กระบวนการผลิตเพลา CNC แบบกำหนดเอง

เพลาแบบสั่งทำพิเศษที่ผ่านเครื่องจักรมาอย่างดีแสดงให้เห็นถึงงานการผลิต CNC (Computer Numerical Control) ที่มีความแม่นยำ แม้จะมีรูปทรงกระบอกที่ดูเรียบง่าย แต่เพลาก็เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของกลไกที่ซับซ้อน เช่น ระบบส่งกำลังของยานยนต์ ซึ่งประกอบด้วยเครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง เพลาขับ เพลา และเฟืองท้าย ทั้งหมดต้องใช้เพลาที่ออกแบบอย่างเหมาะสมเพื่อถ่ายโอนกำลังและแรงบิดไปยังล้อ ในรถยนต์สันดาปภายในเกือบทุกรุ่น เพลาขับยังต้องรับน้ำหนักของรถทั้งคันโดยทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างเครื่องยนต์และเพลา สำหรับเฟืองท้ายนั้น เพลาของมันจะต้องจัดการการส่งกำลังเพื่อให้ล้อบางล้อหมุนด้วยความเร็วที่แตกต่างกันระหว่างการเข้าโค้ง

เมื่อพิจารณาถึงฟังก์ชันที่ซับซ้อนแล้ว การวางแผนอย่างพิถีพิถันและการเขียนโปรแกรมที่แม่นยำจึงมีความสำคัญสูงสุดในกระบวนการผลิตเพลา CNC ทุกขั้นตอนตลอดขั้นตอนการทำงาน ตั้งแต่แนวคิดการออกแบบขั้นต้นไปจนถึงการตกแต่งพื้นผิว ต้องใช้ความใส่ใจในรายละเอียดอย่างเกินขอบเขต

ขั้นตอนการผลิตเพลาแบบกำหนดเอง

การกลึงซีเอ็นซี น่าจะเป็นวิธีการทั่วไปที่สุดในการผลิตเพลาแบบกำหนดเอง แต่ก็เป็นไปได้ที่จะใช้กระบวนการทางเลือก เช่น การเจียร CNC หรือ EDM ขั้นสูงกว่า (Electrical Discharge Machining) อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม เป้าหมายก็ยังคงเหมือนเดิม นั่นคือการผลิตเพลาแบบกำหนดเองที่สร้างขึ้นตามวัตถุประสงค์ตามข้อกำหนดเฉพาะที่กำหนดไว้ล่วงหน้าด้วยวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ทุกวิธียังเป็นไปตามขั้นตอนการทำงานพื้นฐานเดียวกันไม่มากก็น้อย

ออกแบบ

กระบวนการผลิตเพลา CNC เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะ การใช้งานที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ เงื่อนไขการทำงาน และข้อกำหนดสำหรับการอนุมัติโดยทีมตรวจสอบภายในหรือองค์กรบุคคลที่สามที่เป็นอิสระ (หากจำเป็น) เมื่อทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้องจัดทำข้อตกลงแล้ว ขั้นตอนแรกของเวิร์กโฟลว์จะเกี่ยวข้องกับการออกแบบและการเขียนโปรแกรม

ช่างเครื่องจะต้องกำหนดขนาด รวมทั้งความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลาง ตลอดจนวัสดุที่ต้องการ ทีมวิศวกรจะบันทึกและตรวจสอบข้อกำหนดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการออกแบบ ในกรณีที่ลูกค้าไม่มีการเขียนแบบทางเทคนิค ผู้ผลิตควรจัดทำไฟล์ CAD (Computer-aided Design) ของเพลาแบบกำหนดเองที่จะทำ นักออกแบบและวิศวกรอาจต้องทำงานร่วมกันเพื่อดำเนินการทดสอบความแข็งแกร่งจำลองและการวิเคราะห์ความล้มเหลวบนคอมพิวเตอร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของโครงการ

หากทุกอย่างได้รับการตรวจสอบและอนุมัติแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างเส้นทางเครื่องมือสำหรับเครื่อง CNC โดยใช้ซอฟต์แวร์ CAM (การผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย) เส้นทางเป็นคำสั่งที่เครื่องอ่านได้เป็นหลักซึ่งควบคุมวิธีการทำงานของ CNC คำสั่งดังกล่าวประกอบด้วยรหัสเรขาคณิตเพื่อบอกเครื่องจักรถึงวิธีการเคลื่อนที่ในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน (แกน X, Y และ Z) และอาจรวมถึงความเร็วในการหมุน ลำดับการเคลื่อนที่ จุดเริ่มต้น อัตราการป้อน จุดหยุด มุม รอ เวลา ฯลฯ จากนั้นช่างเครื่องจะโหลดโค้ดลงในคอนโทรลเลอร์ CNC

การตั้งค่าเครื่อง CNC

นอกเหนือจากการสร้างเส้นทางเครื่องมือแล้ว ผู้ผลิตยังต้องตั้งค่าเครื่องจักรอย่างเหมาะสมด้วย มีบางสิ่งที่สำคัญมากกว่าการเตรียมประเภทเครื่องจักรที่เหมาะสม เช่น เครื่องกลึงหรือการกัด และเครื่องมือตัด ชิ้นงาน (วัสดุที่จะแปลงเป็นเพลา) จะต้องยึดให้แน่นกับฟิกซ์เจอร์ที่เหมาะสม เว้นแต่ผู้ผลิตจะใช้เครื่องมือตัดใหม่ ช่างเครื่องจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องมือทั้งหมดมีความคมเท่าที่จะเป็นไปได้ หรืออย่างน้อยก็มีความคมเพียงพอที่จะทำให้ชิ้นงานมีรูปร่างเป็นรูปทรง

เครื่องจักรกล

การกลึง CNC เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการผลิตเพลาแบบกำหนดเอง ช่างเครื่องหรือกระบวนการอัตโนมัติต้องแน่ใจว่าชิ้นงานนั้นติดอยู่กับเครื่องจักร ขณะที่ชิ้นงานหมุนด้วยความเร็วสูง เครื่องมือตัดจะลบ/นำวัสดุบางส่วนออกจากชิ้นงานจนกว่าจะได้รูปทรงตามที่ต้องการ เครื่องมือตัดเฉพาะทางหลายรายการอาจถูกนำมาใช้อย่างต่อเนื่อง และจะสัมผัสกับชิ้นงานจากจุดและมุมต่างๆ มากมาย

ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของการกลึง CNC ในการผลิตเพลาคือประสิทธิภาพและความแม่นยำสูงเมื่อทำงานกับส่วนประกอบทรงกระบอก และเพลาแบบกำหนดเองเกือบทุกอันถูกสร้างขึ้นจากแท่งโลหะทรงกระบอกอยู่แล้ว การตัดที่แม่นยำอย่างต่อเนื่องมักเป็นเรื่องง่ายด้วยการกลึง CNC เนื่องจากในความเป็นจริงแล้วเครื่องจักรได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการกับชิ้นงานที่มีรูปทรงทรงกระบอก ด้วยเส้นทางเครื่องมือที่แม่นยำและเครื่องมือตัดที่ถูกต้อง เครื่องจักรสามารถผลิตเพลาแบบกำหนดเองได้เกือบสมบูรณ์เป็นอย่างน้อยในเซสชันเดียว จำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องตลอดกระบวนการตัดเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพ

จบ

มีวิธีการตกแต่งหลายวิธี (สำหรับเพลาแบบกำหนดเอง) เช่น การอโนไดซ์ การทู่ และการพ่นด้วยลูกปัด วัตถุประสงค์หลักของการตกแต่งพื้นผิวคือการปรับปรุงรูปลักษณ์ภายนอก แต่ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงฟังก์ชันการทำงานโดยทำให้ขอบที่ขรุขระเรียบขึ้น และกำจัดวัสดุที่เหลือออกจากกระบวนการตัด นอกเหนือจากนั้น การตกแต่งยังเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบขั้นสุดท้ายเพื่อให้แน่ใจว่าเพลาที่ผลิตนั้นแม่นยำตามขนาดที่ต้องการ จนถึงระดับมิลลิเมตรที่เล็กที่สุด

วิธีการผลิตเพลา CNC

โดยทั่วไปวิธีที่แนะนำคือการกลึง CNC แต่ไม่ใช่ทางเลือกเดียวที่ผู้ผลิตจะจัดการได้ ตามความเป็นจริง เพลาแบบกำหนดเองที่มีการออกแบบที่ซับซ้อนมีแนวโน้มที่จะผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อให้ได้คุณภาพผิวสำเร็จและค่าพิกัดความเผื่อที่แคบ วิธีการผลิตเพลาที่พบบ่อยที่สุดได้แก่:

การกลึงซีเอ็นซี

ตราบใดที่ชิ้นงานมีรูปทรงกระบอก การกลึงซีเอ็นซี เป็นเทคนิคการผลิตแบบลบในอุดมคติ ในระหว่างกระบวนการ แท่งชิ้นงานแข็งจะถูกยึดไว้กับหัวจับและหมุนด้วยความเร็วสูง ในขณะที่เครื่องมือตัดแบบพิเศษจะช่วยขจัดวัสดุที่ไม่จำเป็นออกไปได้อย่างแม่นยำ การหมุนด้วยความเร็วสูงช่วยให้มั่นใจได้ว่าการตัดทุกครั้งจะทำอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเส้นรอบวงของชิ้นงานทรงกระบอก การกลึงซีเอ็นซีเป็นเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางตามที่กำหนดและผิวสำเร็จที่เรียบเนียนในคราวเดียว เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการผลิตปริมาณมากเช่นกัน

เครื่องเจียรซีเอ็นซี

หากการกลึง CNC ตัดวัสดุจำนวนมากออกจากชิ้นงาน การเจียร CNC จะกำจัดวัสดุออกโดยใช้ล้อขัด นอกเหนือจากนั้น กระบวนการพื้นฐานในทั้งสองวิธีก็เหมือนกันโดยพื้นฐานแล้ว นอกจากนี้ยังมีความน่าเชื่อถือเท่าเทียมกันในแง่ของคุณภาพ แม้ว่าการเจียรจะช้ากว่าเล็กน้อยในเรื่องความเร็วในการผลิต ในกรณีส่วนใหญ่ การเจียร CNC จะใช้สำหรับงานตกแต่งพื้นผิวของเพลาที่กลึงแล้ว

การเจาะซีเอ็นซี

เพลาบางอันเป็นมากกว่าแท่งโลหะทรงกระบอก แต่มีรูและร่องเพื่อให้สามารถติดตั้งเข้ากับเกียร์และส่วนประกอบแบบหมุนอื่นๆ ได้ การเจาะ สร้างร่องที่มีความลึกและความกว้างต่างกันเพื่อรองรับเฟืองที่มีขนาดต่างกันด้วย เพลากลึงหรือเครื่องมือเจาะอาจหมุนและเคลื่อนที่ได้ ขึ้นอยู่กับมุม รูปร่าง และตำแหน่งของร่อง

เครื่องกัดซีเอ็นซี

เมื่อเพลากลึงจำเป็นต้องมีร่องสลัก ร่องสลัก หรือแฟลตในบางตำแหน่ง การกัดซีเอ็นซี เป็นตัวเลือกที่ใช้ในการสร้างคุณสมบัติต่างๆ เครื่องมือตัด/กัดจะหมุนด้วยความเร็วสูงและนำวัสดุออกจากเพลาเพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ ในระหว่างกระบวนการ เพลาอาจยังคงอยู่กับที่หรือเคลื่อนที่และเอียงเล็กน้อยเพื่อปรับตำแหน่ง

อีดีเอ็ม

ไม่มีเครื่องมือตัด เจาะ และกัดใน EDM ภายในระบบ ชิ้นงานจะถูกยึดและต่อเข้ากับขั้วบวก (แอโนด) ในขณะที่เครื่องมือ "ปรับรูปร่าง" จะต่อเข้ากับแคโทด เมื่อวางอยู่ใกล้กัน กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะทำให้เกิดประกายไฟ ความร้อนสูงที่เกิดจากประกายไฟสามารถละลายและระเหยวัสดุออกจากชิ้นงานได้ EDM มักใช้เมื่อเพลากลึงต้องมีการตัดขนาดเล็กที่ซับซ้อน

ขึ้นอยู่กับประเภทและการใช้งานที่ต้องการ เพลาแบบกำหนดเองอาจผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการตัดเฉือนตั้งแต่สองวิธีขึ้นไป การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาสามารถระบุได้ว่าวิธีใดที่เหมาะกับวัสดุบางชนิดมากที่สุด

ประเภทและการใช้งานทั่วไปของเพลาสั่งทำพิเศษ

แนวคิดหลักเบื้องหลังการผลิตตามสั่งคือการผลิตเพลาประเภทต่างๆ ทั้งหมดเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะต่างๆ ประเภทที่พบบ่อยที่สุดและการใช้งานมีดังนี้

เพลากลวง

ตามชื่อ เพลากลวงมีลักษณะเป็นท่อทรงกระบอกเพื่อให้อากาศ น้ำ น้ำมัน สายไฟ และส่วนประกอบ/วัตถุอื่นๆ ผ่านได้ เนื่องจากมีช่องว่างตรงกลาง จึงเบากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับของแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวเท่ากัน การใช้งานทั่วไป ได้แก่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ ระบบสายพานลำเลียง ระบบประปา และปั๊ม หากผลิตจากวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เพลากลวงอาจถูกนำมาใช้สร้างส่วนประกอบสำหรับรถยนต์และเครื่องบินสมรรถนะสูงเพื่อช่วยลดน้ำหนัก

เพลาแบบ Splined

ลักษณะพิเศษประการหนึ่งของเพลาแบบมีร่องคือมีลักษณะร่องตามยาวหรือตัดตามความยาว ร่องที่พอดีกับเฟือง รอก หรือส่วนประกอบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องเพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งและรับประกันการถ่ายโอนการเคลื่อนที่แบบหมุนได้อย่างราบรื่น การประกอบดังกล่าวพบเห็นได้ในการใช้งานที่ต้องการตำแหน่งที่แม่นยำ เช่น คัปปลิ้งเกียร์รถยนต์และระบบส่งกำลัง

เพลาเกลียว

เพลาบางชนิดต้องใช้เกลียวภายนอกหรือภายในเพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่แข็งแรงกับส่วนประกอบทางกลอื่นๆ เช่น โบลท์หรือสกรู เพลาแบบเกลียวใช้ในการใช้งานที่ต้องการการยึดและการถอดชิ้นส่วนหลายชิ้นที่ง่ายและปลอดภัย

เพลาเรียว

พบเห็นได้บ่อยที่สุดในระบบรอกของยานยนต์ ดุมล้อ และเกียร์ เพลาเรียวจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางลดลงทีละน้อยตามความยาว ความแตกต่างของเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่างปลายด้านหนึ่งกับอีกด้านหนึ่งทำให้มั่นใจในการติดตั้งอย่างแน่นหนาเมื่อจุดที่เชื่อมต่อของกลไกซึ่งเชื่อมต่อด้วยเพลามีขนาดแตกต่างกัน

เพลาแบบมีกุญแจ

ร่องในเพลาแบบมีกุญแจนั้นสอดคล้องกับกุญแจ (หรือฟัน) ของส่วนประกอบอื่น ๆ เพื่อป้องกันไม่ให้เพลาหลุดออกจากตำแหน่งหรือหมุนอย่างอิสระ มักพบในกลไกที่มีเฟือง เกียร์ และรอก เพลาแบบมีกุญแจมักใช้สำหรับการใช้งานที่จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่ออย่างแน่นหนาระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ในกลไกแรงบิดสูง เช่น ปั๊มและมอเตอร์

วัสดุเพลา CNC

อลูมิเนียมและสแตนเลสอาจเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดสำหรับการผลิตเพลา CNC แต่โลหะอื่นๆ หรือแม้แต่โลหะผสมก็ใช้งานได้ตามวัตถุประสงค์บางประการเช่นกัน

ไทเทเนียม

เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับเพลาที่มีความเที่ยงตรงสูงสำหรับการใช้งานหนัก ด้วยคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมและอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ยอดเยี่ยม เพลาไทเทเนียมจึงถูกใช้บ่อยที่สุดสำหรับรถยนต์สมรรถนะสูงและในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

สแตนเลส

เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตเพลา CNC โดยเป็นโลหะที่เชื่อถือได้รอบด้าน โดยทนทานต่อการกัดกร่อน ความทนทาน และความแข็งแรงได้ดี วัสดุนี้มีหลายเกรดและคุณภาพที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่การแปรรูปทางเคมีและอุปกรณ์ทางการแพทย์ไปจนถึงภาคส่วนยานยนต์และสภาพแวดล้อมทางทะเล

เหล็กกล้าคาร์บอน

เหล็กกล้าคาร์บอนเกรด 1045 เป็นวัสดุที่เป็นแบบอย่าง อ่อนเพียงพอสำหรับการตัดเฉือนที่มีประสิทธิภาพ แต่ยังสามารถทนต่อการบำบัดความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งได้ เหล็กกล้าคาร์บอนอาจไม่ทนต่อการกัดกร่อนได้เท่ากับเหล็กกล้าไร้สนิม แต่ก็ยังทำให้เป็นวัสดุพิเศษสำหรับเพลามอเตอร์หรือเพลาปั๊ม

อลูมิเนียม

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาและทนต่อการกัดกร่อน จึงมีความอ่อนตัวจึงทำให้สามารถแปรรูปได้สูง เป็นวัสดุเพลาในอุดมคติเมื่อการลดน้ำหนักมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่ต้องการ

โลหะผสมเหล็ก

สิ่งแรกอันดับแรก โลหะผสมเหล็กและโลหะผสมเหล็กเป็นสองสิ่งที่แตกต่างกัน องค์ประกอบของโลหะผสมเหล็กมีองค์ประกอบโลหะผสมประมาณ 5% ซึ่งอาจรวมถึงโครเมียม นิกเกิล ทังสเตน วานาเดียม และแมงกานีส หากความต้านทานการกัดกร่อนและความสามารถในการขึ้นรูปเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ วัสดุเพียงไม่กี่ชนิดก็จะดีกว่าเหล็กกล้าโลหะผสม 4340 หรือ 4140

โลหะผสมนิกเกิล

ด้วยความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมและความแข็งแกร่งที่โดดเด่น โลหะผสมนิกเกิลจึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับเพลาที่มีความแม่นยำเพื่อใช้ในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงและกังหันงานหนัก

ประสิทธิภาพการทำงานของเพลาได้รับผลกระทบอย่างมากจากปัจจัยที่แตกต่างกันอย่างน้อยสามประการ ได้แก่ น้ำหนัก ความต้านทานการกัดกร่อน และความต้านทานแรงดึง ความแข็งก็มีส่วนสำคัญเช่นกัน แต่โดยทั่วไปแล้วโลหะส่วนใหญ่จะแข็งเพียงพอสำหรับการใช้งานทุกประเภท แม้ว่าโลหะบางชนิดจะอ่อนตัว/แปรรูปได้มากกว่าชนิดอื่นๆ ก็ตาม แม้ว่าไททาเนียมและเหล็กกล้าคาร์บอนจะเหนือกว่าอะลูมิเนียมและสเตนเลสในแง่ของการลดน้ำหนักและความแข็งแรง/ความทนทาน แต่ก็มีราคาแพงกว่าเช่นกัน

หมายเหตุสิ้นสุด

การผลิตเพลา CNC เกี่ยวข้องกับชุดกระบวนการที่เน้นรายละเอียดตั้งแต่แนวคิดการออกแบบเบื้องต้นไปจนถึงการตกแต่งพื้นผิวและการควบคุมคุณภาพ ดังนั้นจึงเป็นการดีที่สุดที่จะต้องมีความเข้าใจอย่างดีเกี่ยวกับข้อกำหนดของโครงการ สภาพการทำงาน และการใช้งานที่ต้องการของเพลาสำเร็จรูปตั้งแต่แรก เนื่องจากท้ายที่สุดแล้วจะส่งผลต่อการเลือกใช้วัสดุ วิธีการตัดเฉือน และคุณภาพโดยรวมของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป โปรดทราบว่าวัสดุแต่ละชนิดมีจุดแข็งและจุดอ่อนในตัวเอง เช่นเดียวกับวิธีการตัดเฉือนทุกประเภท ด้วยเหตุนี้ หลักทั่วไปคือการได้รับความสมดุลที่ดีระหว่างคุณภาพและงบประมาณ