เหตุใดชิ้นส่วนเหล็กที่ผ่านการกลึงด้วยเครื่อง CNC จึงบิดงอ และจะป้องกันได้อย่างไร

การบิดงอเป็นหนึ่งในข้อบกพร่องที่สร้างความหงุดหงิดมากที่สุดในการผลิต ชิ้นส่วนเหล็กที่ผ่านการกลึงด้วยเครื่อง CNC ชิ้นส่วนที่วัดค่าได้ตรงตามแบบอย่างสมบูรณ์บนเครื่องจักร กลับเกิดการโก่งตัวขึ้นทันทีหลังจากถอดออกจากแคลมป์ หลังการอบความร้อน หรือแม้แต่ระหว่างการตรวจสอบขั้นสุดท้าย ผลที่ตามมาคือชิ้นงานเสีย ต้องทำซ้ำ ความล่าช้าในการจัดส่ง และคำร้องเรียนจากลูกค้า

โดยอิงข้อมูลจากการทดลองจริงบนพื้นโรงงาน การออกแบบใหม่ของอุปกรณ์ยึดชิ้นงาน และข้อมูลการทดสอบแรงเครียดจากความร้อนที่ได้จากสภาพแวดล้อมการผลิตจริง บทความนี้จะอธิบาย เหตุใดชิ้นส่วนเหล็กจึงบิดงอระหว่างกระบวนการกลึงด้วยเครื่อง CNC — และวิธีการป้องกันอย่างแม่นยำ โดยใช้วิธีการทางวิศวกรรมที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

การบิดงอในชิ้นส่วนเหล็กที่ผ่านการกลึงด้วยเครื่อง CNC คืออะไร

การบิดงอหมายถึง การเปลี่ยนรูปร่างหรือขนาดโดยไม่ตั้งใจ เกิดจากความเครียดที่เหลืออยู่ ความต่างของอุณหภูมิ หรือการขจัดวัสดุอย่างไม่สม่ำเสมอ

อาการทั่วไป ได้แก่:

• แผ่นเรียบโค้งงอหลังการขึ้นรูปเสร็จสิ้น

• เพลาขนาดยาวโก่งงอหลังการกลึงหยาบ

• ผนังบางบิดเบี้ยวระหว่างการคลายแรงยึด

• รูไม่เป็นวงกลมหลังการอบชุบความร้อน

ในการศึกษาเป็นระยะเวลา 6 เดือนที่ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฮดรอลิก ซึ่งทำการกลึงชิ้นส่วนวาล์ววัสดุ AISI 1045:

• เศษชิ้นงานที่เสียหายเนื่องจากการบิดเบี้ยวลดลง 28%

• จำนวนชั่วโมงที่ใช้ในการปรับปรุงชิ้นงานลดลง 34%

• ค่าความเบี่ยงเบนของความเรียบดีขึ้นจาก 0.19 มม. → 0.06 มม.

—หลังจากการเปลี่ยนแปลงกระบวนการที่อธิบายไว้ด้านล่าง

เหตุใดชิ้นส่วนเหล็กที่ผลิตด้วยเครื่อง CNC จึงบิดงอ: สาเหตุหลัก

1. ความเค้นที่ค้างอยู่ในวัสดุดิบ

แท่งเหล็กที่ผ่านการรีดร้อนหรือตีขึ้นรูปมักมี ความเค้นที่ถูกกักเก็บไว้ จากกระบวนการขึ้นรูปและการเย็นตัว

เมื่อการกลึงตัดวัสดุออกอย่างไม่สม่ำเสมอ ความเค้นจะกระจายตัวใหม่ ส่งผลให้ชิ้นงานโค้งงอ

กรณีที่สังเกตพบ:
การกลึงแผ่นเหล็กเกรด 4140 ที่ผ่านการตีขึ้นรูปโดยไม่ผ่านกระบวนการลดความเค้น ทำให้เกิด การโก่งตัว 0.32 มม. ตลอดความยาว 400 มม. หลังการขึ้นรูปเสร็จสิ้น

2. การสะสมความร้อนระหว่างการตัด

เหล็กจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน กลยุทธ์การตัดที่รุนแรงหรือการไหลของสารหล่อเย็นไม่เพียงพอ จะก่อให้เกิดความต่างของอุณหภูมิ (thermal gradients) โดยเฉพาะใน:

• ร่องลึก

• โครงเสริมบาง (thin ribs)

• การขึ้นรูปแบบฟินิชแบบยาว (long finishing passes)

ภาพถ่ายความร้อนระหว่างการทดลองใช้งานแสดงให้เห็นถึง ความต่างของอุณหภูมิ 42°C ตลอดความกว้างของแผ่นยื่นบาง (thin flange) — ซึ่งมากพอที่จะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวที่วัดค่าได้

3. การขจัดวัสดุอย่างไม่สมดุล

การขจัดเศษวัสดุส่วนใหญ่ออกทางด้านใดด้านหนึ่งก่อนเป็นการปลดปล่อยความเครียดภายในอย่างไม่สมมาตร

สิ่งนี้พบได้ทั่วไปใน:

• ชิ้นส่วนโครงสร้างอาคาร

• โครงยึดโครงสร้าง

• แผ่นขนาดใหญ่

4. การบิดตัวจากอุปกรณ์จับยึด

การหนีบชิ้นส่วนเหล็กบางเกินไปอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น ซึ่งเมื่อปล่อยแรงหนีบออก ชิ้นส่วนจะคืนตัวกลับ (spring back) สู่รูปร่างที่บิดเบี้ยว

การทดสอบด้วยเซ็นเซอร์วัดแรงบนอุปกรณ์จับยึดแบบสุญญากาศแสดงให้เห็นว่า การลดแรงหนีบลง 35% สามารถลดข้อผิดพลาดของความเรียบหลังการกลึงลงครึ่งหนึ่ง

5. การอบชุบความร้อนหลังการกลึง

การดับความร้อน (quenching) และการอบคืนความเหนียว (tempering) อาจก่อให้เกิดแรงเครียดใหม่ หากชิ้นงานไม่ได้รับการรองรับอย่างเหมาะสม หรือหากมีเนื้อวัสดุคงเหลือจากการกลึงไม่เพียงพอสำหรับการตกแต่งพื้นผิวหลังการอบชุบความร้อน

วิธีป้องกันการบิดตัวของชิ้นส่วนเหล็กที่ผลิตด้วยเครื่องจักร CNC

คลายแรงเครียดของวัสดุก่อนเป็นอันดับแรก

สำหรับชิ้นส่วนที่มีความสำคัญยิ่ง:

• การอบผ่อนคลายแรงเครียดที่อุณหภูมิ 550–650°C สำหรับเหล็กคาร์บอน/เหล็กกล้าผสม

• คงอุณหภูมิเป็นเวลา 1 ชั่วโมงต่อความหนา 25 มม.

• การลดอุณหภูมิในเตาอย่างควบคุม

ผลจากการผลิต:
แผ่นเหล็กกล้าผสม 4140 ที่ผ่านการผ่อนคลายแรงเครียดแล้วแสดงให้เห็นว่า บิดเบี้ยวลดลง 62% ระหว่างขั้นตอนการกลึงขั้นสุดท้าย

ใช้กลยุทธ์การกลึงหยาบแบบสมดุล

แทนที่จะกลึงด้านหนึ่งให้เสร็จสมบูรณ์:

• ถอดวัสดุอย่างสมมาตร

• สลับด้านที่ตัด

• เหลือเศษวัสดุคงที่ (0.5–1.0 มม.) สำหรับขั้นตอนการตกแต่งผิว

แม่แบบ CAM ที่ใช้วิธีการนี้ช่วยลดความคลาดเคลื่อนของความเรียบได้ถึง 45%ในชิ้นส่วนโครงสร้าง

ปรับพารามิเตอร์การตัดให้เหมาะสมเพื่อลดความร้อน

ลดปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าโดยไม่ลดประสิทธิภาพในการผลิต:

• ใช้การกัดแบบมีประสิทธิภาพสูง (ระยะก้าวตัด 10–20% ของการเสียบลึกตามแกน)

• ใบมีดที่คมและมีขอบผิวเรียบเงา

• สารเคลือบ AlTiN เพื่อความเสถียรทางความร้อน

• สารหล่อเย็นแรงดันสูง (50–80 บาร์)

กำลังไฟฟ้าที่วัดได้ที่เพลาหมุนลดลง 14% และอุณหภูมิผิวหน้าลดลง 18°C หลังการปรับแต่ง