บรรยายโดย พอล ร็อบบิ้นส์ และ เคน เฉิน
หลักวิชาการ: บทบรรยายจะบอกถึงอิทธิพลของการออกแบบเครื่องรีด หลักทางกลศาสตร์ที่จะส่งผลต่อ ไส้ในของเครื่องรีด อายุการใช้งานของวัสดุในการรีด พื้นผิวของอลูมิเนียม และชิ้นงาน เพื่อจะให้ผู้ใช้งานได้เข้าใจถึงหลักของแบบของเครื่องรีดที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพ รวมถึงการให้ความร้อนภายในเครื่องรีด ทั้งนี้ บทความยังได้บอกถึงควรจะออกแบบเครื่องรีดอย่างไรให้เหมาะสมกับสภาพของเครื่องในแต่ละกิจการ ความเหมาะสม ตำแหน่งของเครื่องให้ความร้อน และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่รีด
บทนำ: ผลิตภัณฑ์ที่ได้คุณภาพจากการรีดอลูมิเนียมนั้นนอกจากจะขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องรีดที่มีความทนทานต่ออุณภูมิที่สูง แล้วยังเกี่ยวกับการออกแบบภายในของเครื่องรีดด้วย ก่อนการรีดในแต่ละครั้งควรจะมีการปรับอุณภูมิเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับอลูมิเนียมที่อบจนร้อนได้ที่และพร้อมสำหรับการรีด ทว่า หากปรับอุณภูมิให้สูงมากจนเกินไปจะส่งผลให้ชิ้นงานผิดรูป ไม่ได้มาตรฐาน และจะเป็นชิ้นงานที่ใช้ไม่ได้ จุดมุ่งหมายของอุตสาหกรรมเครื่องรีดคือการควบคุมอุณภูมิไส้ในเครื่องรีดที่คงที่สม่ำเสมอ โดยส่วนใหญ่ การส่งผ่านความร้อนของเครื่องรีดอลูมิเนียมนั้นจะส่งโดยตรงจากด้านหน้าแม่พิมพ์และพื้นผิวของไส้ในเครื่องรีด เพื่อให้ได้ความร้อนที่ทันท่วงที ดังนั้นการควบคุมอุณภูมิของความร้อน หรือการรักษาอุณภูมิภายในเครื่องรีดให้คงที่นั้นถือเป็นสิ่งที่ท้าทาย การที่ไม่สามารถรักษาอุณภูมิให้คงที่สม่ำเสมอได้นั้น ส่งผลกระทบเป็นอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นพื้นผิวสัมผัสของผลิตภัณฑ์ การสึกหรอของไส้ในเครื่องรีด และที่สำคัญที่สุดอาจทำให้ตำแหน่งของเครื่องไม้เครื่องมือต่างๆภายใน อยู่ในที่ที่ไม่เหมาะสม และแน่นอนที่สุดย่อมนำมาซึ่งผลเสียมากกว่าดี นอกจากความท้าทายในเรื่องอุณภูมิแล้ว อีกปัจจัยที่สำคัญไม่น้อยไปกว่ากันก็คือ วัสดุที่นำมาใช้ผลิตตัวเครื่องรีด มีความจำเป็นและสำคัญ เพราะตัวเครื่องรีด นอกจากจำนำความร้อนและถ่ายเทความร้อนได้ดีแล้ว ยังต้องรักษาอุณภูมิให้คงที่นานที่สุด พิจารณาได้จากปัจจัยดังต่อไปนี้
การควบคุมอุณภูมิของเครื่องรีดเพื่อเพิ่มผลผลิต
ยกตัวอย่างเช่น เครื่องรีดและแม่พิมพ์มีความร้อนที่คงที่ ความร้อนของอลูมิเนียม A เพิ่มขึ้นระหว่างที่กำลังเปลี่ยนแปลงรูปร่าง B ความร้อนจะเกิดขึ้นจากบริเวณที่มีพื้นผิวสัมผัส ความร้อนที่เพิ่มขึ้นจากการเพิ่มความเร็วในการผลิต ซึ่งยิ่งความเร็วมากขึ้นเท่าใดความร้อนก็เพิ่มมากขึ้นเท่านั้น การสูญเสียความร้อน C เกิดขึ้นระหว่างการกระจายตัวของความร้อนระหว่างการรีด สูตรคิดได้ดังนี้ (A+B) – C ความร้อนของเครื่องรีดจะมีการถ่ายเทขึ้นอยู่กับชนิดของอลูมิเนียมที่นำมารีด ความสมดุลของอุณภูมิอ้างอิงจากภาพที่ 1 ซึ่งความสามารถในการถ่ายเทความร้อนและความคงที่ของกระบวนการรีด เครื่องรีดที่มีการถ่ายเทความร้อนได้ทรงประสิทธิภายมากเท่าไหร่ ประสิทธิภายในกระบวนการรีดก็จะมีมากขึ้นเท่านั้น ที่จริงแล้วเครื่องรีดอลูมิเนียมที่มีการถ่ายเทความร้อน และควบคุมอุณภูมิในตัวถือเป็นสิ่งที่จำเป็นยิ่ง เพื่อเพิ่มผลผลิตที่สูงขึ้น โดยการออกแบบในการถ่ายเทความร้อนสามารถทำได้โดยออกแบบโดยใช้ด้านนอกของเครื่องรีดซึ่งจะดีกว่าการออกแบบการถ่ายเทความร้อนบริเวณไส้ในของเครื่องรีดเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนแบบติดไส้ในทั้งแนวนอนและแนวตั้งนั้นการที่จะถ่ายเทความร้อนออกจากเครื่องรีดต้องออกได้เพียงแนวนอนเท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบเครื่องรีดให้มีการถ่ายเทความร้อนจากด้านนอกของตัวเครื่องรีด ซึ่งจะสามารถถ่ายเทความร้อนออกจากเครื่องรีดได้ทั้งแนวตั้งและแนวนอน ทั้งนี้การถ่ายเทความร้อนออกจากด้านนอกของเครื่องรีดนี้ยังควบคุมด้วยแผงวงจรที่ทรงประสิทธิภาพเพื่อการทำงานได้อย่างดีเยี่ยม
เครื่องรีดที่มีการออกแบบให้เป็นทั้งแบบ 2 ชิ้น และ 3 ชิ้น
โดยส่วนมากเครื่องรีดที่มีแรงดันไม่มากนัก โดยแรงดันที่ใช้ในการรีดอยู่ที่ประมาณ 690 MPa (100 ksi) หรืออลูมิเนียมที่นำมาใช้รีดจะอยู่ในตระกูล 6xxx จะออกแบบเครื่องรีดที่มีส่วนประกอบเพียงแค่ตัวเครื่องรีดและไส้ใน หรือที่เรียกว่า เครื่องรีดชนิด 2 ชิ้น สำหรับเครื่องรีดที่ใช้แรงดันที่ค่อนข้างสูง แนะนำให้ใช้เครื่องรีดที่ประกอบด้วย 3 ชิ้นส่วน คือ Body ส่วนรองรับไส้ใน และไส้ใน และเหมาะกับอลูมิเนียมในตระกูล 1xxx และ 3xxx เพื่อให้การรีดเป็นไปอย่างยามนานและทรงประสิทธิภาพ นับเป็นสิ่งสำคัญที่จะเพิ่มช่องว่างระหว่างหัวรีดและไส้ในเพียงเล็กน้อย ทั้งนี้เพื่อเผื่อช่องว่างให้หัวรีดได้ขยายตัว เพื่อจะให้มั่นใจว่าช่องว่างระหว่างไส้ในเครื่องรีดและหัวรีดได้รับการควบคุมนั้น เครื่องรีดแบบ 3 ชิ้นถือเป็นคำตอบเพราะตัวรองไส้ในจะรองรับการขายตัวของไส้ในเมื่อรีดไปในระยะเวลานาน เครื่องที่เหมาะสำหรับเครื่องรีดแบบ 3 ชิ้น เหมาะสมกับเครื่องรีดที่มีขนาดยาว โดยปกติแล้วเครื่องรีดทั้งแบบ 2 ชิ้นและ 3 ชิ้น ควรจะมีจุดที่ใช้ในการควบคุมอุณภูมิ 4 จุด คือ ทางเข้าของอลูมิเนียม ทั้งบนและล่าง และทางออกของอลูมิเนียมไปยังแม่พิมพ์ทั้งบนและล่าง ทั้งนี้เพื่อการควบคุมอุณภูมิให้ได้ตามความเหมาะสม เครื่องรีด แบบ 3 ชิ้น สามารถลดความเสียดสีของอลูมิเนียมกับไส้ในของเครื่องรีดได้ดีขึ้นและยังเพิ่มอายุการใช้งานของไส้ในและหัวรีดในเครื่องรีดที่มีแรงดันสูงและเครื่องรีดที่มีขนาดที่ค่อนข้างยาว
การกระจายความร้อนระหว่างการรีดอลูมิเนียม
โดยปกติแล้วการกระจายความร้อนภายในเครื่องรีดจะเกิดขึ้นบริเวณตามแนวนอนของเครื่องรีดบริวเณทางเข้าของอลูมิเนียมด้านหน้าของเครื่องรีด ดังจากภาพประกอบที่ 1 แล้วความร้อนก็กระจายตัวจากบริเวณนั้นไปยังทางออกไปยังแม่พิมพ์ ถ้าหากว่าเครื่องรีดไม่มีการควบคุมการกระจายความร้อนที่ดีแล้วอาจก่อให้เกิดผลเสียตามมาอีกมาก
แรงอัดภายในเครื่องรีด
เหล็กชนิด 4340 มีค่าความแข็งที่ค่อนข้างสูงกว่าเหล็กชนิดอื่น เมื่อเปรียบเทียบกับ 1.2343 หรือ 1.2344 ดังนั้นจึงนิยมนำเหล็กชนิดนี้มาทำเป็นตัวของเครื่องรีด ด้วยการชุบแข็งที่ 35 hrc เหล็กจึงมีความเหนียว ยืดหยุ่นที่ประมาณ 110j ที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่ H-1.2344 (H13) จะมีค่าความแข็งที่อุณภูมิห้อง ที่ 24j ด้วยค่าความแข็งที่มากขนาดนี้ปัญหาที่เหล็กจะแตกระหว่างที่ผลิตขึ้นรูปหรือตอนที่ผลิตชิ้นงานจึงเป็นไปได้ยากมาก ยิ่งไปกว่านี้ ค่านำพาความแตกร้าวอ้างอิงได้ดังนี้ เหล็กชนิด H13 จะมีค่าอยู่ที่ 10 -5 mm/ต่อรอบ ระหว่างที่ 4340 มีค่าอยู่ที่ 10 -6 mm/ต่อรอบ จะเห็นได้ว่า เหล็กชนิด 4340 จะมีค่านำพาความแตกร้าวช้ากว่าถึง 10 เท่า หรือกล่าวได้ว่า วงจรที่จะทำให้เหล็กแตกร้าวหนึ่งรอบในเหล็กชนิด H13 วนไปถึง 10 รอบถึงจะเกิดขึ้นกับ เหล็กชนิด 4340 ทั้งนี้ ค่าความทนทานของเหล็กชนิด 4340 จะอยู่ที่ 795Mpa ในขณะที่ H13 จะมีค่าอยู่เพียง 350 MPa ดังนี้จึงสามารถกล่าวได้ว่า เหล็กชนิด 4340 จึงมีความเหมาะสมเป็นอย่างยิ่งที่จะมาผลิตเป็นตัวของเครื่องรีดอลูมิเนียม ด้วยคุณสมบัติที่เหนือกว่า ความทนทานที่มีมากกว่า มีข้อได้เปรียบในด้านการเพิ่มอุณภูมิในการเพิ่มกำลังการผลิตให้สูงขึ้นได้มากที่สุดที่ 42 W/m.oK เมื่อเทียบกับ H13 ค่าจะอยู่ที่ 24 W/m.oK ที่สำคัญคือเหล็กชนิด 4340 มีคุณสมบัติที่ยืดหยุ่นถ้าหากว่าเราเพิ่มอุณภูมิในเครื่อง และยังมีการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า
ผลกระทบที่เกิดจากอุณภูมิที่เกิดขึ้นภายในไส้ในเครื่องรีดในระหว่างปฏิบัติการ
ในระหว่างการรีดอลูมิเนียมความดันอุทกสถิตย์จะอยู่ที่มุมประชิดของหัวรีด กระทบกับอลูมิเนียมที่รีด ระหว่างการรีดอลูมิเนียมจะขายายตัวตามอุณภูมิที่หล่อเลี้ยงในเครื่องรีด ไม่เพียงแต่อลูมิเนียมเท่านั้นที่จะขยายตัวแต่ไส้ในของเครื่องรีดเองก็จะขยายตัวด้วยเช่นกัน ดังภาพที่ 6 ไส้ในจะขยายตัวประมาณ 1.5 มิลลิเมตร จากการเริ่มรีด มุมประชิดของหัวรีดจะอยู่ที่ 1.25 มิลลิเมตร จะเห็นว่าการขยายตัวเกิดขึ้นบริเวณแม่พิมพ์ และทำให้เกิดช่องว่างระหว่างไส้ในเครื่องรีดกับหัวรีด
