การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC เป็นส่วนประกอบโลหะที่ขึ้นรูปครั้งแรกผ่านกระบวนการตีขึ้นรูป โดยใช้แรงอัดเพื่อจัดแนวโครงสร้างเกรน จากนั้นจึงตัดแต่งขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรโดยใช้อุปกรณ์ควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) เพื่อให้ได้พิกัดความเผื่อของขนาดที่แคบและรูปทรงพื้นผิวที่แม่นยำ ผลลัพธ์ที่ได้คือชิ้นส่วนที่ผสมผสานความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่าของการตีขึ้นรูปเข้ากับความแม่นยำด้านมิติของเครื่องจักร CNC โดยทั่วไปจะมีความคลาดเคลื่อน ±0.005 นิ้วหรือเข้มงวดกว่า ขึ้นอยู่กับการใช้งาน
กระบวนการสองขั้นตอนนี้เป็นเส้นทางการผลิตที่ต้องการสำหรับส่วนประกอบที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัยในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ น้ำมันและก๊าซ และอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ ตัวอย่างเช่น ก้านสูบปลอมแปลงและกลึงด้วยเครื่องจักร CNC สามารถทนต่อโหลดความล้าแบบเป็นรอบ ซึ่งจะทำให้ชิ้นส่วนหล่อหรือกลึงจากแท่งแตกหักได้ในเสี้ยวหนึ่งของอายุการใช้งาน หากคุณกำลังจัดหาชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC จะให้อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักและประสิทธิภาพต่อดอลลาร์ ซึ่งไม่มีทางเลือกอื่นในกระบวนการผลิตเดียวที่เทียบได้
การทำความเข้าใจกระบวนการทั้งหมดช่วยให้ผู้ซื้อสามารถกำหนดความคาดหวังที่สมจริงสำหรับระยะเวลารอคอยสินค้า ความคลาดเคลื่อน และคุณสมบัติของวัสดุได้ โดยทั่วไปเวิร์กโฟลว์จะเป็นไปตามขั้นตอนเหล่านี้:
ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญคือการตีขึ้นรูปก่อนการตัดเฉือน CNC โครงสร้างเกรนจะถูกล็อคในระหว่างการตี และขั้นตอนการตัดเฉือนจะดึงวัสดุออกจากพื้นผิวเท่านั้น ความแข็งแกร่งหลักของการตีขึ้นรูปไม่เคยถูกทำลายโดยกระบวนการ CNC
ความเหนือกว่าเชิงโครงสร้างของการตีขึ้นรูปไม่ได้เป็นทฤษฎี แต่สามารถวัดได้ การเสียรูปโดยแรงอัดของการตีขึ้นรูปจะปิดรูพรุนภายใน ปรับปรุงขนาดเกรน และปรับทิศทางการไหลของเกรนตามเส้นทางความเค้น ข้อมูลด้านล่างแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างโดยทั่วไประหว่างส่วนประกอบอะลูมิเนียมหล่อและอะลูมิเนียมหล่อของโลหะผสมที่เทียบเท่ากัน:
| คุณสมบัติ | ฟอร์จ (6061-T6) | หล่อ (A356-T6) | กลึงจากแท่ง (6061-T6) |
|---|---|---|---|
| แรงดึงสูงสุด | 310 เมกะปาสคาล | 228 เมกะปาสคาล | 290 เมกะปาสคาล |
| ความแข็งแรงของผลผลิต | 276 เมกะปาสคาล | 165 เมกะปาสคาล | 241 เมกะปาสคาล |
| ความเหนื่อยล้า (10รอบ) | ~97 เมกะปาสคาล | ~62 เมกะปาสคาล | ~96 เมกะปาสคาล |
| การยืดตัวที่จุดขาด | 17% | 5% | 12% |
| ความเสี่ยงจากความพรุนภายใน | เล็กน้อย | ปานกลางถึงสูง | ต่ำ |
ความแตกต่างของการยืดตัวมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานโหลดแบบไดนามิก: อลูมิเนียมฟอร์จยืดได้ 17% ก่อนแตกหัก เทียบกับการหล่อเพียง 5% . ความเหนียวนี้ดูดซับพลังงานกระแทกแทนที่จะแตกร้าวกะทันหัน ซึ่งเป็นความปลอดภัยที่สำคัญในชิ้นส่วนระบบกันสะเทือนของรถยนต์ โครงยึดเครื่องบิน และตัววาล์วแรงดัน
การเลือกใช้วัสดุสำหรับการตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการบริการ ความแข็งแรงที่ต้องการ ข้อจำกัดด้านน้ำหนัก และความต้องการด้านความต้านทานการกัดกร่อน วัสดุต่อไปนี้เป็นตัวแทนของงานตีขึ้นรูปและตัดเฉือนทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่:
เหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมเป็นวัสดุที่มีการปลอมแปลงอย่างกว้างขวางที่สุด เกรดทั่วไปได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง 1045 (อุตสาหกรรมทั่วไป), โครโมลี 4140 (เพลาและเกียร์ที่มีความแข็งแรงสูง) และนิกเกิล-โครโมลี 4340 (การใช้งานด้านการบินและอวกาศและการแข่งรถที่มีความต้านทานแรงดึงเกิน 1,800 เมกะปาสคาล ในสภาพดับและอารมณ์) การตีขึ้นรูปเหล็กกล้าไร้สนิม โดยเฉพาะ 17-4PH และ 316L เป็นมาตรฐานในตัววาล์วน้ำมันและแก๊ส และอุปกรณ์แปรรูปอาหาร
การตีขึ้นรูปอะลูมิเนียมมีส่วนสำคัญในส่วนประกอบโครงสร้างการบินและอวกาศและโครงการลดน้ำหนักของยานยนต์ โลหะผสมปี 2014, 2024, 6061 และ 7075 เป็นโลหะผสมที่มีการปลอมแปลงและกลึงขึ้นรูปบ่อยที่สุด การตีขึ้นรูป 7075-T73 มีความต้านทานแรงดึงที่ 503 MPa หรือประมาณหนึ่งในสามของน้ำหนักเหล็ก ทำให้เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับโครงลำตัวเครื่องบินและปีกเครื่องบิน
Ti-6Al-4V เป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่โดดเด่น ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในจานคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์ไอพ่น การปลูกถ่ายกระดูกและข้อ และส่วนประกอบโครงเครื่องบินทหาร การตีขึ้นรูปไทเทเนียมมีความท้าทายมากกว่าสำหรับเครื่องจักร CNC — เครื่องมือมีการสึกหรอสูงและความเร็วต่ำกว่า — แต่การผสมผสานระหว่าง ภูมิคุ้มกันต่อการกัดกร่อน ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเกินกว่าเหล็กส่วนใหญ่ ปรับต้นทุนการตัดเฉือนเพิ่มเติมให้เหมาะสม
Inconel 718 และ Waspaloy ได้รับการหล่อขึ้นสำหรับจานกังหัน ระบบไอเสีย และเครื่องมือเจาะใต้หลุมที่ต้องรักษาความแข็งแกร่งให้สูงกว่า 700°C (1,292°F) การตัดเฉือน CNC ของการตีขึ้นรูปนิกเกิลซูเปอร์อัลลอยต้องใช้เครื่องมือคาร์ไบด์หรือเซรามิก สารหล่อเย็นน้ำท่วม และลดอัตราป้อนลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการตัดเฉือนเหล็กกล้า
เหตุผลหลักประการหนึ่งที่ต้องเพิ่มการตัดเฉือน CNC ในการตีขึ้นรูปคือการควบคุมขนาด ชิ้นส่วนที่ถูกปลอมแปลงจะมีค่าเผื่อความคลาดเคลื่อนที่ค่อนข้างหลวม — โดยทั่วไป ±0.030 ถึง ±0.060 นิ้ว ขึ้นอยู่กับขนาดชิ้นส่วนและวัสดุ — เนื่องจากการสึกหรอของแม่พิมพ์ การเปลี่ยนแปลงการขยายตัวเนื่องจากความร้อน และการตัดขอบแบบแฟลช กระบวนการหลังการตัดเฉือน CNC นำเสนอคุณสมบัติที่สำคัญต่อพิกัดความเผื่อทางวิศวกรรม:
| ประเภทคุณสมบัติ | ความอดทนที่หลอมละลาย | หลังจากการกลึง CNC | การตกแต่งพื้นผิว (Ra) |
|---|---|---|---|
| เส้นผ่านศูนย์กลางรู | ±0.040 นิ้ว | ±0.0005 นิ้ว (พอดี H7) | 0.4–1.6 ไมโครเมตร |
| พื้นผิวการผสมพันธุ์เรียบ | ±0.030 นิ้ว | ±0.002 นิ้ว | 0.8–3.2 ไมโครเมตร |
| รูเกลียว | N/A (เจาะโพสต์ฟอร์จ) | ระดับความอดทน 6H | ต่อรูปแบบเธรด |
| ความยาว/ความกว้างโดยรวม | ±0.060 นิ้ว | ±0.005 นิ้ว | 1.6–6.3 ไมโครเมตร |
สำหรับรูแบริ่งและความพอดีที่แม่นยำ การเจียรหลังการกลึง CNC อาจทำให้ค่าความคลาดเคลื่อนของรูเจาะอยู่ที่ ±0.0002 นิ้ว ด้วยผิวสำเร็จ Ra 0.2 µm หรือดีกว่า ความแม่นยำระดับนี้เป็นสิ่งจำเป็นในการประกอบแบบหมุนของเครื่องยนต์ไอพ่นและส่วนประกอบของแอคชูเอเตอร์ไฮดรอลิก
การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงสูง ความแม่นยำของมิติ และความสมบูรณ์ของวัสดุ ทำให้การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC เป็นตัวเลือกเริ่มต้นในภาคส่วนที่มีความต้องการสูงหลายประการ:
ขายึดโครงสร้างเครื่องบิน ข้อต่อกั้น ส่วนประกอบล้อลงจอด และแท่นยึดเครื่องยนต์ในเครื่องบินเชิงพาณิชย์และทหารแทบทุกชิ้นล้วนใช้เครื่อง CNC ตีขึ้นรูป FAA และ EASA กำหนดให้มีการก่อสร้างปลอมแปลงสำหรับโครงสร้างการบินแบบรับน้ำหนักหลัก วัสดุทั่วไป ได้แก่ อะลูมิเนียม 7075, ไทเทเนียม Ti-6Al-4V และเหล็ก 4340 เครื่องบินลำตัวกว้างหนึ่งลำประกอบด้วย ส่วนประกอบโครงสร้างปลอมแปลงและเครื่องจักรมากกว่า 450 ชิ้น .
ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง ดุมล้อ สนับมือพวงมาลัย และแขนควบคุมระบบกันสะเทือนได้รับการหล่อหลอมและกลึงด้วยเครื่องจักร CNC สำหรับทั้งยานยนต์ที่ผลิตโดย OEM และการใช้งานด้านมอเตอร์สปอร์ต ทีม Formula 1 ใช้เสาเหล็กขึ้นรูปไทเทเนียมซึ่งกลึงให้มีความหนาไม่เกิน ±0.01 มม. ในยานพาหนะที่ใช้งานจริง การเปลี่ยนจากแบบหล่อเป็นแบบสนับมือหน้าแบบฟอร์จจะช่วยลดน้ำหนักลงได้ 15–25% ในขณะเดียวกันก็ช่วยยืดอายุความเมื่อยล้าได้สามเท่าขึ้นไป
ตัววาล์ว หน้าแปลน ข้อต่อท่อ และส่วนประกอบของหลุมผลิตเกือบทั้งหมดได้รับการปลอมแปลงและกลึงด้วยเครื่องจักร CNC เกือบทั้งหมด API 6A และ ASTM A182 ควบคุมส่วนเหล่านี้ส่วนใหญ่ การตีโลหะช่วยขจัดความเสี่ยงที่มีรูพรุนซึ่งอาจทำให้เกิดความล้มเหลวในการปิดผนึกด้วยแรงดันร้ายแรง ในหลุมผลิตขนาด 10,000 psi ช่องว่างหล่อที่ตรวจไม่พบคือความเสี่ยงจากการระเบิดซึ่งการป้องกันการปลอมแปลงโดยการออกแบบ
การปลูกถ่ายกระดูกและข้อ ได้แก่ ก้านสะโพก ถาดกระดูกหน้าแข้ง และกรงฟิวชั่นกระดูกสันหลัง ใช้การตีขึ้นรูปแบบไทเทเนียมและโคบอลต์-โครเมียม โดยใช้เครื่องจักร CNC เพื่อสร้างรูปทรงของรากฟันเทียมในขั้นสุดท้าย การปรับแต่งเกรนจากการตีจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความล้าในสภาพแวดล้อมการรับน้ำหนัก ซึ่งรากฟันเทียมมองเห็นรอบการโหลดหลายล้านครั้งต่อปี FDA 21 CFR ส่วนที่ 820 กำหนดให้มีการตรวจสอบย้อนกลับของวัสดุอย่างเต็มรูปแบบตั้งแต่บิลเล็ตไปจนถึงการปลูกถ่ายขั้นสุดท้าย
การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC มีราคาต่อหน่วยมากกว่าการหล่อหรือเทียบเท่าจากการตัดเฉือนจากแท่งในปริมาณต่ำ แต่การเปลี่ยนแปลงของต้นทุนจะเปลี่ยนไปอย่างมากตามขนาด การทำความเข้าใจปัจจัยขับเคลื่อนต้นทุนช่วยให้ผู้ซื้อตัดสินใจในการจัดหาโดยมีข้อมูลครบถ้วน:
ในปริมาณมาก ประสิทธิภาพการตีขึ้นรูปที่มีรูปร่างใกล้เคียงกันจะช่วยลดการสูญเสียวัสดุลงได้ เศษ 5–15% เทียบกับ 40–60% สำหรับการตัดเฉือนจากเหล็กแท่งตัน ซึ่งมากกว่าการชดเชยการลงทุนด้านแม่พิมพ์ และทำให้การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC เป็นตัวเลือกที่มีต้นทุนรวมต่ำที่สุดสำหรับการดำเนินการผลิตขนาดใหญ่
การได้รับข้อมูลจำเพาะที่ถูกต้องก่อนติดต่อซัพพลายเออร์โรงตีเหล็กและเครื่องจักรจะช่วยประหยัดเวลาและต้นทุนได้มาก แพ็คเกจข้อกำหนดที่สมบูรณ์ควรประกอบด้วย:
โดยทั่วไประยะเวลารอคอยสำหรับการตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC ใหม่จะดำเนินการ 10–20 สัปดาห์สำหรับบทความแรก (รวมถึงการผลิตแม่พิมพ์ การทดลองตีขึ้นรูป การตัดเฉือน และการตรวจสอบ) โดยสามารถดำเนินการตามคำสั่งผลิตซ้ำได้ภายใน 6-12 สัปดาห์ การมีส่วนร่วมกับซัพพลายเออร์การตีขึ้นรูปตั้งแต่เนิ่นๆ ในขั้นตอนการออกแบบ - ก่อนที่แบบร่างจะเสร็จสิ้น - มักจะช่วยลดต้นทุนแม่พิมพ์ลงได้ 20–30% ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพทางเรขาคณิตเพื่อให้สามารถลืมได้
สำหรับผู้ซื้อที่ประเมินตัวเลือกการผลิต การเปรียบเทียบต่อไปนี้จะให้ความกระจ่างว่าจุดใดที่การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน และจุดใดที่กระบวนการอื่นอาจมีความเหมาะสมมากกว่า:
| กระบวนการ | ความแข็งแกร่ง | ความแม่นยำมิติ | ค่าเครื่องมือ | ดีที่สุดสำหรับ |
|---|---|---|---|---|
| การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC | ยอดเยี่ยม | ยอดเยี่ยม | สูง | สูง-volume, safety-critical parts |
| การหล่อด้วยเครื่องจักร CNC | ปานกลาง | ดี | ปานกลาง | รูปทรงที่ซับซ้อน รับน้ำหนักปานกลาง |
| กลึงจากสต็อกบาร์ | ดี | ยอดเยี่ยม | ไม่มี | ต้นแบบ ปริมาณน้อย รูปทรงเรียบง่าย |
| สารเติมแต่งโลหะ (การพิมพ์ 3 มิติ) | ปานกลาง | ดี | ไม่มี–Moderate | เรขาคณิตภายในที่ซับซ้อนมาก ปริมาณต่ำ |
| การตัดเฉือนโลหะผง (PM) | ดี | ดี | สูง | สูง-volume near-net-shape parts |
ประเด็นสำคัญก็คือ การตีขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร CNC are unmatched when both strength and precision are mandatory . สำหรับต้นแบบที่มีปริมาณน้อยหรือรูปทรงภายในที่ซับซ้อน วัสดุสต็อกแท่งที่กลึงด้วยเครื่องจักรหรือการผลิตแบบเติมเนื้ออาจใช้งานได้จริงมากกว่า แต่เมื่อปริมาณเกินหลายร้อยชิ้นต่อปีและการใช้งานเกี่ยวข้องกับการรับน้ำหนักความเมื่อยล้า การกระแทก หรือการควบคุมแรงดัน เส้นทางการตีขึ้นรูปจึงกลายเป็นทั้งทางเลือกที่ปลอดภัยที่สุดและคุ้มค่าที่สุด