หนวยที่ 12 ชื่อเรื่อง กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ (Special machining process) หัวขอเรื่องยอย 12.1 เครื่องอัลตราโซนิค (Ultrasonic machining) 12.2 เครื่องพนสารเชิงทราย (Abrasive – jet machining) 12.3 เครื่องพนน้ํา (Water jet machining) 12.4 เครื่อง อี ดี เอ็ม (Electrical discharge machining : EDM) 12.5 เครื่องไฟฟาเคมีหรือ อี ซี เอ็ม (Electrochemical machining : ECM) 12.6 เครื่องยิงแสงเลเซอร (Laser beam machining) 12.7 เครื่องยิงแสงอิเล็กตรอน (Electron beam machining) 12.8 เครื่องเพิ่มความรอน (Elevated temperature machining) จุดประสงคเชิงพฤติกรรม 1. อธิบายเครื่องอัลตราโซนิคได 2. อธิบายเครื่องพนสารเชิงทรายได 3. อธิบายเครื่องพนน้ําได 4. อธิบายเครื่อง อี ดี เอ็มได 5. อธิบายเครื่องไฟฟาเคมีหรือ อี ซี เอ็มได 6. อธิบายเครือ่ งยิงแสงเลเซอรได 7. อธิบายเครื่องยิงแสงอิเล็กตรอนได 8. อธิบายเครื่องเพิ่มความรอนได กิจกรรมหลัก 1. ครูนําเขาสูบทเรียน 2. นักเรียนทําแบบทดสอบกอนเรียน
209 3. นักเรียนศึกษาเนื้อหาจากเอกสารประกอบการสอน - แบงกลุมนักเรียนกลุมละ 4-5 คน - ศึกษาเนื้อหาสาระการเรียน - อภิปรายหนาชั้นเรียน - ครูสรุปเนื้อหาสาระการเรียนประจําหนวย 4. นักเรียนทําแบบทดสอบหลังเรียน 5. ครูและนักเรียนตรวจแบบทดสอบ
210 กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ (Special machining process) กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ เปนอีกวิธีหนึ่งที่ไดมีการพัฒนาขึ้นมาเพื่อใหเหมาะสม กับการผลิตชิ้นสวน ที่มีความแข็งสูงซึ่งจะไดชิ้นงานที่มีคุณภาพ ละเอียด เที่ยงตรงสูง สูญเสียเศษ โลหะนอย แตราคาของเครื่องจักร คอนขางแพง ซึ่งสามารถแบงวิธีการผลิตใหมได เปน 4 กลุม คือ การผลิตดวยเครื่องจักรกล (Mechanical) การผลิตดวยวิธีทางเคมี (Chemical) การผลิตดวย วิธีการไฟฟาเคมี (Electrochemical) และการผลิตดวยวิธีไฟฟาความรอน (Thermoelectric) 12.1 เครื่องอัลตราโซนิก (Ultrasonic machining) เครือ่ งอัลตราโซนิก เปนเครื่องที่ใชสําหรับตัดปาดเนื้อโลหะที่มีความแข็งและเปราะ เชน คารไบด เหล็กลาทําเครื่องมือ เซรามิก แกว เปนตน รูปแบบของงานที่เหมาะสม คือ การเจาะ การทํารองเกลียว การปม และการทําผิวหนาของแมพิมพทุกรูปแบบ ขอดีของการใชเครื่อง อัลตราโซนิก คือ ไมเกิดความเคนในเนื้อวัสดุและสามารถเจาะรูที่ไมกลมได เปนตน หลักการทํางานของเครื่องอัลตราโซนิก จะใชคลื่นเหนือเสียงความถี่สงู จากเครื่องแปลงกําลัง ทําใหมีดกัดซึง่ ทํามาจากทองเหลือง หรือเหล็กออน เกิดการสั่นสะเทือนดวยความถี่สูงประมาณ 20,000 – 30,000 เฮิรตซ(Hz) การเกิดการสั่นสะเทือนดวยความถี่สูงจะทําใหเม็ดสารเชิงทรายวิ่งเขา กระแทกผิวงานดวยความเร็วสูงจนผิวงานถูกตัดออก บริเวณที่ถูกตัดเฉือนจะถูกควบคุมดวยรูปราง ของมีดกัดซึง่ มีลักษณะตามรูปทรงของชิ้นงานที่ตองการ แหลงพลังงาน
หมอแปลงไฟฟา
เครื่องแปลงกําลังเปนการสั่นทางกล
มีดกัด
หัวจับมีดกัด ของเหลวผสมสารเชิงทราย ชิ้นงาน
รูปที่ 12.1 กระบวนการอัลตราโซนิก ที่มา:ประเวศ,กรรมวิธีการผลิต,หนา 197
211 12.2 เครื่องพนสารเชิงทรายหรือการตัดปาดดวยลําฉีดความเร็วสูงของสารเชิงทราย (Abrasive-jet machining) เครื่องพนสารเชิงทราย ใชสําหรับตัด ลบคม และทําความสะอาดวัสดุที่แข็งและเปราะ โดยการพนสารเชิงทรายที่เปนผงละเอียด เชน ซิลิคอนคารไบด หรืออะลูมิเนียมออกไซด ซึง่ เปน สารเชิงทรายที่แข็งใชสําหรับตัดเจาะชิ้นงาน หรือใชสารเชิงทรายออน เชน โซเดียมไบคารบอเนต (Sodium bicarbonate) หรือโดโลไมท (Dolomite) ใชสําหรับทําความสะอาดผิวงาน หรือขัดผิวงาน หลักการทํางานของเครื่องพนสารเชิงทราย จะใชแรงดันของอากาศหรือแกสคารบอนพนสาร เชิงทรายผานหัวฉีดสารเชิงทรายที่มีรูขนาดเล็กมากดวยความเร็วสูงประมาณ 900–18,000 เมตร/นาที เม็ดสารเชิงทรายจะวิ่งเขาตัดผิวชิ้นงานไดตามรูปรางตามตองการ อากาศและผงสารเชิงทราย หัวฉีดสารเชิงทราย ขนาดรูเล็กมาก
รูปที่ 12.2 การพนผงอะลูมิเนียมออกไซด
รูปที่ 12.3 เครื่องพนทราย
212 12.3 เครื่องพนน้ําหรือการตัดปาดดวยลําน้ําฉีดความเร็วสูง (Water jet machining) กระบวนการนี้เปนการพนน้ําหรือพนของเหลวออกมาใหลําน้ําขนาดเล็กมีเสนผาศูนยกลาง ประมาณ 0.25 มม. และทํางานที่ความเร็วสูง 36,000-54,000 เมตรตอนาที ซึ่งความเร็วของ กระแสน้ําขนาดนี้ทําใหสามารถตัดไม พลาสติก ผา และในบางกรณีอาจจะตัดเซรามิกไดดวย แตกรรมวิธีนี้มีขอจํากัดคือขาดเครื่องปมที่เหมาะสม
รูป 12.4 เครื่องพนน้ํา 12.4 เครื่อง อี ดี เอ็ม (Electrical discharge machining : EDM) เครื่อง อี ดี เอ็ม เปนเครื่องจักรที่ใชสําหรับตัดปาดเนื้อโลหะออก โดยทําใหเกิดการสปารค (spark) ของกระแสไฟฟาระหวางตัวกัดกับชิ้นงานคลายกับการเชื่อมไฟฟา สามารถตัดหรือเจาะรู รูปทรงตางๆ บนชิ้นงาน ใชสําหรับผลิตแมพิมพ เฟอง ใบพัดเทอรไบด เปนตน หลักการทํางานของเครื่อง อี ดี เอ็ม เมื่อจายประจุไฟฟาระหวางขั้วลบซึง่ ตอเขากับตัวกัดหรือ แทงอิเล็กโทรด ซึ่งทํามาจากทองเหลือง ทองแดง กราไฟต ทังสเตนคารไบด เปนตน กับขั้วบวก ซึ่งตอเขากับชิ้นงานระยะหางระหวางแทงอิเล็กโทรดกับชิ้นงานจะทําใหเกิดการสปารคอยางรุนแรง และทําใหผิวชิ้นงานถูกตัดปาดออก เปนรูปรางตามลักษณะของแทงอิเล็กโทรด หรือตัวกัด การตัด ชิ้นงานดวยเครื่อง อี ดี เอ็ม จะตองใหชิ้นงานแชอยูในของเหลว เชน น้ํามันแร น้ํามันกาด ซึ่งทํา หนาที่เปนฉนวนไฟฟาและลางเศษโลหะที่เกิดจากการตัด
213
การปอนหัวกัด อัตโนมัติ ของเหลวที่เปน ฉนวนไฟฟาเขา อิเล็กโทรด
ชุดเพิ่มความเขมไฟฟา
ตัวตานทาน
ไฟฟาระบบดีซี
เศษโลหะออก งาน
รูปที่ 12.5 หลักการทํางานของ เครื่อง อี ดี เอ็ม ที่มา:ประเวศ,กรรมวิธีการผลิต,หนา198
ระบบไฮดรอลิก แผงควบคุม
แทงอิเล็กโทรด ประตูเปดปดถังของเหลว
ชุดกรองฉนวนไฟฟา
ปมฉนวนไฟฟา
รูปที่ 12.6 เครื่อง อี ดี เอ็ม (EDM.) ที่มา:ประเวศ,กรรมวิธีการผลิต,หนา 199
214 12.5 เครื่องไฟฟาเคมี (Electrochemical machining ) หรือเครื่อง อี ซี เอ็ม (ECM) การตัดปาดเนื้อโลหะดวยวิธีไฟฟาเคมี ใชหลักการเดียวกับการชุบเคลือบผิวดวยไฟฟา แตตา งกันที่การตัดปาดดวยไฟฟาเคมีจะใหชิ้นงานที่จะกัดเปนขั้วบวก และตัวกัดหรืออิเล็กโทรด เปนขั้วลบ ตัวกัดตองทําจากวัสดุที่สามารถนําไฟฟาที่ดี เชน ทองแดง ทองเหลือง แกรไฟต และ ทังสเตน แตนิยมใชทองแดง กรรมวิธีไฟฟาเคมีเหมาะสําหรับงานตัดหรือเจาะหรืองานทําแมพิมพที่มีรูปรางซับซอน ซึ่งทํา ดวยวิธีอื่นยาก ตัดไดทงั้ โลหะแข็งและเหนียวไมเกิดความเคนภายในเนื้อโลหะ หลักการทํางานของเครื่องไฟฟาเคมี เมื่อปลอยกระแสไฟฟาตรง (DC) ขนาด 10,000 แอมแปร ไปยังตัวกัดซึ่งเปนขั้วบวกและชิ้นงานทีเ่ ปนขั้วลบ จะทําใหเนื้อชิ้นงานถูกตัดออกและใชน้ํายา อิเล็กโทรไลท ที่เปนโซเดียมคลอไรด พนลงไปในชิ้นงานดวยแรงดัน 1.4 – 2.4 MPa เพื่อรักษา ชองวางระหวางผิวงานกับตัวกัดและชิ้นงานจะถูกกัดกรอนในอัตรา 0.01 ม. 3 /วินาที ซึ่งเร็วมาก แกนเลื่อนปอนกินงาน สายปอนอิเล็กโทรไลท
กระแสไฟฟาระบบดีซี ฉนวน ชุดจายพลังงาน
เครื่องมือกัดหรืออิเล็กโทรด น้ํายาอิเล็กโทรไลท งาน การแสไฟฟาระบบดีซี
รูปที่ 12.7 การทํางานเครื่อง อี ซี เอ็ม ที่มา:ประเวศ,กรรมวิธีการผลิต,หนา200
12.6 เครื่องยิงแสงเลเซอร (Laser beam machining) เลเซอร ยอมาจาก “Light amplification by stimulated emission of radiation” เปนลําแสงที่มี ความเขมขนเดินทางโดยมีการเบี่ยงเบนของลําแสงนอยมาก ขบวนการตัดปาดดวยแสงเลเซอร จะใชลําแสงเลเซอรยิงไปยังชิ้นงาน ซึ่งสามารถสรางความ รอนไดถึง 75,000 องศาฟาเรนไฮท ชิ้นงานจะถูกหลอมละลายและถูกแรงดันออกไปดวยความเร็ว สูง สามารถเจาะรูขนาดเล็กมากๆ หรือตัดชิ้นสวนอุปกรณอิเล็กทรอนิกสได
215
หลักการทํางานของเครื่องยิงเลเซอร อากาศรอนและแกสไนโตรเจน เปนอุปกรณในการสราง ลําแสงและแทงรูบี (ruby rod) จะทําหนาที่เก็บและสงพลังแสงที่มีความเขมสูง ผานเลนสรวมแสงที่ อยูหนาหัวยิงใหไปตกบนชิ้นงาน ทอแกว
หลอดไฟ
ทอสุญญากาศ แทงรูบี
อากาศรอน แสงเลเซอร
แกสไนโตรเจน เปลือกกันสะทอน
เลนส
รูปที่ 12.8 อุปกรณผลิตแสงเลเซอร ที่มา:ประเวศ,กรรมวิธีการผลิต,หนา201
เครื่องจักรประเภทนี้มีราคาแพงมากและการควบคุมการทํางานก็คอนขางยาก สําหรับปจจุบัน ไดมีพัฒนานําเครื่องยิงแสงเลเซอรมาประยุกตใชในการผลิตอยางกวางขวางขึ้น เชน การตัดโลหะ ดวยหัวตัดแกสและเพิ่มแสงเลเซอรเขาไป ทําใหสามารถตัดเหล็กไดหนากวา 10 มม. และมีตนทุน การผลิตต่ํา
ทอนําแสงเลเซอร ทอนําแกส
งาน
กระจกเงา เลนส ชุดประคองเลนส และแผนลบแรงกด แผนรับแรงกด หัวตัดออกชิเจน
รูปที่ 12.9 อุปกรณผลิตแสงเลเซอรสําหรับตัดโลหะ
216
รูปที่ 12.10 เครื่องยิงแสงเลเซอรสําหรับตัดโลหะ 12.7 เครื่องยิงแสงอิเล็กตรอน (Electron beam machining) เครื่องยิงแสงอิเล็กตรอน ใชหลักการเดียวกันกับเครื่องยิงแสงเลเซอร หลักการทํางานของ เครื่องยิงอิเล็กตรอน คือ ลําอิเล็กตรอนซึ่งมีพลังงานจลนจะเคลื่อนที่ดวยความเร็ว 16,000 กิโลเมตร ตอวินาที จะถูกเปลี่ยนเปนพลังงานความรอน เมื่อลําอิเล็กตรอนที่มีขนาดเล็กกระทบผิวงานจะเกิด ความรอนสูงกวาจุดเดือดของชิ้นงาน จะทําใหชิ้นงานถูกลําแสงกลายเปนไอและเกิดรูบนชิ้นงาน วิธีการนี้จะใชผลิตรูขนาดเล็กมากๆ หรือตัดชิ้นงานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร (semiconductor) หรือการทําเครื่องประดับ เชน เพชร พลอย เปนตน 12.8 เครื่องเพิ่มความรอน (Elevated temperature machining) โลหะเมื่อไดรับความรอน ความเคนแรงเฉือนจะลดลงทําใหใชแรงในการตัดเฉือนลดลง สามารถใชความเร็วในการตัดชิ้นงานไดสูงกวาปกติเวลาในการทํางานลดลง การเพิ่มความรอน ใหกับชิ้นงานในขณะทําการตัดเฉือนจะใชเฉพาะในการตัดเฉือนโลหะแข็ง การเพิ่มความรอนใหกับชิ้นงาน มีหลายวิธี เชน วิธีผานกระแสไฟฟาในงาน วิธีประกายไฟฟา ใชเปลวไฟจากแกส การเหนี่ยวนําไฟฟา หรือความถี่เหนือเสียง เปนตน
217
อิเล็กโทรด
งาน มีดตัด อิเล็กโทรด
รูปที่ 12.11 การใหความรอนดวยความถี่เหนือเสียง จากรูปเปนการใหความรอนกับชิ้นงานดวยคลื่นความถี่เหนือเสียง ตรงบริเวณมีดตัดและเหนือ มีดตัดเล็กนอย ซึ่งเปนบริเวณที่ถูกทําใหเกิดความรอนสูง เมื่อปลอยกระแสไฟฟาผานอิเล็กโทรด
219
แบบทดสอบกอนเรียน-หลังเรียน ประจําหนวยที่ 12 เรื่อง กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ ตอนที่ 1 จงทําเครื่องหมาย √ ลงในคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1. กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษไดพัฒนาขึ้นมาเพื่อใหเหมาะสมกับการผลิตชิ้นสวน ที่มีคุณบัติอยางไร ก. มีความเหนียว ข. มีความแข็งสูง ค. มีความเปราะ ง. มีความยืดหยุน 2. กรรมวิธีการผลิตใหมสามารถแบงไดเปน 4 กลุม ขอใดไมใช ก. การผลิตดวยวิธีทางเคมี ข. การผลิตดวยวิธีการไฟฟาเคมี ค. การผลิตดวยการหลอ ง. การผลิตดวยเครื่องจักรกล 3. เครื่องอัลตราโซนิค เปนกรรมวิธีการผลิตที่มีลักษณะการทํางานตรงกับขอใด ก. แบบสั่นสะเทือนของคลื่นเสียง ข. การพนของเหลวออกมาใหลําน้ําขนาดเล็ก ค. การทําใหเกิดประกายไฟฟาระหวางขั้วลบกับขั้วบวก ง. ขบวนการไฟฟาความรอน 4. การพนสารเชิงทรายที่เปนผงละเอียดสําหรับงานตัดเจาะสารเชิงทรายที่ใชคือ ก. ซิลิคอนคารไบด ข. โซเดียมไบคารบอเนต ค. โคโลไมท ง. คารไบด 5. เครื่อง อี ดี เอ็ม (EDM) ไมสามารถตัดหรือเจาะวัสดุจําพวกอะไรได ก. โลหะผสม ข. เซรามิก ค. โลหะออน ง. โลหะแข็ง 6. เครื่องไฟฟาเคมี (ECM) สวนมากนิยมใชวัสดุอะไรเปนหลักสําหรับทําตัวกัด ก. เหล็ก ข. ทองเหลือง ค. ทองแดง ง. ตะกั่ว 7. การผลิตชิ้นสวนของอิเล็กทรอนิกสการสื่อสาร จะใชเครื่องจักรพิเศษในขอใดทําการผลิต ก. เครื่องอัลตราโซนิก ข. เครื่องอี ดี เอ็ม (EDM) ค. เครื่องไฟฟาเคมี (ECM) ง. เครื่องยิงแสงเลเซอร
220
8. กรรมวีธกี ารผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ ขอใดที่เหมาะกับงานการเจาะหิน การทําเครื่องประดับ เพชร พลอย ก. เครื่องพนสารเชิงทราย ข. เครื่องยิงแสงอิเล็กตรอน ค. เครื่องยิงแสงเลเซอร ง. เครื่องพนน้ํา 9. เครื่องเพิ่มความรอน ในการทํางานสําหรับโลหะที่ไมใชเหล็กจะใชความรอนในขอใด ก. อะเชทิลีน ข. ไฟฟา ค. แกสหุงตม ง. แกสเฉื่อย 10. ถาตองการตัดโลหะที่มีความหนามากกวา 10 มม. ใหรวดเร็วเที่ยงตรงและตนทุนต่ํา ควรเลือก กรรมวิธีในขอใด ก. เครื่องเลื่อยสายพานแนวนอน ข. หัวตัดแกสติดแสงเลเซอร ค. เครื่องยิงแสงอิเล็กตรอน ง. เครื่องอัลตราโซนิค ตอนที่ 2 จงตอบคําถามตอไปนี้โดยการอธิบายสั้นๆพอเขาใจ 1. กรรมวิธีการผลิตดวยเครื่องจักรพิเศษ คือ อะไร……………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………….. 2. เครื่องอัลตราโซนิกเหมาะกับการตัดปาดวัสดุชนิดไหนจงบอกมา 2 ชนิด................................... .......................................................................................................................................................... 3. กรรมวิธีอะไรที่ใชในการกัดหรือเจาะชิ้นงานดวยพลังของเสียง................................................... 4. สารเชิงทรายชนิดไหนที่นิยมนํามากัดชิ้นงาน………………………………………………… 5. เครื่องพนน้ําใชอะไรเปนตัวกัดหรือเจาะชิ้นงาน ............................................................................ 6. กรรมวิธีอะไรที่ใชหลักการของไฟฟาขั้วบวกและขั้วลบ ทําใหเกิดการตัดหรือเจาะบนชิ้นงาน ... ............................................................................................................................................................. 7. วัสดุที่ใชทําตัวกัดสําหรับเครื่องไฟฟาเคมี (ECM) จะตองมีคุณสมบัติอยางไร................................ ............................................................................................................................................................. 8. เครื่องยิงแสงเลเซอรเหมาะกับการตัดวัสดุชิ้นงานชนิดใด............................................................. 9. จากพลังจลนแลวเปลี่ยนมาเปนพลังงานความรอน คือ กรรมวิธีของเครื่องจักรพิเศษแบบไหน..... ............................................................................................................................................................. 10. เครื่องเพิ่มความรอนมีหลักการทํางานอยางไร.............................................................................. ……………………………………………………………………………………………………….