การตีขึ้นรูปแบบเปิด อุณหภูมิการตีเหล็ก และการตีและการหล่อ

คืออะไร เปิดการตีขึ้นรูป ?

การตีขึ้นรูปแบบเปิด เป็นส่วนประกอบโลหะที่มีรูปร่างโดยแรงอัดระหว่างแม่พิมพ์แบบแบนหรือแบบเรียบๆ ที่ไม่ปิดล้อมชิ้นงานจนสุด แตกต่างจากการตีแม่พิมพ์แบบปิด (แม่พิมพ์อิมเพรสชั่น) โดยที่โลหะถูกจำกัดอยู่ในโพรงรูปทรงที่กำหนดรูปทรงขั้นสุดท้าย การตีขึ้นรูปแบบเปิดช่วยให้วัสดุไหลไปทางด้านข้างขณะที่แม่พิมพ์อัด โดยผู้ปฏิบัติงานจะปรับตำแหน่งและหมุนชิ้นงานระหว่างการเป่าเพื่อค่อยๆ ปรับรูปร่างให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ

กระบวนการนี้ดำเนินการกับเครื่องอัดไฮดรอลิก ค้อน หรือเครื่องรีดวงแหวน ขึ้นอยู่กับรูปทรงของชิ้นส่วน ผลิตภัณฑ์แม่พิมพ์แบบเปิดทั่วไป ได้แก่ เพลา สปินเดิล กระบอกสูบ จาน แหวน และแท่งโปรไฟล์แบบสั่งทำ — ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับแม่พิมพ์แบบปิด ซึ่งต้องใช้ในปริมาณที่ต่ำเกินไปสำหรับการลงทุนด้านเครื่องมือที่เหมาะสม หรือระบุไว้สำหรับโครงสร้างเกรนที่เหนือกว่าที่งานแม่พิมพ์แบบเปิดผลิตขึ้นในวัสดุสำเร็จรูป

การตีขึ้นรูปแบบเปิดเป็นกระบวนการหลักสำหรับส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่มาก ความสามารถในการอัดขึ้นรูปในโรงงานหลอมโลหะหนักในอุตสาหกรรมหนักมีตั้งแต่ 1,000 ถึง 15,000 ตัน ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนตีขึ้นรูปชิ้นเดียวที่มีน้ำหนักหลายร้อยตัน เช่น เพลาใบพัดเรือ เปลือกภาชนะรับความดันของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และเพลาหลักของกังหันลม ด้วยขนาดเหล่านี้ ไม่มีกระบวนการผลิตอื่นใดที่จะเทียบได้กับความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่ได้จากการตีขึ้นรูปแบบเปิด

การไหลของเกรนและสมบัติทางกล

ข้อได้เปรียบทางโลหะวิทยาที่กำหนดของการตีขึ้นรูปแบบเปิดคือการควบคุมการเปลี่ยนรูปของโครงสร้างเกรนแบบหล่อของแท่งโลหะ เมื่อหล่อหลอมโลหะ โครงสร้างเกรนเดนไดรต์จะแตกตัวและตกผลึกใหม่เป็นเกรนที่ละเอียดและสมดุลโดยวางตัวตามทิศทางการไหลของวัสดุ สิ่งนี้จะสร้างรูปแบบการไหลของเกรนที่ต่อเนื่องและต่อเนื่องตลอดทั้งหน้าตัดของชิ้นส่วน ซึ่งเป็นสภาวะที่เพิ่มความต้านทานแรงดึง ความต้านทานต่อความเมื่อยล้า และความทนทานต่อแรงกระแทกในทิศทางที่สำคัญที่สุดสำหรับการโหลดบริการ

ในการตีขึ้นรูปแบบเปิดขนาดใหญ่ การบรรลุเกรนที่ละเอียดสม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัดทั้งหมด จำเป็นต้องมีการจัดการอัตราส่วนการลดอย่างระมัดระวัง ขั้นต่ำ อัตราส่วนลด 3:1 (อัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัดเดิมต่อสุดท้าย) มักมีการระบุเพื่อให้แน่ใจว่าการเสียรูปเพียงพอไปถึงจุดศูนย์กลางของชิ้นงาน โดยทำลายโครงสร้างแกนหล่อที่อาจคงอยู่เป็นโซนที่มีความเหนียวต่ำกว่าในชิ้นงานที่เสร็จแล้ว

การใช้งานทั่วไป

การตีขึ้นรูปแบบเปิดมีบทบาทเชิงโครงสร้างที่สำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งความล้มเหลวของชิ้นส่วนเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้:

• น้ำมันและก๊าซ: ส่วนประกอบของหลุมผลิต ตัววาล์ว เปลือกภาชนะรับความดัน ปลอกเจาะ
• การผลิตกระแสไฟฟ้า: เพลากังหัน, โรเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, แผ่นกังหันไอน้ำแรงดันต่ำ
• การบินและอวกาศและการป้องกัน: ส่วนประกอบอุปกรณ์ลงจอด แผงกั้นโครงสร้าง ตัวถังอาวุธยุทโธปกรณ์
• มารีน: เพลาใบพัด หางเสือ ข้อต่อโซ่สมอ
• เครื่องจักรกลหนัก: ลูกกลิ้งโรงรีด โครงกด เพลาอุปกรณ์การทำเหมือง

อุณหภูมิสำหรับการตีเหล็ก

ช่วงอุณหภูมิการตีเหล็กถูกกำหนดโดยองค์ประกอบของโลหะผสมและวัตถุประสงค์ทางโลหะวิทยาของการดำเนินการตีขึ้นรูป เหล็กจะต้องร้อนพอที่จะทำให้พลาสติกเปลี่ยนรูปได้โดยไม่แตกร้าว แต่ไม่ร้อนจนทำให้เกรนเติบโต ออกซิเดชัน หรือการหลอมละลายที่ขอบเกรนทำให้วัสดุเสียหาย การรักษาอุณหภูมิที่ถูกต้องตลอดลำดับการตีเหล็ก ตั้งแต่การให้ความร้อนครั้งแรกไปจนถึงการเป่าครั้งสุดท้าย เป็นหนึ่งในตัวแปรกระบวนการที่สำคัญที่สุดในการตีเหล็ก

ช่วงอุณหภูมิการตีขึ้นรูปร้อนตามเกรดเหล็ก

การตีขึ้นรูปร้อนจะดำเนินการเหนืออุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของเหล็ก ทำให้เมล็ดที่มีรูปร่างผิดปกติสามารถตกผลึกซ้ำได้อย่างต่อเนื่องในระหว่างการทำงาน และป้องกันไม่ให้งานแข็งตัวจากการสะสมตัวในวัสดุ หน้าต่างการทำงานแตกต่างอย่างมากตามคลาสโลหะผสม:

• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (เช่น AISI 1020): อุณหภูมิเริ่มต้น 1,250°C–1,280°C; อุณหภูมิการตกแต่งไม่ต่ำกว่า 900°C ช่วงการทำงานที่กว้างทำให้เกรดคาร์บอนต่ำเป็นเกรดที่ชดเชยได้มากที่สุดในการผลิต
• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (เช่น AISI 1045): อุณหภูมิเริ่มต้น 1,200°C–1,250°C; อุณหภูมิสุดท้าย 850°C–900°C เกรดฟอร์จที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับส่วนประกอบทางกล รวมถึงเกียร์ เพลา และหน้าแปลน
• โลหะผสมเหล็ก (เช่น 4140, 4340): อุณหภูมิเริ่มต้น 1,150°C–1,230°C; อุณหภูมิสุดท้าย 850°C–900°C โลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัมและนิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัมมีหน้าต่างการทำงานที่แคบกว่า เนื่องจากมีความสามารถในการชุบแข็งและความไวต่อการเสียรูปต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึกซ้ำ
• เหล็กกล้าไร้สนิม (เกรดออสเทนนิติก เช่น 316): อุณหภูมิเริ่มต้น 1,150°C–1,260°C; อุณหภูมิสุดท้าย 950°C–1,000°C ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิผิวสำเร็จที่สูงจะจำกัดปริมาณงานที่สามารถทำได้ต่อความร้อน และเพิ่มความถี่ในการอุ่นซ้ำในการตีขึ้นรูปขนาดใหญ่
• เหล็กกล้าเครื่องมือ (เช่น H13, D2): อุณหภูมิเริ่มต้น 1,050°C–1,150°C; อุณหภูมิการตกแต่ง 900°C–950°C ปริมาณโลหะผสมสูงจะทำให้หน้าต่างการตีขึ้นรูปแคบลงอย่างมาก และต้องการการควบคุมอุณหภูมิเตาเผาที่เข้มงวดมากขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงการละลายของคาร์ไบด์หรือการทำให้ขอบเขตของเกรนกลายเป็นของเหลว

ผลที่ตามมาของอุณหภูมิการตีขึ้นรูปที่ไม่ถูกต้อง

การตีที่สูงกว่าอุณหภูมิเริ่มต้นที่แนะนำจะทำให้เกรนเติบโตอย่างรวดเร็วในระหว่างการให้ความร้อนและการคงตัว ทำให้เกิดโครงสร้างเกรนหยาบที่ช่วยลดความเหนียวและอายุความเมื่อยล้าในชิ้นงานสำเร็จรูป ในกรณีที่รุนแรงที่สุด — โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเหล็กกล้าโลหะผสมสูง — ความร้อนสูงเกินไปทำให้เกิดการหลุดร่อนของเกรน สภาวะที่เรียกว่า การเผาไหม้ ซึ่งไม่สามารถย้อนกลับได้และทำให้ชิ้นงานไม่สามารถกู้คืนได้ไม่ว่าจะผ่านการบำบัดความร้อนในภายหลังก็ตาม

การตีขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่แนะนำจะทำให้เกิดการเสียรูปในสถานะแข็งตัวบางส่วนหรือทั้งหมด โครงสร้างเกรนที่ได้จะมีแถบการเปลี่ยนรูปตกค้างและแอนไอโซโทรปีทิศทาง และการรับน้ำหนักในการขึ้นรูปสูงอาจทำให้ชิ้นงานแตกร้าวหรือทำให้เครื่องมือเสียหายได้ สำหรับการตีขึ้นรูปแม่พิมพ์แบบเปิดขนาดใหญ่ซึ่งการใช้ความร้อนเพียงครั้งเดียวอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าจะเสร็จสมบูรณ์ การตรวจสอบอุณหภูมิผ่านไพโรมิเตอร์แบบออปติคอลหรือเทอร์โมคัปเปิล ร่วมกับการตั้งเวลาอุ่นซ้ำอย่างมีระเบียบวินัย เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ชิ้นงานอยู่ในหน้าต่างการตีขึ้นรูปตลอดการดำเนินการ

การตีขึ้นรูปร้อนและเย็น

การตีเหล็กบางประเภทไม่ได้ดำเนินการโดยใช้ความร้อน การตีขึ้นรูปด้วยความร้อน — ดำเนินการระหว่าง 650°C และ 900°C — ใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีรูปทรงเกือบสุทธิ ซึ่งต้องใช้ความคลาดเคลื่อนของขนาดที่เข้มงวดยิ่งขึ้น และพื้นผิวสำเร็จที่ดีกว่าการตีขึ้นรูปด้วยความร้อน การตีขึ้นรูปเย็นที่อุณหภูมิห้องใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าไมโครอัลลอยด์สำหรับตัวยึดในปริมาณมากและการผลิตส่วนประกอบที่มีความแม่นยำ โดยใช้ประโยชน์จากการชุบแข็งที่การตีขึ้นรูปด้วยความร้อนจงใจหลีกเลี่ยงเพื่อให้ได้ความแข็งผิวสูงและความแม่นยำของมิติในการทำงานครั้งเดียว

การตีขึ้นรูปกับการหล่อ: การเปรียบเทียบทางเทคนิค

ทางเลือกระหว่างการตีขึ้นรูปและการหล่อเป็นหนึ่งในการตัดสินใจที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดในการผลิตชิ้นส่วน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกล ความสามารถด้านมิติ ระยะเวลาในการผลิต โครงสร้างต้นทุน และเสรีภาพในการออกแบบไปพร้อมๆ กัน ไม่มีกระบวนการใดที่เหนือกว่าในระดับสากล — ตัวเลือกที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพเฉพาะ ปริมาณการผลิต และความซับซ้อนทางเรขาคณิตของส่วนประกอบที่เป็นปัญหา

คุณสมบัติทางกล

การตีขึ้นรูปมีประสิทธิภาพเหนือกว่าการหล่อในคุณสมบัติทางกลอย่างสม่ำเสมอสำหรับโลหะผสมที่เข้ากันกับเหล็กดัดได้ กระบวนการเปลี่ยนรูปช่วยขจัดความพรุน โพรงหดตัว และการแยกตัวของเดนไดรต์ที่มีอยู่ในการแข็งตัว ขณะเดียวกันก็พัฒนาการไหลของเกรนอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งในทิศทางสูงสุด ในการเปรียบเทียบโดยตรงโดยใช้โลหะผสมและสภาวะการรักษาความร้อนเดียวกัน โดยทั่วไปการตีขึ้นรูปจะแสดง ความต้านทานแรงดึงสูงขึ้น 20–30% อายุการใช้งานความล้าสูงขึ้น 30–50% และค่าแรงกระแทกแบบชาร์ปีที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ กว่าการหล่อที่เท่ากัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทิศทางตามขวาง ซึ่งการหล่อแสดงให้เห็นถึงจุดอ่อนที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อเทียบกับการตีขึ้นรูป

อย่างไรก็ตาม การหล่อเป็นหนทางเดียวที่เป็นไปได้สำหรับโลหะผสมที่ไม่สามารถผ่านกระบวนการร้อนได้ เช่น ซูเปอร์อัลลอยนิกเกิลที่มีเศษส่วนแกมมา-ไพรม์สูง ไททาเนียมอะลูมิไนด์บางชนิด และวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงเซรามิกที่ซับซ้อน สำหรับวัสดุเหล่านี้ การหล่อไม่ใช่การประนีประนอมแต่เป็นสิ่งจำเป็น

ความซับซ้อนทางเรขาคณิต

การหล่อทำให้มีอิสระในการออกแบบมากขึ้นอย่างมาก ทางเดินภายในที่ซับซ้อน รอยตัดด้านล่าง ผนังบาง และคุณสมบัติที่ผสานรวมซึ่งต้องใช้เครื่องจักรหลายขั้นตอนหรือขั้นตอนการประกอบในการตีขึ้นรูปสามารถหล่อได้ในการเทครั้งเดียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการหล่อการลงทุนสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายซึ่งมีรูปทรงภายใน เช่น ช่องระบายความร้อนของใบพัดกังหัน ทางเดินท่อร่วมไฮดรอลิก ซึ่งไม่สามารถปลอมแปลงทางกายภาพได้ การตีขึ้นรูปนั้นจำกัดอยู่เพียงรูปทรงที่สามารถทำได้โดยการบีบอัดแม่พิมพ์และการไหลของวัสดุ ซึ่งจำเป็นต้องมีการตัดเฉือนขั้นที่สองเพื่อสร้างคุณสมบัติต่างๆ เช่น รู เกลียว และพื้นผิวที่ไม่เป็นร่าง

โครงสร้างต้นทุนและระยะเวลารอคอย

การตีขึ้นรูปแบบปิดต้องใช้การลงทุนด้านเครื่องมือจำนวนมาก โดยทั่วไปแล้ว แม่พิมพ์สำหรับส่วนประกอบยานยนต์ที่มีความซับซ้อนปานกลางจะมีต้นทุน 15,000–80,000 ดอลลาร์ — ซึ่งทำให้ประหยัดเหนือปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำที่ตัดจำหน่ายต้นทุนเครื่องมือที่ยอมรับได้เท่านั้น การตีขึ้นรูปแบบเปิดมีต้นทุนเครื่องมือที่ต่ำกว่า แต่ต้นทุนค่าแรงต่อชิ้นที่สูงขึ้น เนื่องจากทักษะของผู้ปฏิบัติงานและเวลาในการเปลี่ยนตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง เครื่องมือหล่อ (รูปแบบและกล่องแกน) โดยทั่วไปจะมีราคาถูกกว่าการตีแม่พิมพ์สำหรับความซับซ้อนของชิ้นส่วนที่เท่ากัน ทำให้การหล่อประหยัดกว่าสำหรับการผลิตในปริมาณน้อยและการผลิตต้นแบบ

ระยะเวลารอคอยสินค้ายังเอื้อต่อการหล่อชิ้นส่วนที่ซับซ้อนอีกด้วย การหล่อทรายสามารถผลิตได้จากรูปแบบใหม่ภายในไม่กี่วันหรือหลายสัปดาห์ การตีขึ้นรูปแบบปิดจำเป็นต้องมีการออกแบบ การผลิต และคุณสมบัติก่อนการผลิตชิ้นแรก ซึ่งเป็นกระบวนการที่โดยทั่วไปครอบคลุม 8–20 สัปดาห์ สำหรับส่วนประกอบใหม่

เมื่อใดที่ต้องระบุการตีขึ้นรูปมากกว่าการหล่อ

การตีขึ้นรูปเป็นข้อกำหนดที่ถูกต้องเมื่อส่วนประกอบรับภาระแบบเป็นรอบหรือแบบกระแทก ทำงานในบริการที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย หรือต้องมีคุณสมบัติทางกลที่ผ่านการรับรองขั้นต่ำ ซึ่งการหล่อไม่สามารถส่งมอบได้อย่างน่าเชื่อถือหากไม่มีระเบียบวิธีการตรวจสอบที่ครอบคลุม ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง อุปกรณ์ประกอบโครงสร้างเครื่องบิน หัวฉีดภาชนะรับแรงดัน และเพลาขับเคลื่อนเป็นตัวอย่างที่ข้อดีของคุณสมบัติทางกลของการตีขึ้นรูปส่งผลให้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ลดภาระในการตรวจสอบ และลดโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวในการให้บริการ

การหล่อมีความเหมาะสมในกรณีที่ต้องใช้ความซับซ้อนทางเรขาคณิต โดยที่ปริมาณการผลิตไม่เพียงพอที่จะตัดจำหน่ายเครื่องมือปลอม หรือในกรณีที่โลหะผสมไม่เหมาะกับการทำงานที่ร้อน ส่วนประกอบทางวิศวกรรมจำนวนมาก เช่น ตัวเรือนปั๊ม ตัววาล์ว ฐานเครื่องมือกล และอุปกรณ์ตกแต่ง มีการรับแรงอัดคงที่เป็นหลักที่ระดับความเค้นปานกลาง ซึ่งความแตกต่างทางโครงสร้างจุลภาคระหว่างการตีขึ้นรูปและการหล่อมีผลกระทบในทางปฏิบัติเล็กน้อย และข้อดีด้านต้นทุนของการหล่อและความยืดหยุ่นในการออกแบบครอบงำการตัดสินใจเลือก