เหล็กปลอมแปลงเป็นอย่างไร? กระบวนการ เทคนิค และการประยุกต์

การตีเหล็กทำงานอย่างไร: คำตอบโดยตรง

การตีเหล็ก เป็นกระบวนการขึ้นรูปเหล็กโดยใช้แรงอัดไม่ว่าจะโดยการตอก การกด หรือการรีด ในขณะที่โลหะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ทำให้เป็นพลาสติกและใช้งานได้แต่ไม่หลอมเหลว ผลที่ได้ก็เป็นส่วนหนึ่งด้วย คุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับส่วนประกอบที่หล่อหรือกลึง เนื่องจากกระบวนการตีจะปรับแต่งโครงสร้างเกรนภายในและขจัดช่องว่างภายใน

ในทางปฏิบัติ เหล็กแท่งหรือแท่งโลหะจะถูกให้ความร้อนระหว่างนั้น 1,100°C และ 1,250°C (2,012°F ถึง 2,282°F) สำหรับการตีขึ้นรูปร้อน ซึ่งเป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุด จากนั้นนำไปวางไว้ใต้เครื่องอัดหรือค้อนที่จะเปลี่ยนรูปให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ จากนั้นชิ้นส่วนที่มีรูปร่างจะถูกทำให้เย็นลงภายใต้สภาวะที่มีการควบคุม และเสร็จสิ้นด้วยการตัดเฉือน การอบชุบด้วยความร้อน หรือการแปรรูปพื้นผิว

นี่ไม่ใช่เทคนิคเดียว แต่เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกัน ขึ้นอยู่กับรูปทรงของชิ้นส่วน ปริมาณการผลิต ความคลาดเคลื่อนที่ต้องการ และเกรดวัสดุ ผู้ผลิตเลือกจากการตีแบบ open-die, close-die (impression-die) forging, roll forging, ring rolling หรือการตีขึ้นรูปด้วยความร้อน แต่ละประเภทมีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันระหว่างการใช้วัสดุ ต้นทุนแม่พิมพ์ ความแม่นยำของขนาด และความซับซ้อนที่ทำได้

วัตถุดิบ: การเลือกเหล็กที่เหมาะสมสำหรับการตีขึ้นรูป

เหล็กแต่ละเกรดไม่ได้หลอมด้วยวิธีเดียวกัน ปริมาณคาร์บอน องค์ประกอบโลหะผสม และความสะอาดของการหลอม ล้วนส่งผลต่อการไหลของวัสดุภายใต้ความกดดัน และคุณสมบัติของชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์ เหล็กหลอมสามารถแบ่งกลุ่มได้กว้างๆ ดังนี้

• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (0.05–0.30% C): มีความเหนียวสูงและง่ายต่อการปลอมแปลง ใช้สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้าง โบลท์ และเพลาที่ไม่ต้องการความแข็งมาก
• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (0.30–0.60% C): รากฐานของอุตสาหกรรมการหลอมโลหะ เกรดเช่น AISI 1040 และ 4140 ใช้สำหรับเพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ เกียร์ และเพลา
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (0.60–1.00% C): แข็งขึ้นและแข็งแรงขึ้น แต่มีความไวต่อการแตกร้าวในระหว่างการตีขึ้นรูปมากขึ้น ใช้สำหรับสปริง ราง และเครื่องมือตัด
• โลหะผสมเหล็ก (ซีรีส์ 4000, 8000): การเติมโครเมียม โมลิบดีนัม นิกเกิล และวานาเดียมช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งและความเหนียว ทั่วไปในการบินและอวกาศและเครื่องจักรกลหนัก
• เหล็กกล้าไร้สนิม (ซีรีส์ 300 และ 400): ต้องใช้แรงกดดันในการตีขึ้นรูปที่สูงขึ้นและการควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ใช้ในทางเคมี การแปรรูปอาหารและการใช้งานทางการแพทย์

สต็อกการตีขึ้นรูปมาถึงในรูปแบบแท่งกลม บิลเล็ตที่ถูกตัดจากสต็อกบาร์รีด หรือแท่งโลหะสำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่มาก น้ำหนักบิลเล็ตสำหรับส่วนประกอบยานยนต์โดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.5 กก. ถึง 30 กก ในขณะที่การตีขึ้นรูปทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น เพลากังหันหรือหน้าแปลนภาชนะรับความดัน สามารถเริ่มต้นจากแท่งโลหะที่มีน้ำหนักหลายตัน

การทำความร้อนเหล็ก: อุณหภูมิ เตาเผา และการควบคุมขนาด

การทำความร้อนคือจุดที่กระบวนการหลอมโลหะเริ่มต้นขึ้นจริง ๆ และควบคุมได้ดีกว่าภาพแถบเรืองแสงที่ดึงออกมาจากไฟมาก การให้อุณหภูมิไม่ถูกต้อง แม้จะสูงถึง 50°C อาจหมายถึงการตีขึ้นรูปแตกร้าว การสึกหรอของแม่พิมพ์มากเกินไป หรือชิ้นส่วนที่ไม่ผ่านการตรวจสอบ

ช่วงอุณหภูมิการตีขึ้นรูปตามประเภทเหล็ก

เตาหลอมอุตสาหกรรม ได้แก่ เตาหลอมแบบหมุนที่ใช้แก๊ส เตาแบบดัน หรือระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ การทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำได้กลายเป็นส่วนสำคัญสำหรับการผลิตบิลเล็ตขนาดเล็กในปริมาณมาก เนื่องจากจะให้ความร้อนกับบิลเล็ตขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. จนถึงอุณหภูมิการหลอมใน ต่ำกว่า 60 วินาที ลดการปรับขนาดพื้นผิวเกือบทั้งหมด และใช้อย่างคร่าวๆ พลังงานน้อยลง 30–40% กว่าระบบเตาแก๊สเทียบเท่า

ตะกรัน — ชั้นเหล็กออกไซด์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวระหว่างการให้ความร้อนจากเตาแก๊ส — เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง หากมีการกดสเกลลงบนพื้นผิวชิ้นส่วนโดยการสัมผัสด้วยแม่พิมพ์ จะทำให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวซึ่งต้องมีการตัดเฉือนเพิ่มเติมหรือทำให้เกิดการปฏิเสธ เครื่องขจัดตะกรันน้ำแรงดันสูงทำงานที่ 150–200 บาร์ เป็นมาตรฐานบนสายการผลิตเพื่อระเบิดสเกลทันทีก่อนที่เหล็กแท่งจะเข้าสู่แม่พิมพ์

Open-Die Forging: ความยืดหยุ่นสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่และแบบกำหนดเอง

การตีแบบเปิดตาย หรือที่เรียกว่าการตีแบบอิสระหรือการตีแบบสมิธ - ใช้แม่พิมพ์แบบแบน รูปตัว V หรือแบบโค้งธรรมดาที่ไม่ล้อมรอบชิ้นงาน ผู้ปฏิบัติงานหรือระบบอัตโนมัติจะหมุนและวางตำแหน่งแท่งเหล็กใหม่ระหว่างจังหวะการกดแต่ละครั้ง และค่อยๆ ทำให้มันกลายเป็นรูปร่างที่ต้องการ เทคนิคนี้ช่วยให้โรงตีเหล็กมีความยืดหยุ่นอย่างมาก: แม่พิมพ์แบนชุดเดียวสามารถสร้างรูปร่างชิ้นส่วนต่างๆ ได้จำนวนเท่าใดก็ได้ เพียงแค่เปลี่ยนวิธีจัดการชิ้นงาน

การตีขึ้นรูปแบบเปิดเป็นวิธีการทางเลือกสำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับแม่พิมพ์แบบปิด เช่น เพลาโรเตอร์กังหัน เพลาใบพัดเรือ หน้าแปลนขนาดใหญ่ เปลือกภาชนะรับความดัน และม้วนโรงบด ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีนี้สามารถชั่งน้ำหนักได้ตั้งแต่ไม่กี่กิโลกรัมขึ้นไป หลายร้อยตัน . แท่นพิมพ์ 300 MN ในกลุ่มอุตสาหกรรมหนักแห่งที่สองของจีนเป็นหนึ่งในโรงพิมพ์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งสามารถหลอมส่วนประกอบไทเทเนียมและเหล็กสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และโครงสร้างเครื่องบินได้

ลำดับกระบวนการสำหรับเพลาขนาดใหญ่โดยทั่วไปจะมีลักษณะดังนี้:

1. ลิ่มถูกหล่อและปล่อยให้แข็งตัว ส่วนบน (ตัวยก) และส่วนล่าง (ก้น) ที่มีการแบ่งแยกและช่องว่างจะถูกครอบตัดออก โดยถอดออกได้สูงสุดถึง 20–25% ของน้ำหนักแท่งเดิม .
2. ลิ่มที่เหลือจะถูกทำให้ร้อนอีกครั้งและทำให้เสีย (บีบอัดในแนวแกน) เพื่อทำลายโครงสร้างเกรนที่หล่อและปิดช่องว่างภายใน
3. เหล็กแท่งจะถูกดึงออกมา (ยืดออก) ภายใต้แท่นพิมพ์ โดยหมุนทีละน้อยระหว่างจังหวะเพื่อให้วัสดุทำงานสม่ำเสมอ
4. ชิ้นงานขนาดใหญ่จำเป็นต้องอุ่นซ้ำหลายครั้งเพื่อรักษาอุณหภูมิในการทำงานให้สูงกว่าขีดจำกัดการตีขึ้นรูป
5. การตีขึ้นรูปหยาบเป็นการตัดเฉือนหยาบเพื่อขจัดความผิดปกติของพื้นผิว และตรวจสอบข้อบกพร่องภายในด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การใช้วัสดุในการตีขึ้นรูปแบบเปิดจะต่ำกว่าในงานแม่พิมพ์แบบปิด โดยทั่วไป 60–75% ของน้ำหนักลิ่มเริ่มต้นจะจบลงที่การตีขึ้นรูปเสร็จแล้ว ส่วนที่เหลือจะถูกลบออกจากสต็อกพืชผล ขนาด และการตัดเฉือน อย่างไรก็ตาม สำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่มากหรือทำเพียงครั้งเดียว ต้นทุนแม่พิมพ์ที่ต่ำทำให้แม่พิมพ์แบบเปิดเป็นทางเลือกเดียวที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

การตีขึ้นรูปแบบปิด: การผลิตที่มีความแม่นยำและปริมาณสูง

การตีขึ้นรูปแบบปิด - หรือที่เรียกว่าการตีแบบพิมพ์ด้วยแม่พิมพ์ - ใช้การตีขึ้นรูปครึ่งบนและล่างที่ตรงกันซึ่งมีรอยพิมพ์เชิงลบที่แน่นอนของชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว เมื่อกดปิด แท่งเหล็กที่ให้ความร้อนจะเติมเข้าไปในช่องแม่พิมพ์และรับรูปทรงที่แม่นยำของรอยพิมพ์ โลหะส่วนเกินจะถูกบีบออกเป็นวงแหวนบางๆ ที่เรียกว่าแฟลช ซึ่งจะถูกตัดออกในภายหลัง

นี่เป็นวิธีการที่โดดเด่นสำหรับการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างและเครื่องจักรกลในปริมาณมาก ได้แก่ ก้านต่อรถยนต์ สนับมือ ดุมล้อ สปาร์ปีกเครื่องบิน และเครื่องมือช่าง การตีขึ้นรูปแบบปิดที่ทันสมัยทำให้ได้รับความคลาดเคลื่อนของมิติ ±0.5 มม. หรือเข้มงวดกว่า บนส่วนประกอบขนาดกลาง ช่วยลดการตัดเฉือนขั้นปลายได้อย่างมากเมื่อเทียบกับการหล่อ

ลำดับแม่พิมพ์แบบหลายสถานี

ชิ้นส่วนที่ซับซ้อนมักไม่ค่อยได้รับการปลอมแปลงเป็นรูปร่างสุดท้ายด้วยการเป่าเพียงครั้งเดียว บล็อกแม่พิมพ์ถูกแบ่งออกเป็นสถานีการพิมพ์หลายสถานีโดยจัดเรียงตามลำดับ:

• ความประทับใจที่มากขึ้น: กระจายโลหะตามยาว ช่วยลดหน้าตัดที่จุดเฉพาะ
• ความประทับใจของเอ็ดเกอร์: รวบรวมโลหะในโซนเฉพาะและสร้างรูปร่างหน้าตัดอย่างคร่าว ๆ
• การแสดงผลของตัวบล็อก: ขึ้นรูปชิ้นงานให้ได้รูปทรงใกล้เคียงกับชิ้นสุดท้าย แต่มีรัศมีกว้างขึ้นและมีแรงดูดมากขึ้น
• ความประทับใจของผู้เข้าเส้นชัย: นำชิ้นส่วนมาสู่รูปทรงสุดท้าย สร้างรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ และรัศมีที่แคบ Flash ถูกสร้างขึ้นที่นี่

สำหรับก้านสูบยานยนต์ทั่วไปใน AISI 4140 ลำดับทั้งหมดตั้งแต่การใส่เหล็กแท่งจนถึงการสกัดโลหะปลอมที่ตัดแต่งด้วยแฟลชนั้น ต้องใช้ ต่ำกว่า 30 วินาที บนเครื่องอัดเชิงกลสมัยใหม่ที่มีพิกัด 25,000 ถึง 40,000 kN สายการผลิตการตีขึ้นรูปเพียงเส้นเดียวสามารถผลิตได้ ก้านสูบ 600 ถึง 1,200 ก้านต่อชั่วโมง .

การใช้แฟลชและวัสดุ

โดยทั่วไปแล้ว Flash จะหมายถึง 10-20% ของน้ำหนักเหล็กแท่ง ในการตีขึ้นรูปแบบปิดทั่วไป การตีขึ้นรูปแบบไม่ใช้แฟลช ซึ่งเป็นรูปแบบที่แม่พิมพ์ปิดสนิทและปริมาตรของแท่งเหล็กตรงกับช่องอย่างแม่นยำ สามารถกำจัดของเสียนี้ได้ แต่ต้องมีการเตรียมแท่งเหล็กที่แม่นยำมากและแรงกดที่สูงขึ้น ใช้สำหรับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ช่องเกียร์และแหวนแบริ่ง ซึ่งการประหยัดต้นทุนวัสดุทำให้ความซับซ้อนที่เพิ่มเข้ามานั้นเหมาะสม

การตีขึ้นรูปและการกลิ้งแหวน: วิธีการสร้างรูปร่างแบบพิเศษ

นอกเหนือจากหมวดหมู่การตีขึ้นรูปหลักสองประเภทแล้ว กระบวนการตีเหล็กเฉพาะทางหลายอย่างยังคุ้มค่าที่จะทำความเข้าใจ เนื่องจากกระบวนการเหล่านี้ครองหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ที่เฉพาะเจาะจง

ม้วนตี

ในการตีขึ้นรูปม้วน เหล็กแท่งร้อนจะผ่านระหว่างม้วนหมุนทวนสองม้วนโดยมีร่องที่มีรูปร่างตัดเฉือนเข้ากับพื้นผิว เมื่อบิลเล็ตเคลื่อนผ่าน ม้วนจะลดหน้าตัดและขยายให้ยาวขึ้น กระจายโลหะในรูปแบบที่แม่นยำซึ่งจำเป็นสำหรับการตีขึ้นรูปครั้งต่อไป การตีขึ้นรูปถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นขั้นตอนการขึ้นรูปก่อนการตีขึ้นรูปแบบปิดของชิ้นส่วนที่ยาว เช่น ก้านสูบและช่องว่างแหนบ ช่วยปรับปรุงการกระจายวัสดุและลดจำนวนการพิมพ์แม่พิมพ์แบบปิดที่ต้องการ การตัดการสึกหรอของแม่พิมพ์และรอบเวลา

แหวนกลิ้ง

การกลิ้งวงแหวนจะสร้างวงแหวนที่ไร้รอยต่อโดยการเจาะรูในช่องว่างการตีขึ้นรูปแบบดิสก์ จากนั้นขยายออกไประหว่างลูกกลิ้งหลักที่ขับเคลื่อนด้วยและลูกกลิ้งไอเดลอร์ ในขณะที่ลูกกลิ้งแนวแกนแบนจะควบคุมความสูงของวงแหวน ผลลัพธ์ที่ได้คือวงแหวนไร้ตะเข็บที่มีโครงสร้างเกรนที่ไหลอย่างต่อเนื่องรอบๆ เส้นรอบวง — เป็นข้อได้เปรียบทางโครงสร้างที่สำคัญเหนือวงแหวนที่ถูกตัดจากแผ่นหรือประดิษฐ์โดยการเชื่อม

วงแหวนแบบรีดมีตั้งแต่การชั่งน้ำหนักตลับลูกปืนขนาดเล็ก ต่ำกว่า 1 กก ไปจนถึงหน้าแปลนกังหันลมขนาดใหญ่และหน้าแปลนถังปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเกิน 8 เมตร และน้ำหนักด้านบน 100 ตัน . อุตสาหกรรมการบินและอวกาศอาศัยส่วนประกอบไทเทเนียมและเหล็กกล้าที่รีดวงแหวนเป็นอย่างมากสำหรับโครงเครื่องยนต์ไอพ่น โครง และแผงกั้น

การตีขึ้นรูปเย็นและอุ่น: เหล็กกล้าที่ใช้งานภายใต้ความร้อนสีแดง

การตีขึ้นรูปร้อนไม่ใช่ทางเลือกเดียว การตีขึ้นรูปเย็น — ดำเนินการที่อุณหภูมิหรือใกล้อุณหภูมิห้อง — และการตีขึ้นรูปอุ่น — โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 650–900°ซ สำหรับเหล็ก — นำเสนอการผสมผสานที่แตกต่างกันระหว่างผิวสำเร็จ ความแม่นยำของขนาด และประสิทธิภาพทางกล

การตีขึ้นรูปเย็น

การตีเหล็กขึ้นรูปเย็นต้องอาศัยการชุบแข็งของงาน: เมื่อโลหะเปลี่ยนรูปเป็นพลาสติก ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่จะเพิ่มขึ้น และจะแข็งแกร่งขึ้นเรื่อยๆ ชิ้นส่วนที่ผลิตโดยกระบวนการตีขึ้นรูปเย็นสามารถทำได้ ผิวสำเร็จ Ra 0.4–1.6 µm และพิกัดความเผื่อมิติที่เข้มงวดกว่า ±0.05 มม โดยไม่ต้องใช้เครื่องจักรใดๆ การใช้งานหลักในการผลิตโบลต์ น็อต สกรู และเฟืองเกียร์ขึ้นรูปเย็นในปริมาณมาก

ข้อจำกัดคือต้องใช้กำลังขนาดใหญ่ การตีเหล็กคาร์บอนต่ำด้วยความเย็นต้องใช้ความเค้นไหล 500–800 เมกะปาสคาล เมื่อเทียบกับ 80–150 เมกะปาสคาล สำหรับวัสดุชนิดเดียวกันที่อุณหภูมิการตีขึ้นรูปร้อน แม่พิมพ์สึกหรออย่างรวดเร็ว และโดยทั่วไปแล้วเหล็กจะต้องได้รับการอบอ่อนและหล่อลื่นใหม่ (มักใช้ระบบสบู่ฟอสเฟต) ระหว่างขั้นตอนสำหรับการขึ้นรูปหลายรอบ

การตีขึ้นรูปที่อบอุ่น

การตีขึ้นรูปด้วยความร้อนอยู่ระหว่างความร้อนและความเย็นทั้งในแง่ของอุณหภูมิและผลลัพธ์ ที่อุณหภูมิปานกลาง ความเค้นในการไหลจะลดลงเมื่อเทียบกับการทำงานแบบเย็น — ลดความต้องการน้ำหนักในการกด — ในขณะที่คุณภาพพื้นผิวและความแม่นยำของมิติจะดีกว่าการตีขึ้นรูปร้อนมาก เนื่องจากรูปแบบที่มีขนาดน้อยกว่าและการหดตัวจากความร้อนจะน้อยกว่า การตีขึ้นรูปแบบอุ่นถูกนำมาใช้มากขึ้นสำหรับเกียร์ที่มีความแม่นยำและส่วนประกอบข้อต่อ CV ในระบบขับเคลื่อนของยานยนต์ ซึ่งการผสมผสานระหว่างความแม่นยำของรูปร่างที่ใกล้เคียงสุทธิและความสมบูรณ์ของพื้นผิวที่ดีจะช่วยลดต้นทุนการผลิตทั้งหมดเมื่อเทียบกับลำดับการหลอมร้อนแล้วจึงขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร

อุปกรณ์ตีขึ้นรูป: ค้อน เครื่องอัดเชิงกล และเครื่องอัดไฮดรอลิก

เครื่องจักรที่ให้แรงตีขึ้นรูปจะกำหนดรูปทรงทางเศรษฐกิจ ความสามารถ และอัตราเอาท์พุตของการทำงานให้มากเท่ากับการออกแบบแม่พิมพ์ เครื่องจักรหลักสามประเภทครองการตีเหล็กอุตสาหกรรม:

ค้อนทุบ

ค้อนส่งพลังงานโดยการทิ้งหรือผลักเครื่องชนลงด้วยความเร็วสูง พลังงานการเสียรูปคือพลังงานจลน์ของแกะที่กำลังเคลื่อนที่ ค้อนปล่อยแรงโน้มถ่วงเป็นประเภทที่ง่ายที่สุด ค้อนกำลังใช้ไอน้ำ อากาศอัด หรือแรงดันไฮดรอลิกเพื่อเร่งตัวกระทุ้ง เพื่อรับพลังงานกระแทก 5 กิโลจูลถึงมากกว่า 1,000 กิโลจูล สำหรับค้อนไอน้ำแบบสองทางขนาดใหญ่ ค้อนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตีขึ้นรูปแบบเปิดในรูปทรงที่ซับซ้อน เนื่องจากการทุบอย่างรวดเร็วหลายครั้งสามารถทำให้วัสดุทำงานได้อย่างก้าวหน้า อัตราความเครียดที่สูงของการกระแทกยังหมายถึงเวลาในการสัมผัสแม่พิมพ์ที่น้อยลงและภาระความร้อนของแม่พิมพ์ที่ลดลง

เครื่องตีขึ้นรูปเชิงกล

เครื่องอัดแบบกลไกใช้ข้อเหวี่ยงเยื้องศูนย์ที่ขับเคลื่อนด้วยมู่เล่เพื่อแปลงพลังงานการหมุนเป็นจังหวะการกระทุ้งครั้งเดียวต่อการปฏิวัติ ความจุมีตั้งแต่ 5,000 กิโลนิวตันถึง 125,000 กิโลนิวตัน . ระยะชักคงที่และตำแหน่งรางที่คาดเดาได้ ทำให้เหมาะสำหรับงานแม่พิมพ์ปิดที่มีการพิมพ์หลายครั้งและมีความสามารถในการทำซ้ำในขนาดที่จำกัด โดยทั่วไปแล้ว เครื่องอัดเชิงกลขนาด 63,000 กิโลนิวตัน ซึ่งเป็นขนาดทั่วไปสำหรับการตีขึ้นรูปยานยนต์ขนาดใหญ่ 40–80 จังหวะต่อนาที ทำให้มีอัตราการผลิตที่สูงมาก

เครื่องตีขึ้นรูปไฮดรอลิก

เครื่องอัดไฮดรอลิกจะสร้างแรงผ่านของไหลแรงดันสูงที่กระทำต่อกระบอกสูบ ต่างจากเครื่องอัดแบบกลไกตรงที่สามารถรับน้ำหนักได้เต็มที่ตลอดจังหวะ และสามารถตั้งโปรแกรมด้วยโปรไฟล์ความเร็วและแรงของตัวกระทุ้งที่ซับซ้อนได้ สิ่งนี้ทำให้จำเป็นสำหรับการตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอยในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศโดยอุณหภูมิคงที่ ซึ่งต้องใช้อัตราความเครียดที่ช้าเพื่อหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนและการแตกร้าวแบบอะเดียแบติก และสำหรับการดำเนินการแม่พิมพ์แบบเปิดขนาดใหญ่มาก เครื่องตีขึ้นรูปที่ใหญ่ที่สุดในโลก — รวมถึง 750 MN กดที่ VSMPO-AVISMA ในรัสเซีย - เป็นระบบไฮดรอลิก

เกิดอะไรขึ้นกับโครงสร้างเกรนระหว่างการตีเหล็ก

ความเหนือกว่าทางกลของการตีขึ้นรูปเหนือการหล่อนั้นมาจากสิ่งที่การตีขึ้นรูปโดยตรงต่อโครงสร้างจุลภาคภายในของเหล็ก การทำความเข้าใจสิ่งนี้จะอธิบายได้ว่าเหตุใดการปลอมแปลงจึงถูกระบุสำหรับการใช้งานที่สำคัญ แม้ว่าจะมีราคาสูงกว่ามากก็ตาม

เหล็กกล้าหล่อประกอบด้วยโครงสร้างเกรนเดนไดรต์หยาบพร้อมการแยกทางเคมีระหว่างขอบเขตเกรนและช่องว่างหรือรูพรุนของการหดตัวภายใน เมื่อวัสดุนี้ถูกปลอมแปลง หลายสิ่งหลายอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน:

• การปรับแต่งเกรน: เม็ดหล่อขนาดใหญ่จะถูกทำลายโดยการเสียรูปของพลาสติก จากนั้นจึงตกผลึกใหม่เป็นเม็ดที่มีขนาดเล็กลงและมีความสม่ำเสมอมากขึ้นในระหว่างและหลังการทำงานที่ร้อน เม็ดเล็กหมายถึงความเหนียวที่ดีขึ้นและความแข็งแรงเมื่อยล้า
• การปิดเป็นโมฆะ: ความพรุนภายในและการหดตัวระดับไมโครจะถูกอัดและเชื่อมปิดโดยแรงอัดของการตีขึ้นรูป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการดำเนินการแบบ open-die แบบหลายรอบที่มีอัตราส่วนการลดสูง
• การไหลของไฟเบอร์: สิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและตัวกั้นคาร์ไบด์จะถูกยืดออกและสอดคล้องกับทิศทางการไหลของโลหะ ทำให้เกิดรูปแบบการไหลของเกรน เมื่อแม่พิมพ์ตีขึ้นรูปได้รับการออกแบบอย่างถูกต้อง การไหลของเส้นใยนี้จะเป็นไปตามรูปร่างของชิ้นส่วน และเส้นการไหลของเกรนจะขนานกับแกนความเค้นในการทำงาน ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความเมื่อยล้าได้อย่างมากเมื่อเทียบกับชิ้นงานที่กลึงด้วยเครื่องจักรซึ่งมีการตัดเส้นการไหลผ่าน
• ทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน: การให้ความร้อนและการเสียรูปซ้ำๆ จะทำให้องค์ประกอบของโลหะผสมกระจายตัวสม่ำเสมอมากขึ้น ลดการไล่ระดับขององค์ประกอบที่ทำให้โครงสร้างการหล่ออ่อนลง

ส่วนประกอบเหล็กหลอมอย่างดีสามารถจัดแสดงได้ ความต้านทานต่อความเมื่อยล้าสูงขึ้นถึง 40% ความต้านทานแรงดึงสูงขึ้น 20% และความเหนียวในการรับแรงกระแทกที่เหนือกว่าอย่างเห็นได้ชัด เมื่อเปรียบเทียบกับส่วนประกอบการหล่อที่มีองค์ประกอบระบุเดียวกัน ในการใช้งาน เช่น เฟืองลงจอดของเครื่องบินหรือเพลาข้อเหวี่ยงของยานยนต์ ซึ่งการออกแบบการรับน้ำหนักแบบวนและแรงกระแทกเป็นครั้งคราว สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เพิ่มขึ้นแต่อย่างใด

การอบชุบด้วยความร้อนหลังการตีขึ้นรูป: เสร็จสิ้นวงจรโลหะวิทยา

สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กส่วนใหญ่ การตีขึ้นรูปเพียงอย่างเดียวไม่ได้ให้คุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้ายตามที่ต้องการ การอบชุบด้วยความร้อนหลังการตีขึ้นรูปเป็นขั้นตอนที่ล็อคความแข็งแกร่ง ความแข็ง และความเหนียวไว้ด้วยกัน

การทำให้เป็นมาตรฐาน

เครื่องทำความร้อนถึง 850–950°ซ และการระบายความร้อนด้วยอากาศช่วยปรับแต่งโครงสร้างเกรนและทำให้โครงสร้างจุลภาคเป็นเนื้อเดียวกันหลังจากการปลอมแปลง การทำให้เป็นมาตรฐานมักถูกระบุเป็นการบำบัดพื้นฐานสำหรับการตีขึ้นรูปคาร์บอนและเหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำก่อนการตัดเฉือนขั้นสุดท้าย และบางครั้งเป็นเพียงการบำบัดความร้อนเพียงอย่างเดียวที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพต่ำ

ดับและบรรเทา (Q&T)

สำหรับการตีขึ้นรูปโลหะผสมเหล็กประสิทธิภาพสูง ออสเทนไนซ์ (โดยทั่วไป 830–900°ซ ) ดับในน้ำ น้ำมัน หรือพอลิเมอร์ แล้วจึงอบคืนตัวที่ 450–680°ซ เป็นเส้นทางมาตรฐานเพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงและมีความเหนียวเพียงพอ การตีเหล็ก AISI 4340 ในสภาวะ Q&T สามารถรับแรงดึงได้ 1,000–1,800 เมกะปาสคาล ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการอบคืนตัว ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างเครื่องบินและชิ้นส่วนระบบขับเคลื่อนที่ใช้งานหนัก

การหลอมและการบรรเทาความเครียด

การตีขึ้นรูปขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงซับซ้อนสามารถรักษาความเค้นตกค้างที่สำคัญจากการหล่อเย็นที่ไม่สม่ำเสมอหลังจากการตีขึ้นรูป อบอวลคลายเครียดได้ที่ 550–650°ซ — ต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง — ลดความเค้นตกค้างโดยไม่เปลี่ยนความแข็งอย่างมาก ป้องกันการบิดเบี้ยวระหว่างการตัดเฉือนขั้นสุดท้าย ขั้นตอนนี้เป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานสำหรับตัววาล์วขนาดใหญ่ บล็อกแม่พิมพ์ และส่วนประกอบภาชนะรับความดัน

การควบคุมและการทดสอบคุณภาพในการตีเหล็ก

การตีขึ้นรูปเหล็กสำหรับการใช้งานที่สำคัญต้องได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มงวดซึ่งครอบคลุมทั้งคุณภาพพื้นผิวและคุณภาพภายใน การทดสอบเฉพาะที่จำเป็นนั้นขึ้นอยู่กับมาตรฐานอุตสาหกรรม — ASTM, EN, JIS หรือข้อกำหนดเฉพาะของลูกค้า — แต่รายการต่อไปนี้จะนำไปใช้อย่างกว้างๆ:

• การทดสอบอัลตราโซนิก (UT): คลื่นเสียงความถี่สูงตรวจจับข้อบกพร่องภายใน เช่น รอยแตก ช่องว่าง สิ่งเจือปน ซึ่งมองไม่เห็นบนพื้นผิว จำเป็นสำหรับการตีขึ้นรูปอุปกรณ์การบินและอวกาศ นิวเคลียร์ และอุปกรณ์ความดันเกือบทั้งหมด เกณฑ์การยอมรับถูกกำหนดโดยโซน (เช่น ไม่มีข้อบ่งชี้เกินขนาดรูก้นแบน 2 มม. ที่เทียบเท่ากันในโซนเจาะ)
• การตรวจสอบอนุภาคแม่เหล็ก (MPI): ตรวจจับรอยแตกที่พื้นผิวและใกล้พื้นผิวในเหล็กกล้าเฟอร์โรแมกเนติกโดยการทำให้ชิ้นส่วนเป็นแม่เหล็กและใช้สารแขวนลอยอนุภาคเหล็ก มาตรฐานสำหรับการตีขึ้นรูปที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของยานยนต์ เช่น สนับมือพวงมาลัยและดุมล้อ
• การทดสอบความแข็ง: ความแข็งของบริเนลหรือร็อกเวลล์ที่วัดบนพื้นผิวเครื่องจักรช่วยยืนยันว่าการอบชุบด้วยความร้อนบรรลุช่วงคุณสมบัติเป้าหมาย
• การทดสอบแรงดึงและการกระแทก: การทดสอบแบบทำลายล้างบนคูปองทดสอบปลอมแปลงแยกต่างหาก — หรือจากการยืดเยื้อที่ปลอมแปลงบนชิ้นส่วน — ตรวจสอบความแข็งแรงของคราก ความต้านทานแรงดึงสูงสุด การยืดตัว และพลังงานกระแทก Charpy V-notch ที่อุณหภูมิที่กำหนด
• การตรวจสอบมิติ: การตรวจสอบ CMM (เครื่องวัดพิกัด) ของขนาดที่สำคัญทั้งหมดกับแบบวิศวกรรม พร้อมตรวจสอบย้อนกลับข้อมูลการวัดได้อย่างสมบูรณ์

การทดสอบการกัดแบบมหภาค เช่น การตัด การขัดเงา และการแกะสลักหน้าตัดของการตีขึ้นรูปด้วยสารละลายกรดเจือจาง จะเผยให้เห็นเส้นการไหลของเกรน ยืนยันว่าเป็นไปตามรูปแบบที่ต้องการ และเผยให้เห็นการแยกส่วน ท่อ หรือตะเข็บภายในที่ UT อาจพลาดไป โดยทั่วไปการทดสอบนี้จะระบุไว้สำหรับคุณสมบัติบทความแรกของการออกแบบแม่พิมพ์ใหม่

ข้อบกพร่องทั่วไปในการตีเหล็กและสาเหตุ

แม้แต่การตีขึ้นรูปที่มีการควบคุมอย่างดีก็ยังผลิตชิ้นส่วนที่ชำรุดได้ การรับรู้ถึงต้นตอของข้อบกพร่องแต่ละประเภทถือเป็นสิ่งสำคัญในการแก้ไขกระบวนการก่อนที่จะมีเศษซากจำนวนมากสะสม

ตำแหน่งที่ใช้ชิ้นส่วนเหล็กหลอม: การใช้งานทางอุตสาหกรรม

การตีเหล็กพบได้ในแทบทุกอุตสาหกรรมที่ส่วนประกอบต้องทนต่อความเค้นสูง การโหลดซ้ำๆ หรืออุณหภูมิสูง ภาคส่วนต่อไปนี้คิดเป็นส่วนใหญ่ของผลผลิตการปลอมทั่วโลก:

อุตสาหกรรมยานยนต์

ภาคยานยนต์มีการบริโภคประมาณ 60% ของการตีขึ้นรูปทั้งหมดผลิตทั่วโลก . รถยนต์นั่งทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบปลอมแปลงมากกว่า 250 ชิ้น ได้แก่ เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ เพลาลูกเบี้ยว เกียร์ส่ง สนับมือ ดุมล้อ คาลิปเปอร์เบรก แขนช่วงล่าง และเรือนข้อต่อ CV การเปลี่ยนไปใช้ยานพาหนะไฟฟ้ากำลังเปลี่ยนส่วนผสม — เพลาข้อเหวี่ยงและลูกสูบน้อยลง — แต่ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างกล่องแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และเพลามอเตอร์ไฟฟ้า

การบินและอวกาศและกลาโหม

การตีขึ้นรูปการบินและอวกาศขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการรับรองวัสดุและกระบวนการที่เข้มงวดที่สุดของอุตสาหกรรมใดๆ ส่วนประกอบโครงสร้างลำตัวเครื่องบิน เช่น ปีกเครื่องบิน โครงลำตัว สตรัทเฟืองลงจอด และส่วนประกอบของเครื่องยนต์ เช่น แผ่นคอมเพรสเซอร์ แผ่นกังหัน เพลา ล้วนได้รับการปลอมแปลงเกือบทั้งหมด เครื่องบินพาณิชย์ลำตัวกว้างลำเดียวประกอบด้วย ชิ้นส่วนปลอมแปลงมากกว่า 1,500 ชิ้น ซึ่งส่วนใหญ่เป็นชิ้นส่วนอะลูมิเนียมหรือไทเทเนียมขนาดใหญ่แทนที่จะเป็นเหล็กกล้า แต่การตีขึ้นรูปเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูงนั้นมีอิทธิพลเหนือระบบลงจอดและระบบสั่งงาน

น้ำมัน ก๊าซ และการผลิตไฟฟ้า

หน้าแปลนภาชนะรับความดัน ตัววาล์ว อุปกรณ์ท่อ ส่วนประกอบของหลุมผลิต และโรเตอร์กังหัน ถือเป็นการใช้งานปลอมที่สำคัญในภาคพลังงาน ชิ้นส่วนเหล่านี้ทำงานภายใต้แรงดันสูง อุณหภูมิสูง และสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนบ่อยครั้ง ซึ่งความพรุนในการหล่อจะเป็นความเสี่ยงที่ยอมรับไม่ได้ การตีขึ้นรูปโรเตอร์กังหันขนาดใหญ่สำหรับโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำสามารถชั่งน้ำหนักได้ มากกว่า 200 ตัน หลังจากการตัดเฉือนขั้นสุดท้ายและต้องใช้เวลาหลายเดือนในการปลอม การอบชุบ และการทดสอบก่อนส่งมอบ

อุปกรณ์ก่อสร้างและเหมืองแร่

ข้อต่อตีนตะขาบ เฟืองโซ่ ฟันบุ้งกี๋ ดอกสว่านเจาะหิน และหมุดโครงสร้างในอุปกรณ์ก่อสร้างและเหมืองแร่ขนาดใหญ่ อาศัยเหล็กหลอมเพื่อให้ทนทานต่อแรงกระแทกและการเสียดสี โหลดแบบไดนามิกที่สูงมากที่เห็นได้จากส่วนประกอบเหล่านี้ - ฟันถังของรถขุดขนาดใหญ่อาจดูดซับรอบการกระแทกนับหมื่นต่อกะ - ทำให้ความแข็งแกร่งที่เหนือกว่าของการตีขึ้นรูปจำเป็นต่ออายุการใช้งานที่ยอมรับได้

การพัฒนาสมัยใหม่ในเทคโนโลยีการตีเหล็ก

ฟิสิกส์หลักของการตีเหล็กไม่ได้เปลี่ยนแปลง — โลหะยังคงไหลภายใต้ความกดดันเมื่อถูกความร้อน — แต่เทคโนโลยีโดยรอบกระบวนการได้ก้าวหน้าไปอย่างมากในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา

การจำลองการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA) ของกระบวนการตีขึ้นรูป — การใช้ซอฟต์แวร์ เช่น Deform, FORGE หรือ Simufact — ช่วยให้วิศวกรสามารถคาดการณ์การไหลของโลหะ การกระจายความเครียด ความเค้นของแม่พิมพ์ และตำแหน่งข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้น ก่อนที่จะตัดแม่พิมพ์เดี่ยว ซึ่งช่วยลดจำนวนการทดลองแม่พิมพ์ซ้ำที่จำเป็นสำหรับชิ้นส่วนใหม่ที่ซับซ้อน ลดเวลาและต้นทุนในการพัฒนาแม่พิมพ์ลงได้อย่างมาก 30–50% ในหลายกรณี

เครื่องอัดไฮดรอลิกและกลไกเซอร์โวควบคุมด้วยเซอร์โว อนุญาตให้ใช้โปรไฟล์ความเร็ว ram ที่ตั้งโปรแกรมได้ ช่วยให้สามารถตีวัสดุด้วยความร้อนและอุณหภูมิคงที่ซึ่งก่อนหน้านี้ต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะหรือไม่สามารถทำได้เลยในการตีขึ้นรูป สามารถชะลอความเร็วของ RAM ในขั้นตอนวิกฤตเพื่อควบคุมการสร้างความร้อนและการไหลของโลหะ หรือเร่งความเร็วเพื่อเพิ่มเวลารอบการทำงานสำหรับการทำงานที่มีความไวน้อยกว่า

เซลล์ปลอมอัตโนมัติ การผสมผสานเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ การจัดการเหล็กแท่งแบบหุ่นยนต์ ระบบถ่ายโอนแรงอัดแบบหลายแกน และการตรวจสอบด้วยภาพในสายการผลิต ทำให้สามารถเดินสายการผลิตแบบปิดที่มีปริมาณมากโดยใช้แรงงานทางตรงน้อยที่สุด สายการผลิตการตีขึ้นรูปยานยนต์สมัยใหม่อาจมี ผู้ปฏิบัติงานหนึ่งคนดูแลการกดสี่ถึงหกครั้ง พร้อมการตรวจสอบคุณภาพที่จัดการโดยการสแกนด้วยเลเซอร์และระบบวิชันซิสเต็มที่ส่วนท้ายของสายการผลิต

การตีขึ้นรูปใกล้ตาข่ายอย่างแม่นยำ — การผลิตชิ้นส่วนที่ใกล้เคียงกับรูปทรงขั้นสุดท้ายจนการตัดเฉือนลดลงเหลือเพียงการตกแต่งที่เบาบนพื้นผิวการทำงานเท่านั้น — เป็นเรื่องปกติมากขึ้นสำหรับส่วนประกอบเกียร์และแบริ่งของยานยนต์ วิธีการนี้ช่วยลดเวลาการตัดเฉือน ปรับปรุงการใช้วัสดุ และรักษาการไหลของเกรนที่เป็นประโยชน์ซึ่งมิฉะนั้นการตัดเฉือนอาจทำลายที่พื้นผิวชิ้นส่วน