|
ซอฟท์แวร์ไฟไนต์วอลุ่ม(Finite
Volume)
กับการวิเคราะห์การตีขึ้นรูป(Forging)
|
|
ชัยฤทธิ์ อู่พิชิต
e-mail : chaiyarit@champion.co.th
|
ข้อมูลต่างๆที่ใช้ประกอบการวิเคราะห์การตีขึ้นรูปโดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ไฟไนต์วอลุ่มที่ใช้เป็นตัวอย่างมีอยู่หลายองค์ประกอบด้วยกัน
ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะสอดคล้องกับธรรมชาติของการตีขึ้นรูปโลหะ
ดังเช่นค่าคุณสมบัติของวัสดุ ซึ่งโดยทั่วไปพฤติกรรมของวัสดุที่เกิดการเปลี่ยนรูปเชิงพลาสติก(Plastic
Deformation) จะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเครียด (Strain)
อัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียด (Strain rate) และอุณหภูมิ
ที่ตำแหน่งและช่วงเวลาใดๆของอนุภาคโลหะ โดยคุณสมบัติของวัสดุแต่ละชนิดจะได้มาจากการทดลองแบบกด
(Compression Test) ที่ความเร็วและอุณหภูมิต่างๆ จะก่อให้เกิดเส้นโค้งของความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดที่อัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียดและอุณหภูมิต่างๆ
สำหรับการตีขึ้นรูปเย็นความเค้นจะมีอิทธิพลต่อระบบมากกว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียด
ในขณะเดียวกันอัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียดจะมีผลต่อการขึ้นรูปร้อนมากกว่าความเครียด
โดยทั่วไปสมการทางคณิตศาสตร์ที่รองรับแบบจำลองของวัสดุมีอยู่หลายรูปแบบ
แต่โดยส่วนใหญ่สำหรับปัญหาการตีขึ้นรูปสามารถแยกได้เป็นสองลักษณะดังนี้
โดย S
คือค่าความเค้นครากต่ำที่สุด (Minimum Yield Stress)
, 
คือความเครียดประสิทธิผล (Effective Strain) ,
 คืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียดประสิทธิผล
(Effective Strain Rate), A,C,M และ N คือค่าคงที่เฉพาะของวัสดุ
|
นอกจากคุณสมบัติของวัสดุแล้วความเร็วที่ใช้ในการตีถือเป็นข้อมูลประกอบการวิเคราะห์ที่สำคัญ
เพราะจะไปมีผลกระทบโดยตรงต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียดในระบบ
ซึ่งจะเกี่ยวโยงไปถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเนื่องจากงานการเปลี่ยนรูปของโลหะ
โดยทั่วไปเส้นกราฟความสัมพันธ์ของระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์เมื่อเทียบกับเวลาจะขึ้นอยู่กับลักษณะของเครื่องที่ใช้
ดังเช่น เครื่องแบบ Crank Press แบบ Hammer แบบ Screw
Press หรือแบบ Hydraulic Press โดยในแต่ละลักษณะจะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วในรูปแบบต่างๆ
ดังเช่นจะเกิดลักษณะความเร็วคงที่ในเครื่องแบบ Hydraulic
Press หรือความเร็วมีลักษณะเป็นรูปคลื่นหากใช้เครื่องแบบ
Crank Press เป็นต้น
ปัจจัยของความเสียดทานมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงภายในระบบการตีขึ้นรูปโลหะได้เช่นเดียวกันเนื่องจากจะก่อให้เกิดความเค้นเฉือน
(Shear Stress) ตรงบริเวณผิวสัมผัสระหว่างชิ้นงานและแม่พิมพ์
ซึ่งจะส่งผลถึงทิศทางในการไหลของโลหะที่เกิดขึ้นในแม่พิมพ์
นอกจากความเสียดทานแล้ว อุณหภูมิก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญ
เพราะจะส่งผลโดยตรงถึงคุณสมบัติของวัสดุดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น
ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในชิ้นงานจะเกิดจากหลายองค์ประกอบด้วยกันคือ
การนำความร้อนที่เกิดขึ้นในชิ้นงาน การถ่ายเทความร้อนระหว่างชิ้นงานกับอากาศ
และ ชิ้นงานกับแม่พิมพ์ การพาความร้อนเนื่องจากความเร็วการไหลของโลหะ
ความร้อนที่เกิดขึ้นเองเนื่องมาจากการเปลี่ยนรูปของโลหะ
เป็นต้น นอกจากนี้ อุณหภูมิยังมีผลต่อการขยายตัวและหดตัวของโลหะซึ่งจะมีผลต่อความคลาดเคลื่อนของขนาดของชิ้นงานภายหลังกระบวนการตีขึ้นรูป
ซึ่งการขยายตัวหรือหดตัวของโลหะนี้จะขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของวัสดุอันเนื่องมาจากความร้อน
(Thermal Expansion Coefficient) ซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุ
ขนาดของการขยายหรือหดตัวนี้ สามารถทำการคำนวณได้จากระเบียบวิธีเชิงตัวเลขต่างๆดังเช่น
ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์
โดยทั่วไปผลการวิเคราะห์ที่สำคัญจะอยู่ในรูปของความดัน
อุณหภูมิ และส่วนประกอบของความเร็วในทิศทางต่างๆ ที่แต่ละขั้นเวลา(Time
Step) ของการคำนวณ ดังนั้นจึงสามารถแสดงผลในลักษณะต่อเนื่องตั้งแต่ชิ้นงานเริ่มต้นไปจนกระทั่งถึงช่วงที่ชิ้นงานเปลี่ยนรูปเสร็จสิ้น
ซึ่งผลเหล่านี้จะทำให้ผู้ออกแบบทราบถึงปริมาณเนื้อโลหะว่าไหลเข้าไปเต็มแม่พิมพ์หรือไม่
มีครีบที่เหลือจากการตีขึ้นรูปมากน้อยเพียงไร แรงดันที่ชิ้นงานกระทำต่อแม่พิมพ์เป็นเท่าไร
ความหนาแน่นของวัสดุที่แต่ละตำแหน่งต่างกันอย่างไร จำนวน
stage ที่ใช้ในการตีเป็นเท่าไร ชิ้นงานเริ่มต้นควรมีลักษณะอย่างไร
ควรใช้สารหล่อลื่นชนิดใด ควรเลือกใช้เครื่องชนิดใด ฯลฯ
ข้อมูลเหล่านี้จะช่วยวิศวกรผู้ออกแบบในการตัดสินใจก่อนที่จะทำการผลิตจริง
ซึ่งหากผลที่ได้ยังไม่เป็นที่พึงพอใจ การปรับเปลี่ยนขนาดของชิ้นงาน
ลักษณะของแม่พิมพ์ รวมถึงสภาวะการตีขึ้นรูป จะสามารถกระทำได้โดยง่าย
ซึ่งโดยรวมจะทำให้ลดเวลาในการออกแบบแม่พิมพ์ และได้แม่พิมพ์ที่มีคุณภาพ
องค์ประกอบดังที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้น
เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญที่จะใช้วิเคราะห์พฤติกรรมการไหลของโลหะที่เกิดขึ้นจากการตีขึ้นรูปโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้นมาจากเทคโนโลยีไฟไนต์วอลุ่ม
ที่ถือว่าเป็นเครื่องมือสมัยใหม่ของยุคที่คอมพิวเตอร์เข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันดังเช่นปัจจุบัน
ซึ่งวิศวกรสมัยใหม่มีความจำเป็นที่จะต้องเรียนรู้ และผลักดันให้เกิดการออกแบบและวิจัยอย่างเป็นระบบและถูกต้อง
เพื่อให้ได้สินค้าที่มีคุณภาพเป็นที่ยอมรับ และสามารถแข่งขันได้กับหลายๆประเทศในทวีปเอเชียที่มีเทคโนโลยีนำหน้าเราไปหลายช่วงตัว
ดังเช่น ญี่ปุ่น ไต้หวัน เกาหลีใต้ และสิงคโปร์ ซึ่งนอกจากการตีขึ้นรูปแล้ว
การวิเคราะห์ปัญหาทางวิศวกรรมในด้านอื่นๆ ดังเช่น การสั่นสะเทือน
การถ่ายเทความร้อน การไหลของของไหล ฯลฯ ล้วนแล้วแต่สามารถทดสอบวิเคราะห์บนเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ทั้งสิ้น
หากเพียงแต่หน่วยงานต่างๆพร้อมแล้วหรือยังที่จะเปิดรับเทคโนโลยีเหล่านี้เพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ของตนเองแทนที่จะเป็นผู้รับจ้างผลิตหรือประกอบดังที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน
หนังสืออ้างอิง
1. ปราโมทย์ เดชะอำไพ. ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ในงานวิศวกรรม.
พิมพ์ครั้งที่ 2. กรุงเทพมหานคร: สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย,
2542.
2. H.K Versteeg and W. Malalasekera. An introduction
to computational fluid dynamics The finite volume method.
England: Longman Scientific&Technical, 1995.
3. MSC.SuperForge User's Manual (Version 1.0).
The MacNeal-Schwendler Corporation, 1998
4. George E. Dieter. Mechanical Metallurgy. New
York: McGraw-Hill, 1998
5. Taylan Altan, Soo-lk Oh and Harold L. Gegel. Metal
Forming Fundamentals and Application. U.S.A.: American
Society for Metals, 1986.
|
|
