesHydraulic Presses

• ความเรวและแรงทใชต จะจากดเฉพาะเครองไป โดยทเครองจะหยดทางานถา แรงในการตเกนกวา

ความสามารถของเครอง

• ความสามารถของเครองโดยทวไปอยในชวง 125 MN (14,000 tons) – 730 MN (82,000 tons)

(a) Mechanical press with an eccentric drive; the eccentric shaft can be replaced by a crankshaft to give the up

and-down motion to the ram. (b) Knuckle-joint press. (c) Screw press. (d) Hydraulic press.

Forging MachinesMechanical presses

Screw presses

Hammers

• Drop hammers ใชแรงโนมถวงในการตขนรป

• Counterblow hammers ใช ram สองตว ตขนรปพรอมกน

• High energy rate forging (HERF) machines เรง ram อยางรวดเรวในการต โดยการเรงตวต

(ram) นน ใชระบบ กาซเฉอยในภาวะความดนสง

Economics of Forging

.

Typical (cost-per-piece) in forging; note how the setup and the tooling costs-per-piece decrease as the number of pieces

forged increases if all pieces use the same die.

Economics of Forging