ทฤษฎีการตัดโลหะแผ่น

                ขบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่นเพื่อทำเป็นสินค้าสำเร็จรูปนั้นจะมีขบวนการที่ใช้อยู่สามขบวนการคือการตัด (Cutting) การดัดงอ (Forming) และการลากขึ้นรูป (Drawing)  ขบวนการเหล่านี้จะเรียกรวมๆ กันไปว่าการขึ้นรูปโดยการกดกระแทก(Stamping)  การปั๊มชิ้นงานขึ้นรูป (Press working)  การปั๊มชิ้นงานโดยการใช้พั้นช์ (Punch press working)  ซึ่งขบวนการตัดเป็นขบวนการที่ง่ายที่สุดและได้ถูกทำขึ้นมาก่อนเพื่อนำเอาชิ้นงานที่ได้ไปทำในขบวนการอื่นต่อไป

                การตัดโลหะโดยการใช้แท่งพั้นช์ (Punch) และแท่งดาย (die) นั้น  แผ่นชิ้นงานจะถูกตัดด้วยคมตัดสองอย่างคือ  จะถูกตัดด้วยคมตัดของพั้นช์ซึ่งเป็นขอบคมตัดใน (inner cutting edge) แคะคมตัดของดายซึ่งเป็นขอบคมตัดนอก (outer cutting edge) ระหว่างของคมตัดในและขอบคมตัดนอกจะมีช่องว่างเล็กๆ เกิดขึ้น  ซึ่งเรียกช่องว่างนี้ว่าช่องว่างระหว่างพั้นช์และดาย (clearance) หรือเรียกสั้นๆ ว่า  ช่องว่าง

รูปที่ 1.1  รูปแบบของการตัดโลหะแผ่นด้วยพั้นช์และดาย

การวิเคราะห์การตัด

            ในการตัดโลหะแผ่น  แรงที่ให้แก่แท่งพั้นช์ (Punch steel) และแท่งดาย (Die steel) เพื่อใช้ในการตัดโลหะเรียกว่า เเรงเฉือน (Shear force) แรงนี้จะมีขนาดเท่ากันและอยู่ตรงข้ามกันโดยมีช่องว่างเล็กๆ อยู่ขั้นกลางระหว่างแรงทั้งสอง  ดังแสดงในรูปที่ 1.2  เมื่อมีแรงมากระทำต่อโลหะจะทำให้เกิดความเค้นเฉือน(Shear stress) เกิดขึ้นบนโลหะแผ่น  แต่ในโลหะแผ่นจะมีแรงต้านแรงเฉือนเกิดขึ้นเรียกว่า ความแข็งแรงเฉือน (Shear strength) ถ้าให้แรงเฉือนมีขนาดมากพอที่จะทำให้เกิดความเค้นเฉือนมากกว่าความแข็งแรงเฉือนของโลหะนั้นก็จะทำให้โลหะแผ่นขาดออกจากกัน

รูปที่ 1.2  แรงเฉือน

ขั้นตอนของการตัด

            ขั้นตอนของการตัดโลหะแผ่นจะเริ่มต้นเมื่อแท่งพั้นช์กดลงมาสัมผัสกับผิวหน้าของแผ่นชิ้นงานจนกระทั่งเกิดการฉีดขาดที่แผ่นชิ้นงานอย่างสมบูรณ์  ตัวอย่างในการทดลองตัดจะใช้วัสดุโลหะแผ่นหนา 9.5 มม.  ทำจากเหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำ รีดร้อน  มีสเกลเกิดขึ้นที่ผิวหน้าทั้งสองด้าน  โดยแท่งพั้นช์จะเริ่มต้นกดแผ่นชิ้นงานลงมาเป็นระยะๆ ดังรูปที่ 1.3

รูปที่ 1.3  การขยายระยะกินลึก 0.25 มม. (200 x)

รูปร่างของหน้าตัดที่เกิดขึ้น

            เมื่อนำเอาเหล็กกล้ามาตัดบนดายโดยการใช้ช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายน้อยกว่าความหนาของแผ่นชิ้นงาน  ดังแสดงในรูปที่ 1.9  จะเกิดลักษณะบนหน้าตัดที่ถูกตัดขาดแล้วได้ 4 ส่วนคือ

           1.  ส่วนที่เกิดโค้งมน (roll over)  ส่วนนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแท่งพั้นช์กดชิ้นงานให้ไหลตัวลงไปในช่องว่างของพั้นช์และดายทำให้มีรูปร่างคล้ายกับก้นจาน  การเกิดโค้งมนจะมีมากขึ้นถ้าใช้ช่องว่างของพั้นช์และดายมากและโลหะที่นำมาตัดนั้นเป็นโลหะอ่อน

            2.  ส่วนหน้าตัดเฉือน (burnish)  เป็นส่วนที่เกิดขึ้นหลังจากแท่งพั้นช์ถูกกดกินลึกลงไปในเนื้อของโลหะระยะหนึ่งแล้วก็จะเกิดการตัดเฉือนชิ้นงานในแนวดิ่ง  ทำให้เกิดการขัดถูระหว่างขอบคมตัดของพั้นช์และเนื้อของโลหะที่ถูกตัด  ส่วนที่ถูกตัดตรงบริเวณพื้นที่นี้จะมีลักษณะเป็นมันแววและแนวที่ถูกตัดจะได้ฉากกับผิวหน้าของแผ่นชิ้นงาน

                หน้าตัดเฉือนเป็นส่วนที่สำคัญมากเพราะขนาดและความเที่ยงตรงของผลผลิตจะถูกกำหนดไว้ที่ส่วนนี้  สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างความสูงของหน้าตัดเฉือนและช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายมีดังนี้คือ  ถ้าใช้ขนาดของช่องว่างมากจะทำให้ความสูงของหน้าตัดเฉือนน้อยลง  เพราะแทนที่แผ่นชิ้นงานจะถูกพั้นช์ตัดขาดกลับกลายเป็นส่วนที่เปรียบเหมือนถูกดึงขาดมาก  แต่ถ้าใช้ขนาดของช่องว่างน้อยจะได้ความสูงของหน้าตัดเฉือนมากขึ้นและพื้นที่ที่ถูกตัดจะดูแลสวยงาม  ซึ่งความสัมพันธ์ดังกล่าวจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อกำหนดให้ใช้ขนาดช่องว่างเท่ากับ 8 เปอร์เซ็นต์ของความหนาของแผ่นชิ้นงาน

            3.  ส่วนที่เกิดรอบแตก (fracture)  เป็นส่วนที่เกิดหลังจากมีการตัดเฉือนของพั้นช์บนแผ่นชิ้นงานแล้ว  แรงที่ใช้บนแท่งพั้นช์จะทำให้เกิดความเค้นดึงสูงกว่าความแข็งแรงสูงสุดของโลหะนั้นจึงทำให้เกิดการแตกขึ้น  การแตกจะเกิดขึ้นในลักษณะถูกดึงขาด  ดังนั้นรูปร่างของรอยแตกจึงมีรูปร่างขรุขระไม่เป็นระเบียบ  ความสัมพันธ์ของรอยแตกที่เกิดขึ้นและขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายนั้นจะแตกต่างกับความสัมพันธ์ในส่วนอื่นๆ ในกรณีที่ใช้ขนาดของช่องว่างน้อยกว่า 10% ของความหมายของแผ่นชิ้นงานจะ ทำให้ความกว้างของรอยแตกเล็กลงตามลำดับ  แต่ถ้าใช้ขนาดของช่องว่างมากกว่า 10 ถึง 25 % เกือบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่รอยแตก  แต่ถ้าขนาดของช่องว่างที่ใช้มากกว่า 25 % จะทำให้ความกว้างของรอยแตกเพิ่มขึ้นอีก  และถ้าใช้ขนาดของช่องว่างมากมุมที่รอยแตกกระทำกับพื้นผิวของแผ่นชิ้นงานก็จะยิ่งโตขึ้น  ดังนั้นจึงควรกำหนดขนาดของช่องว่างที่ใช้ให้เหมาะสมสำหรับงานนั้นๆ

                4.  ส่วนที่เกิดรอยขรุขระ (burr)  ที่ผิวหน้าแผ่นชิ้นงาน  ส่วนนี้เกิดจากขอบคมตัดที่แท่งพั้นช์และแท่งดายทื่อ  ซึ่งในการตัดโลหะแผ่นด้วยดายจะต้องมีเกิดขึ้น  ถ้าขอบคมตัดทื่อมากจะเกิดรอยขรุขระสูงมาก  โลหะอ่อนจะเกิดรอยขรุขระสูงมาก  นอกจากนั้นรอยขรุขระยังมีส่วนสัมพันธ์กับช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายอีกด้วย  ซึ่งถ้ากำหนดให้ขนาดของช่องว่างมากกว่า 18 % ของความหนาของแผ่นชิ้นงานแล้วรอยขรุขระจะเกิดมากขึ้นตามลำดับ  การทำรอยขรุขระให้มีค่าความสูงประมาณ 0.025 มม.  อยู่คงที่นั้นเป็นสิ่งที่ทำได้ยากเพราะว่าจะต้องคอยลับคมตัดอยู่เสมอ

รูปที่ 1.4  รูปร่างหน้าตัดเฉือน

ระยะกินลึก (Penetration)

                ระยะกินลึกหมายถึงระยะที่ขอบคมตัดของแท่งพั้นช์และแท่งดายกดกินลึกลงไปในเนื้อโลหะจนกระทั่งรอบแตกเริ่มปรากฏขึ้น  ระยะกินลึกหาได้จากระยะความสูงของหน้าตัดเฉือนรวมกับระยะความสูงของส่วนโค้งมน  ระยะกินลึกนั้นตามปกติจะพูดันในหน่วยเปอร์เซ็นต์ของความหนาของโลหะแผ่นที่ถูกตัด  ดังนั้นจึงมักจะเรียกเทอมนี้ว่าเปอร์เซ็นต์ระยะกินลึก (Percent penetration) เปอร์เซ็นต์ระยะกินลึกของโลหะชนิดต่างๆ ได้แสดงไว้ในรูปที่ 1.10  โลหะแผ่นที่มีความแข็งจะมีเปอร์เซ็นต์ระยะกินเล็กน้อย  ดังนั้นโลหะแข็งจะมีระยะโค้งมนและระยะหน้าตัดเฉือนน้อย

                การเปรียบเทียบระยะกินลึกของโลหะสองชนิดทำได้โดยดูจากระยะหน้าตัดเฉือนของโลหะนั้นหรืออาจทำได้โดยการวัดความแข็ง (Hardness) ของมัน  ในกรณีที่เป็นโลหะชนิดเดียวกันถูกนำมาตัด  โลหะที่มีความหนากว่าต้องการระยะกินลึกมากกว่าโลหะที่บาง

รูปที่ 1.5  ระยะกินลึก

ผลที่เกิดขึ้นเนื่องจากตัวแปรที่เกี่ยวกับช่องว่างระหว่างพั้นช์และดาย

                ช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายมีผลต่อการตัดโลหะแผ่นบนดายมาก  ถ้าเลือกใช้ขนาดของช่องว่างไม่ถูกต้องจะมีผลทำให้การผลิตชิ้นงานออกมาไม่ได้ขนาดตามที่ต้องการ  หรืออาจทำให้แท่งพั้นช์และแท่งดายที่ใช้ทื่อเร็วกว่าปกติ  ขนาดของช่องว่างระหว่างพันช์และดายมักจะเรียกกันในหน่วยเปอร์เซ็นต์ของความหนาของโลหะแผ่นที่นำมาตัด  ถ้าใช้ขนาดของช่องว่าง 10 ถึง 15 % จะได้ผลเกิดขึ้นที่ของรอยตัด  ดังแสดงในรูปที่ 1.4

                ในรูปที่ 1.6 จะเห็นได้ว่าเมื่อแท่งพั้นช์กดลงมารอยแตกจะยิ่งโตขึ้น  ต่อมารอยแตกที่เกิดขึ้นขอบคมตัดของพั้นช์และดายจะมาบรรจบกันทำให้ขบวนการตัดเสร็จสิ้นสมบูรณ์  รอยแตกที่เกิดขึ้นจะทำมุม θ  กับทิศทางกดลงของพั้นช์  จุดเริ่มต้นของรอยแตกทั้งสองข้างมีระยะห่างเท่ากับขนาดของช่องว่างที่ใช้  ถ้าพั้นช์และดายมีช่องว่างเหมาะสมตามคุณสมบัติและความหนาของโลหะแผ่นแล้ว  รอยแตกทั้งสองด้านจะมาบรรจบกันพอดีที่ทำให้เกิดแรงต้านทานของชิ้นงานเกิดขึ้นน้อยที่สุด

รูปที่ 1.6 ทิศทางขอแรงฉีกขาด

                เนื่องจากทิศทางของรอบแตกซึ่งขยายตัวโตขึ้นมีทิศทางมุ่งไปยังคงตัดตรงกันข้าม  ฉะนั้นรอยแตกจะมาบรรจบกันพอดีหรือไม่นั้นย่อมขึ้นอยู่กับว่าขนาดของช่องว่างที่ใช้นั้นมีมากน้อยเพียงใด  กล่าวคือถ้าขนาดของช่องว่างน้อยเกินไปรอยแตกจะเยื้องกัน  ดังรูปที่ 1.8  ซึ่งจะมีรอยตัดเฉือนที่สอง (Secondary shear) เกิดขึ้น  ทำให้ผิวหน้าเฉือนไม่สวย  ถ้าขนาดของช่องว่างมากเกินไปรอยแตกจะไม่บรรจบกันที่ตำแหน่งพอเหมาะ  ทำให้ผิวหน้าเฉือนไม่สวยและจะเกิดส่วนโค้งมนและส่วนขรุขระขึ้นมากด้วย

รูปที่ 1.7  รอยตัดเฉือนที่สอง

รูปที่ 1.8  ลักษณะของรอยตัดเฉือนแบบต่างๆ ตามขนาดของช่องว่างที่ใช้

(ก)  ขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายน้อย

(ข)  ขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายมาก

                                                                           (ค)  ขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายที่เหมาะสม

การเลือกขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดาย

                การเลือกขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายที่จะใช้ย่อมขึ้นอยู่กับผลสุดท้ายที่ต้องการจะได้รับ  การใช้ขนาดของช่องว่างมากกว่า 15 % ทำให้ไม่ต้องคำนึงถึงแนวศูนย์กลาง (alignment) ของเครื่องปั๊มโลหะกับดายมากนัก  และมีโอกาสน้อยมากที่ขอบคมตัดของพั้นช์และดายจะมากระทบกัน  แต่อย่างไรก็ตามการเกิดส่วนโค้งมนมากอาจจะไม่เป็นที่ต้องการก็ได้

                การใช้ขนาดของช่องว่างน้อยกว่า 10 % นั้นได้ถูกใช้เพื่อทำให้เกิดรอยตัดเฉือนที่สองขึ้นมา  เพื่อต้องการให้ได้รับขอบที่เต็มของชิ้นงานที่ถูกตัด  การใช้ขนาดของช่องว่างที่น้อยจะเป็นสาเหตุทำให้ขอบคมตัดของพั้นช์และดายสึกหรออย่างมากเนื่องจากต้องตัดเฉือนขอบของชิ้นงานมากขึ้น  และโลหะที่ถูกตัดจะไปติดอยู่ที่แท่งพั้นช์และดายจึงต้องเพิ่มแรงผลักดันชิ้นส่วนที่หลุดออกมาจากการตัดให้หลุดออกไปจากรูของแท่งดาย  โดยต้องใช้แรงดันแผ่นชิ้นงานให้หลุดออก (Stripping force) อย่างมากเพื่อดันเอาแผ่นชิ้นงานออกจากแท่งพั้นช์

                การใช้ขนาดของช่องว่างที่เหมาะสม (Proper clearance) จะทำให้ได้ขอยของชิ้นงานที่ถูกตัดสะอาดและได้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนตัดเฉือนตามที่ระบุไว้ในพิมพ์เขียว  นอกจากนั้นยังไม่เกิดความยุ่งยากในการตัดชิ้นงานบนดาย

                ขนาดของช่องว่างที่เหมาะสมหมายถึงขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายที่กำหนดขึ้นมาใช้  โดยที่มีการเกิดส่วนโค้งมนที่ขอบของชิ้นงานเกิดขึ้นน้อยที่สุดและไม่มีรอยตัดเฉือนที่สองเกิดขึ้น  การหาขนาดของช่องว่างเหมาะสมทำได้โดยวิธีการลองผิดลองถูก  ไม่มีสูตรหรือตารางกำหนดขนาดของช่องว่างที่แน่นอนขึ้นมาใช้

                หลักการทั่วๆ ไปในการกำหนดขนาดของช่องว่างระหว่างพั้นช์และดายที่เหมาะสม  มีดังต่อไปนี้

                1.  โลหะหนาต้องการขนาดของช่องว่างมาก

                2.  โลหะอ่อนต้องการขนาดของช่องว่างมาก

                3.  โลหะแข็งจะมีขนาดของช่องว่างประมาณ 6 ถึง 10 % ของความหนาของชิ้นงาน

                4.  โลหะอ่อนจะมีขนาดของช่องว่างประมาณ 10 ถึง 18 % ของความหนาของชิ้นงาน

                5.  โลหะแข็งจะเกิดส่วนโค้งมนและส่วนรอยตัดเฉือนน้อย

                6.  โลหะหนาจะเกิดส่วนโค้งมนมาก

                7.   โลหะอ่อนจะมีมุมของการแตกมาก

การกระเด้งตัวกลับและการเชื่อมแบบเย็นตัว (Spring back and Cold welding)

            หลังจากที่เกิดรอยแตกระหว่างการตัดโลหะแผ่นแล้ว  ชิ้นส่วนที่ถูกตัดยังไม่หลุดออกมาเป็นอิสระทันที  มันจะเกิดการยึดตัวเข้ากับขอบของรอยแตกอีกด้านหนึ่งทำให้เกิดการเชื่อมติดเข้าด้วยกัน  ที่เป็นเช่นนี้เนื่องมาจากการใช้แรงกดอัดอย่างสูง  ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มแรงเข้าไปที่แท่งพั้นช์อีกเพื่อผลักชิ้นส่วนที่ติดอยู่ให้หลุดออก  แต่แรงที่เพิ่มเข้าไปนี้น้อยมากเมื่อนำมาเปรียบเทียบกับแรงที่ใช้ตัดจึงไม่จำเป็นต้องคำนวณหา  ลักษณะของการเชื่อมแบบเย็นตัวจะเกิดขึ้นเมื่อทำการตัดโลหะอ่อน

                ในขณะที่ตัดโลหะด้วยดาย  เกรนของโลหะบางส่วนจะเกิดความเค้นต่ำกว่าจุดยืดหยุ่นจำกัด  ดังนั้นเมื่อขบวนการตัดเสร็จสิ้นแล้วเกรนเหล่านี้จะกระเด้งตัวกลับ (Spring back) เข้าสู่รูปเดิม  การกระเด้งตัวกลับของโลหะจะทำให้รูที่เกิดจากการตัดมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง  และรูนั้นจะไปยึดติดแน่นอยู่กับแท่งพั้นช์  เช่นเดียวกันชิ้นส่วนที่ถูกตัดออกมาก็จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้น  ทำให้ชิ้นส่วนนั้นไปยึดติดแน่นอยู่กับรูของดาย  ซึ่งบ่อยครั้งจะเกิดลักษณะการเชื่อมแบบเย็นตัวขึ้นตรงบริเวณพื้นที่ของส่วนหน้าตัดเฉือนกับผนังของแท่งพั้นช์และดาย  ดังแสดงในรูปที่ 1.9  ลักษณะของการกระเด้งตัวกลับและการเชื่อมแบบเย็นตัวจะเกิดขึ้นได้ง่าย

รูปที่ 1.9  ชิ้นส่วนที่ถูกตัดออกมาจะต้องถูกดันออกและแท่งพั้นช์ต้องถูกดึงออกด้วย

                การที่จะให้ชิ้นส่วนที่ติดอยู่กับผนังของแท่งดายหลุดออกมาทำได้โดยการกดแท่งพั้นช์ให้เคลื่อนที่ลงมาผลักชิ้นส่วนนั้นให้หลุดไป  และที่รูของดายนั้นจะต้องทำให้ปากด้านล่างของแท่งดายผายออกเพื่อที่จะทำให้ชิ้นส่วนนั้นหลุดออกมาได้ทันทีที่แท่งพั้นช์เคลื่อนตัวลงมาเล็กน้อย  หรืออาจจะทำโดยการเคลื่อนที่แท่งดายขึ้นไปหาก็ได้

                การที่จะให้แผ่นชิ้นงานที่เป็นรูหลุดออกจากผนังของแท่งพั้นช์  ทำได้โดยการใช้แผ่นดัน (Stripper) ชิ้นงานนำไปติดไว้ใกล้กับตำแหน่งของแผ่นชิ้นงานที่จะดันออก  เมื่อแท่งพั้นช์ดึงตัวเองขึ้นก็จะยกแผ่นชิ้นงานติดขึ้นมาด้วย  เมื่อได้ระยะที่ตั้งไว้แผ่นชิ้นงานก็จะถูกแผ่นดันดันชิ้นงานให้หลุดออกจากแท่งพั้นช์  ดังแสดงในรูปที่ 1.10

รูปที่ 1.10  การใช้งานของแผ่นดันโลหะแผ่น

รูปแบบของการสึกหรอ (Typical wear)

            ทั้งแท่งพั้นช์และดายจะเกิดการสึกหรอที่ขอบคมตัดในลักษณะเดียวกัน  ดังแสดงไว้ในรูปที่ 1.11

                การสึกหรอลักษณะเป็นหลุม (crater) และการสึกหรอที่มุมขอบตัดจะถูกกำจัดออกโดยวิธีการนำเอาแท่งพั้นช์และดายไปลับใหม่บ่อยๆ ครั้ง  การลับทำได้โดยการเจียระไนผิวหน้าของแท่งพั้นช์และดายในแนวระดับออกไปเป็นชั้นเล็กๆ สำหรับการสึกหรอด้านข้างไม่ได้ถูกแก้ไขระหว่างการนำไปลับใหม่  อย่างไรก็ตามการสึกหรอด้านข้างจะเป็นสาเหตุทำให้พั้นช์มีขนาดเล็กลงและดายมีขนาดใหญ่ขึ้น  ซึ่งจะทำให้ขนาดของช่องว่างเพิ่มมากขึ้น  เมื่อเกิดส่วนหน้าตัดเฉือนขึ้นมาระหว่างการตัดโลหะแผ่นอาจจะเชื่อมแบบเย็นตัวติดกับผนังของแท่งพั้นช์หรือดาย  จึงจำเป็นต้องใช้แรงดึงที่สูงมากเพื่อดันเอาโลหะแผ่นออก  จะทำให้ผนังของแท่งพั้นช์หรือดายเสียหายได้  การสึกหรอด้านข้างจะเป็นสาเหตุทำให้เกิดความแตกต่างของขนาดของชิ้นงานได้

รูปที่ 1.11 รูปแบบการสึกหรอที่แท่งพันซ์และแท่งดาย

ที่มา : http://eu.lib.kmutt.ac.th/elearning/Courseware/TEN437/main/e-learning/lessen/01/main.htm