ความเข้าใจในรูปแบบการทำงานและการออกแบบของหัวรีดอลูมิเนียม

บทความโดย: เคน เชียน และ พอล รอบบินส์ . ร่วมมือโดย คริส โจเว็ท. บริษัท ริโอะ ทินโตะ อลูมิเนียม และ ยู หวัง (วิศวะเครื่องกล และอิเล็กทรอนิกส์เชิงกล มหาวิทยาลัย วอเตอร์โล แคนาดา)

บทนำ

เมื่อนักอุตสาหกรรมเครื่องรีดมีการวางแผนที่จะติดตั้งเครื่องรีดใหม่ สิ่งที่โดยปกติแล้วจะคำนึงถึงคือ การผสมผสานของผลิตภัณฑ์ ขนาดของผลิตภัณฑ์ น้ำหนัก นักอุตสาหกรรมเครื่องรีดจะเลือกใช้แรงดันเครื่องรีดนั้นต้องสัมพันธ์กับขนาดของอลูมิเนียมที่นำมาใช้ในการรีด แรงดันของหัวรีด ทั้งนี้เพื่อผลิตภัณฑ์ที่ได้คุณภาพและมีความเสถียรมากที่สุด ความคงที่และความเร็วของเครื่องรีดมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง

บทความนี้เกี่ยวกับการวิเคราะห์อลูมิเนียมที่นำมาใช้ในการรีด ซึ่งเกี่ยวเนื่องกับขนาดของอลูมิเนียมและความยาว ซึ่งขนาดของอลูมิเนียมขนาดใหญ่จะไม่กล่าวถึงในกรณีนี้

อีกประการการเพิ่มขนาดของอลูมิเนียมมีความสำคัญในการวิเคาระห์หรือไม่ ที่จริงแล้ว การเพิ่มขนาดของอลูมิเนียมนั้นจะทำให้แรงดันของเครื่องรีดสูงขึ้นและยังทำให้อุณหภูมิของอลูมิเนียมสูงขึ้นอีกด้วย และยังจะทำให้ความเร็วของการรีดลดลง ในทางตรงกันข้าม การเพิ่มขนาดของเครื่องรีด ดังนั้นการเพิ่มขนาด หรือน้ำหนักของอลูมิเนียมไม่สามารถเพิ่มปริมาณของชิ้นงานหรือคุณภาพได้ แต่อาจจะก่อให้เกิดปัญหาตามมาหลายอย่าง ดังจะกล่าวต่อไปนี้

อลูมิเนียมขนาดสั้นและยาว

ในปีที่ผ่านมานักอุตสาหกรรมเครื่องรีดมีความนิยมในการเพิ่มขนาดของอลูมิเนียมที่ยาวขึ้น บางเจ้าก็ประสบผลสำเร็จในการเพิ่มความยาวของอลูมิเนียม แต่บางเจ้าก็เป็นไปในทางตรงกันข้าม ทั้งนี้การเพิ่มขนาดความยาวของอลูมิเนียมก็สามารถเป็นไปได้เมื่อลดค่าความเร็วในการรีดลง

การพัฒนาแรงขับเคลื่อนและแรงดันของเครื่องรีด

ถ้าหากจะคำนวณเปรียบเทียบเพื่อการพัฒนาระหว่างอลูมิเนียมขนาดสั้นและอลูมิเนียมขนาดยาว อาจจะคำนวณได้ตามนี้

ความดัน = A log (อัตราส่วนของเครื่องรีด) + B (ค่าความแข็งของอลูมิเนียมที่นำมาใช้รีด x ผิวสัมผัสของไส้ในของเครื่องรีด)

สูตรในช่องแรกอ้างถึงส่วนที่เป็นแรงขับเคลื่อนที่ลดลงของอลูมิเนียม สูตรในช่องที่สองอ้างถึงการคำนวณแรงขับเคลื่อนระหว่างที่เคลื่อนที่ในไส้ในของเครื่องรีดซึ่งจะคำนวณจากระหว่างที่อลูมิเนียมกำลังเปลี่ยนรูปหลังจากได้สัมผัสกับความร้อน คำนวณได้จาก Finite Element (FE) ซึ่งสูตรการคำนวณนี้มาจากการวิจัยที่มหาวิทยาลัย วอเตอร์โล แคนาดา โดยเลือกความต่างของอลูมิเนียมสองชนิด คือ อลูมิเนียมชนิดแรก มีขนาดความกว้างที่ 8 นิ้ว ยาว 56 นิ้ว สัดส่วน 7:1(ซึ่งเป็นอัตราส่วนที่นิยมสำหรับอลูมิเนียมขนาดยาว) อลูมิเนียมชนิดที่สอง มีขนาดความกว้างที่ 10 นิ้ว ยาว 35.8 นิ้ว อัตราส่วน 3.5:1 อลูมิเนียมทั้งสองมีน้ำหนัก ที่ 276 ปอด์น หรือ 2.815 ตารางนิ้ว แม่พิมพ์ทรงกลมที่เส้นผ่าศูนย์กลางที่ 1.275 นิ้ว ในการทดลอง โดยชนิดของอลูมิเนียมคือ AA6063 ที่อุณหภูมิ 850 องศาฟาเรนไฮต์ ความเร็วในการรีดของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของไส้ในเครื่องรีดขนาด 10.375 นิ้ว ความเร็วที่ใช้อยู่ที่ 0.453 วินาทีต่อนิ้ว และสำหรับความเร็วในการรีดของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของไส้ในเครื่องรีดขนาด 8.375 นิ้ว ความเร็วที่ใช้อยู่ที่ 0.6953 วินาทีต่อนิ้ว ความเร็วที่ใช้เท่ากันคือ 150 ฟุตต่อนาที

ภาพรวมของผลลัพธ์ของอลูมิเนียมขนาด 10 นิ้ว ดังภาพที่ 1 โดยแรงผลักด้านบนจะมาจากก้านอัด ส่วนแรงอัดด้านล่างจะอยู่ที่ตัวแม่พิมพ์ แรงที่อัดจะลดลงเล็กน้อยเนื่องจากการเพิ่มอุณหภูมิระหว่างการรีด

ส่วนในภาพที่ 2 แรงผลักจะมาจากหัวรีดซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับภาพที่ 1 เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ความแตกต่างของขนาดของอลูมิเนียมในอุณหภูมิที่ 850 องศาฟาเรนไฮต์ อลูมิเนียมขนาด 10 นิ้วต้องการแรงผลักที่ 1.9% และในอุณหภูมิ 800 องศาฟาเรนไฮต์ ต้องการแรงผลักที่ 1.8% จึงวิเคราะห์ได้ว่าควรจะเพิ่มอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีก 7 องศาฟาเรนไฮต์ สำหรับอลูมิเนียมขนาด 10 นิ้ว โดยแนะนำว่าควรจะเพิ่มน้ำหนักของอลูมิเนียมหรือความยาว หรือไม่ก็เปลี่ยนชุดเครื่องมือในการรีดเพื่อผลลัพธ์ในผลิตภัณฑ์ที่ดี

อุณหภูมิและความเร็ว

จากการคำนวณเบื้องต้นจะเห็นว่าความแตกต่างของระหว่างขนาดของอลูมิเนียมทั้งสองนั้น อยู่ที่อุณหภูมิ โดย อลูมิเนียมขนาด 10 นิ้วเมื่อเริ่มรีดจะมีอุณหภูมิที่สูงกว่า โดยที่อลูมิเนียมขนาด 8 นิ้วจะมีอุณหภูมิที่สูงกว่าในตอนท้าย  ดังรูปที่ 3 ส่วนในรูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่า อุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลงโดยแผ่ไปที่เครื่องรีดและแม่พิมพ์ในความเร็วที่ที่สม่ำเสมอ

การหล่อเย็นในเครื่องรีดและองศา

รูปที่ 5 เป็นผลกระทบของความแตกต่างของอลูมิเนียมและเครื่องรีดที่มีความต่างกันมาก ซึ่งจะเห็นว่า ทิศทางของอุณหภูมิที่ไปยังแม่พิมพ์ของอลูมิเนียมขนาด 8 นิ้ว จะอยู่ที่ 800 องศาฟาเรนไฮต์ และ 850 องศาฟาเรนไฮต์ และอุณหภูมิของเครื่องรีดจะอยู่ที่ 800 องศาฟาเรนไฮต์

การหล่อเย็นและการให้ความร้อนแบบลดหลั่น

จะเห็นได้ว่าแบบจำลองของผลกระทบความแตกต่างของอุณหภูมิกับเครื่องรีด ดังภาพที่ 5 ซึ่งแสดงอุณหภูมิของ Die Barring ที่ใช้อลูมิเนียม ขนาด 8 นิ้ว ที่อุณหภูมิ 800 และ 850 องศาฟาเรนไฮต์ และอุณหภูมิของเครื่องรีดที่ 800 องศาฟาเรนไฮต์ ก่อนที่จะรีดชิ้นงานในแต่ละครั้ง อุณหภูมิในการรีดถือว่าสำคัญเป็นอย่างมาก โดยที่ส่วนมากจะตั้งไว้ที่ 800 องศาฟาเรนไฮต์ แต่ทั้งนี้ปัญหาที่พบส่วนใหญ่คืออุณภูมิของเครื่องรีดที่อาจจะร้อนเกินไปและอาจจะส่งผลเสียกับอลูมิเนียมที่นำมารีดและชิ้นงานได้ โดยปกติไส้ในของเครื่องรีดควรจะมีความเย็นกว่าอลูมิเนียมที่จะนำมารีดประมาณ 50 องศาฟาเรนไฮต์ และด้วยความที่ข้อจำกัดในด้านอุณหภูมินี้ เครื่องรีดแบบธรรมดาอาจจะควบคุมยาก ทว่าทางเลือกที่ดีที่สุดก็คือเครื่องรีดแบบอัจฉริยะที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ด้วยตัวเองผ่านแผงควบคุม การให้ความร้อนที่คงที่บริเวณไส้ในของเครื่องรีด และการระบายความร้อนด้วยเทคโนโลยีที่ล้ำหน้าออกจากตัวเครื่องรีด

แรงดันของหัวรีดและการออกแบบ

จากลักษณะการทำงานของหัวรีด แรงดันของเครื่องรีด และก้านรีดนั้นมีค่าต่ำกว่าในอลูมิเนียมขนาด 10 นิ้ว เมื่อเทียบกับอลูมิเนียมขนาด 8 นิ้ว แรงดันในการเปลี่ยนรูปสุดท้ายสำหรับอลูมิเนียมขนาด 10 นิ้วที่คำนวณได้คือ 77ksi เมื่อเปรียบเทียบกับอลูมิเนียมขนาด 8 นิ้วแล้วจะอยู่ที่ 118ksi ตามแบบทดลองในรูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าแรงดันในหัวรีดที่แรงดัน 100 ksi และ 120 ksi แสดงให้เห็นว่ามีความเค้นที่สูงกว่าความต้านทานการเฉือนของเหล้กชนิด H13 (156,000psi) และพื้นที่ทั้งหมดจะมีการเปลี่ยนสภาพอย่างถาวร จากงานวิจัยที่ขึ้นอภิปรายในงาน ET2016 การรีดชิ้นงานที่มีขนาดอลูมิเนียมที่ยาวขึ้นนั้นหัวรีดควรจะออกแบบอย่างระมัดระวัง เพื่อที่จะให้ได้ใช้งานในแรงดันที่สูงกว่า 100 ksi ซึ่งโดยปกติหัวรีดอลูมิเนียมจะผลิตมาจากเหล็กชนิด H13 เนื่องจากมีความต้านทานสูงและมีความเหนียมที่อุณหภูมิการรีดที่ค่อนข้างดี อย่างไรก็ตาม อีกทางเลือกหนึ่งในการเลือกวัสดุที่จะนำมาใช้ผลิตเป็นหัวรีดนั้น Tuff Temper ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อเหมาะสมกับการเดินเครื่องรีด เนื่องจากมีความเหนียวและทนทานต่อแรงต้านทาน และทนต่อการเกิดการแตกร้าวในการรีดที่อุณภูมิสูงได้ดี ถึงแม้ว่าการอุณหภูมิในการขึ้นรูปจะอยู่ที่ 48 HRC เท่ากันกับ H13 แต่ค่าความเหนียวจะมีมากกว่า และแรงที่ทำให้ H13 เสื่อมสภาพนั้นจะอยู่ที่ 10 ft-lb ในขณะที่ Tuff Temper จะอยู่ที่ 10 ft-lb

ความหนาของพื้นผิวของอลูมิเนียม

ปัญหาที่วงการอุตสาหกรรมเครื่องรีดพบกันอยู่เป็นประจำเมื่อใช้อลูมิเนียมที่มีความยาวมากขึ้น นั่นคือการจะออกแบบหัวรีดยังไงให้ใช้งานได้อย่างทรงประสิทธิภาพสูงสุด เน่องจากแรงดันจำเพาะที่ 120ksi  ลดลงถึง 30 ksi จากการขยายตัวที่มีผลต่อความดันเป็นสิ่งที่ยากที่จะทำให้เกิดเศษอลูมิเนียมติดอยู่ที่ไส้ในของเครื่องรีดได้ ถ้ามีเศษอลูมิเนียมติดที่ผนังของไส้ในเครื่องรีดมากเกินไปย่อมส่งผลเสียกับชิ้นงาน สำหรับเครื่องรีดที่ใช้อุณหภูมิที่ไม่สูงมากนัก อลูมิเนียมขนาด 10 นิ้วน่าจะเป็นคำตอบที่ดีกว่าขนาด 8 นิ้ว

การออกแบบเครื่องรีดสำหรับอลูมิเนียมที่มีขนาดยาว

เครื่องรีดภายใต้ความดันของการรีดจะเกิดขึ้นจากแรงดันภายในของเครื่องรีด และแรงดันของการรีดจะสูงสุดที่แรงดันเมื่อมีการเปลี่ยนรูปร่างของอลูมิเนียมและจะลดลงเมื่อวงจรของการรีดผ่านไปประมาณ 50% ความเค้นสูงที่สุดจะอยู่ใกล้ผิวภายในของไส้ในของเครื่องรีด จะต่ำสุดเมื่ออยู่ใกล้กับผิวด้านนอกของเครื่องรีด ดังรูปที่ 7 แสดงให้เห็นถึงความเค้นที่เกิดขึ้นกับผิวของไส้ใน หลักการง่ายๆสำหรับเครื่องรีด 1 ชิ้น จะมีค่าความดันจำเพาะที่ด้านหน้าของหัวรีด ปรมาณ 1.8 เท่า ในเครื่องรีดแบบ 2 ชิ้น 1.5 เท่าสำหรับเครื่องรีดแบบ 3 ชิ้น ดังนั้น เครื่องรีดแบบ 3 ชิ้นจึงแนะนำสำหรับเครื่องรีดที่มีค่าแรงดันค่อนข้างสูง

การเตรียมรีดอลูมิเนียม

ขนาดอลูมิเนียมทั้ง 8 และ นิ้ว อาจจะไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะปกติของการเตรียมรีด อย่างไรก็ตามในการเตรียมรีดนี้จะมีข้อจำกัดของผนังของไส้ในที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ การวิจัยการเตรียมรีดอลูมิเนียม

ขนาดอลูมิเนียมทั้ง 8 และ นิ้ว อาจจะไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะปกติของการเตรียมรีด อย่างไรก็ตามในการเตรียมรีดนี้จะมีข้อจำกัดของผนังของไส้ในที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ การวิจัยที่งาน ET2004 แสดงให้เห็นว่าการเตรียมรีดอลูมิเนียมในครั้งแรก ณ จุดกึ่งกลางของความยาวจะเกิดการเคลื่อนตัวย้อนกลับไปที่ก้านรีดถึงจะเคลื่อนตัวไปยังตำแหน่งแม่พิมพ์ ในตำแหน่งของการเตรียมรีดนี้ ระยะของอลูมิเนียมจะมีการเปลี่ยนแปลง 4.9 นิ้ว สำหรับ อลูมิเนียมขนาด 8 นิ้ว และเปลี่ยนแปลงไป 2.54 นิ้ว สำหรับอลูมิเนียมขนาด 10 นิ้ว ปริมาตรของอากาศจำเป็นต้องเอาออก 270 ถึง 250 ตารางนิ้ว การจะดึงอากาศออกนับเป็นสิ่งที่ยากมากในการรีดอลูมิเนียมที่มีขนาดยาว ถ้าจะให้ดีควรจะต้องมีการควบคุมการระบายอากาศหรือความดันของการระบายอากาศ สำหรับอลูมิเนียมที่มีขนาดยาวมาก การเตรียมรีดเป็นสิ่งทีทำยากมากในสภาวะที่จะเกิดการไหลเวียนอย่างสมบูรณ์ในตำแหน่งด้านหน้า

การไหลตัวของโลหะ

ผลกระทบต่อการออกแบบแม่พิมพ์ในกระบวนการรีดมีการวิจัยเรื่องความแตกต่างของการไหลระหว่างด้านนอกและตรงกลางของอลูมิเนียม เป็นจุดที่ผู้ออกแบบแม่พิมพ์จะต้องพิจารณาโดยเฉพาะ รูของแม่พิมพ์ port, pocket, Die Profiles ตลอดจน ผนังของไส้ในสำหรับการรีดงานบางจำพวกก็จะมีความแตกต่างในเรื่องการปรับสัดส่วนในการรีดอลูมิเนียมในแบบต่างๆ หากสามารถคาดการณ์ได้ว่าความแตกต่างคือเรื่องการไหลตัวระหว่าง อลูมิเนียมขนาด 56 นิ้ว กับ 35.8 นิ้ว ขนาดเส้นรอบวงที่ 8 นิ้ว จะมีการไหลตัวที่มากกว่าที่ทำให้ได้ชิ้นงานที่ดี

บทสรุป

อนุมานได้ว่า ถ้าเราสามารถรีดชิ้นงานภายใต้สภาวะที่ดีที่สุดอย่างสมบูรณ์ หมายความว่า ใช้อุณหภูมิของอลูมิเนียมที่ต่ำสุด เครื่องรีดจะรีดได้ดีมีตัวความดันจำเพาะที่หัวรีดสมเหตุสมผลและทำให้ได้ความเร็วในการรีดที่สูงสุด จะมีคุณภาพของชิ้นงานเป็นที่น่าพอใจ ในการปรับน้ำหนักของอลูมิเนียมนั้น อาจจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของอลูมิเนียมด้วยและต้องลดความเร็วในการรีดลงตามสัดส่วน ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับประเภทของผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะก่อให้เกิดประโยชน์ในการลดชิ้นงานที่เสีย เพิ่มกำลังการผลิต อย่างไรก็ตาม เหตุผลที่จะต้องเพิ่มน้ำหนักของอลูมิเนียมในปัจจุบันจะนิยมเพิ่มความยาวของอลูมิเนียมแทน ในการควบคุมการผลิตในแบบต่างๆ เช่นการออกแบบเครื่องรีด หัวรีด ก้านรีดสำหรับความดันจำเพาะที่สูง การเปลี่ยนแปลงขนาดตั้งแต่ด้านหน้าไปด้านหลัง อัตราส่วนของการไหลที่ไม่สมมาตร ข้อแนะนำ ให้พึงระวังถ้าหากจะต้องปฏิบัติตามข้อมูลชั้นต้น การคำนวณของเราใช้สูตรการคำนวณตามสภาวะการเดินเครื่อง ซึ่งในเอกสารแสดงให้เห็นว่าผละกระทบในการเพิ่มน้ำหนักของอลูมิเนียม และการเพิ่มความยาวนั้น เราแนะนำว่าควรจะเพิ่มน้ำหนักของอลูมิเนียมมากกว่าการเพิ่มขนาดความยาวขงออลูมิเนียม