การคำนวณแรงที่ใช้ตัดโลหะแผ่น

                ในการตัดโลหะแผ่นโดยใช้พันช์และดาย มักจะใช้ปลายคมตัดแบนราบ คือผิวหน้าคมตัดทำมุม 90 องศากับเส้นผ่านศูนย์กลางของดาย ขณะที่ดายเริ่มต้นทำงาน การตัดจะเริ่มต้นขึ้นที่เส้นรอบรูปของพันช์อย่างต่อเนื่อง และหลักการเช่นเดียวกันนี้ก็จะเกิดที่ดายเหมือนกัน

                บางโอกาสเมื่อต้องการตัดโลหะแผ่นที่ หนามากขึ้น เพื่อลดแรงในการตัดจำเป็นต้องลับคมตัดของพันช์หรือดายให้เอียงเป็นมุมจะทำ ให้คมตัดของพันช์หรือายค่อยๆจมลึกลงไปในเนื้อโลหะแผ่นทีละน้อย ซึ่งเรียกการตัดนั้นว่า การตัดเฉือน (Shear) การตัดโลหะแผ่นโดยใช้แม่พิมพ์ตัดทุกกระบวนการจะมีการยึดติดระหว่างชิ้นงานส่วนที่รูกับด้านข้างของพันช์ ดังนั้นจึงต้องมีการนำเอาโลหะแผ่นออกจากพันช์ในบทนี้จะกล่าวถึงวิธีการคำนวณหาแรงและพลังงานที่ใช้ในการตัด ซึ่งมีดังต่อไปนี้

·       แรงที่ใช้ในการตัดโดยใช้ผิวหน้าคมตัดแบนราบ

·       แรงที่ใช้ในการตัดโดยผิวหน้าคมตัดถูกตัดเฉือน

·       แรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออก (Stripping forcc)

·       งานหรือพลังงานที่ใช้

สูตรต่างที่ใช้การคำนวณในบทนี้ สามารที่จะนำไปดัดแปลงใช้ได้กับกระบวนการตัดอื่นทุก

กระบวนการ

                การคำนวณหาแรงก็เพื่อนำไปใช้เลือกขนาดจำนวนตันที่เหมาะสมของเครื่องปั้มโลหะ และนำไปคำนวณหาขนาดของชิ้นส่วนที่จะใช้ทำแม่พิมพ์ งานหรือพลังงานที่ใช้จะถูกนำไปคำนวณหาขนาดของมอเตอร์ของเครื่องปั๊มโลหะ ขณะที่แรงดันแผ่นชิ้นงานให้หลุดออกได้ถูกใช้หาขนาดและการอัดตัวของสปริง หรือขนาดของยางยูริเทน หรือขนาดของท่อลม ซึ่งสิ่งต่างๆเหล่านี้จะเป็นตัวบังคับให้แผ่นปลดชิ้นงานทำงาน บางครั้งเพื่อลดแรงในการตัดก็ต้องคำนวณหาระยะคมตัดเฉือนด้วย

แรงที่ใช้ตัดโดยใช้ผิวหน้าคมตัดแบนราบ

                สูตรที่ใช้ในการคำนวณ

                                แรง = ความแข็งแรงเฉือน x เส้นรอบรูปของการตัด x ความหนาของโลหะแผ่น

หรือ

                                F =  

                ในที่นี้

                                F = แรงที่ใช้ตัด หน่วยตัน

                                L = ความยาวเส้นรอบรูปการตัด หน่วยนิ้ว

                                t  = ความหนาของโลหะแผ่น

                           Ss  = ความแข็งแรงเฉือน หน่วยปอนด์ต่อตารางนิ้ว

                ความแข็งแรงเฉือนของโลหะใดคือ ความต้ านทานการตัดของโลหะนั้นในแม่พิมพ์จะมีหน่วยเป็นปอนด์ต่อตารางนิ้ว ความแข็งแรงเฉือนจะเป็นสิ่งชี้ให้เห็นถึงว่า ความเค้นที่ถูกกระทำขึ้นมาบนโลหะนั้นเกิดการเฉือนขาดได้ ค่าความแข็งแรงเฉือนของวัสดุที่นำมาตัดชนิดต่างๆ แสดงไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าความแข็งแรงเฉือนของโลหะชนิดต่างๆ

แรงที่ใช้ตัดโดยใช้ผิวหน้าคมตัดแบบตัดเฉือน

                การที่ลับผิวหน้าคมตัดของพันช์หรือดายให้เป็นมุมจะเป็นการช่วยลดแรงที่ต้องใช้ในการตัดลง การสร้างมุมเอียงที่ผิวหน้าคมตัดมีข้อดีทางกลก็คือ ถ้ามุมเอียงยิ่งมากแรงที่ใช้ยิ่งน้อยลง ดังนั้นถ้าหากว่าแรงที่ใช้ตัดมีมากกว่าขนาดของเครื่องปั๊มโลหะ มุมนี้จะทำให้ขนาดของเครื่องปั๊มโลหะที่มีอยู่ใช้ตัดโลหะได้ดีขึ้น

                การตัดเฉือนคมนั้นอาจจะตัดคมขึ้นหรือลงก็ได้ ระยะที่ตัดจะถูกวัดเป็นนิ้ว ลักษณะของการตัดเฉือนคมตัดได้แสดงในรูปที่ 2.1 คืออาจจะตัดเอียงเป็นมุมเดียว ตัดเอียงสองมุมร่วมกัน ตัดเป็นรูปโค้งเข้า

รูปโค้งออก หรือรูปร่างอย่างอื่น การตัดเฉือนที่คมตัดของพันช์นั้นจะใช้สำหรับการตัดรู แผ่นชิ้นงานที่หลุดออกมาจากการตัดจะบิดงอ ส่วนการตัดเฉือนที่คมตัดของดายใช้สำหรับการตัดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออกและการตัดขลิบริม โลหะแผ่นที่ถูกตัดเหลือเศษเป็นโครงร่าง (Scrap skeleton) จะบิดงอ

 

สูตรที่ใช้ในการคำนวณ

                Fs = KF                 ซึ่ง K =

ในที่นี้   K คือ ค่าคงที่เป็นอัตราส่วนระหว่างระยะกินลึกกับระยะตัดเฉือนคมตัด

                Fs คือ แรงที่ใช้ในการตัดเฉือนคมตัด หน่วยตัน

                S  คือ ระยะตัดเฉือนคมตัดบนพันช์หรือดาย หน่วยนิ้ว

                P  คือ เปอร์เซ็นต์ระยะกินลึก

ค่า P สามารถหาได้จาก ตารางในบทที่ 1

 แรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออก (Stripping force)

                โลหะแผ่นเมื่อตัดรู ออกไปแล้ว รูจะติดพันช์ขึ้นไปทั้งนี้เนื่องจากการกระเด้งตัวกลับของเนื้อโลหะบางส่วน ที่อยู่รอบๆรูที่ตัดยังอยู่ในภาวะยืดหยุ่นตัว โลหะแผ่นที่มีความแข็งกว่าและบางกว่าต้องการใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออก น้อยมาก โลหะที่ผ่านการอบคืนตัวและโลหะที่อ่อนมีแนวโน้มที่จะเกิดการเชื่อมแบบเย็น ตัวได้ง่ายต้องใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานออกมากกว่า กฎในการออกแบบแม่พิมพ์ตัดคือ จะกำหนดให้แรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออกมามีค่าเท่ากับ 10 เปอร์เซ็นต์ ของแรงที่ใช้ในการตัด แต่ถ้าขนาดช่องว่างระหว่างพันช์มากกว่า 15 เปอร์เซ็นต์ แรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออกจะลดลง 5 เปอร์เซ็นต์ ของแรงที่ใช้ตัด

                ข้อควรพิจรณาเกี่ยวกับแรงปลดแผ่นชิ้นงานให้หลุดออกจากพันช์มีดังนี้

1.       โลหะที่อ่อนต้องใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานมากกว่า

2.       การใช้ขนาดช่องว่างแม่พิมพ์น้อยต้องใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานมากกว่า

3.       การตัดที่เกิดขึ้นใกล้ๆขอบของโลหะแผ่น ต้องการใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานน้อย เพราะโลหะแผ่นสามารถดีดตัวออกจากพันช์ได้ง่าย

4.       การตัดที่มีความเร็วสูงกว่าจะเป็นตัวทำให้พันช์ร้อนได้ง่าย จะเกิดการเชื่อมแบบเย็นตัวมากขึ้น ต้องใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานมาก

5.       สารหล่อลื่นช่วยลดแรงปลดแผ่นชิ้นงานได้

6.       การเจียรนัยพันช์และดายในแนวดิ่ง จะมีผลทำให้ใช้แรงปลดแผ่นชิ้นงานน้อยลง

แรงปลดแผ่นชิ้นงานสามารถคำนวณได้จากสูตร

                                fs = 3500Lt

ในที่นี้ fs คือแรงปลดแผ่นชิ้นงาน หน่วยปอนด์

 ตัวอย่างที่ 1    ต้องการผลิตแหวนรองแป้นเกลียว ขนาดความหนา 0.060 นิ้ว มีรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง นิ้ว

และเส้นผ่านศูนย์กลางนอก  นิ้ว ดังแสดงในรูปที่ 2.2 วัสดุที่ใช้ทำคือเหล็กกล้า  SAE 1010  มีความแข็งแรงทางดึงสูงสุด 35,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ให้คำนวณหา 1)  แรงที่ใช้ในการตัดแหวนรองแป้นเกลียวโดยตัดทั้งรูและแผ่นแหวน  2)  แรงที่ต้องใช้ในการตัดแผ่นแหวนอย่างเดียว  3) สมมุติว่าวัสดุชนิดนี้มีเปอร์เซ็นต์ระยะกินลึก 60 เปอร์เซ็นต์และมีการทำคมเฉือนที่ปลายพันช์ 0.050 นิ้ว  หาแรงที่จำเป็นต้องใช้ในการตัดแผ่นแหวนอย่างเดียว  4)  แรงปลดแผ่นแหวนรองแป้นเกลียวให้หลุดออกจากพันช์ทั้งสองตัว

รูปที่ 2.2 แหวนรองแป้นเกลียว

                1.    แรงที่พันช์ทั้งสองตัวตัดชิ้นงาน โดยไม่ทำคมตัดเฉือนบนแท่งพันช์

F =       = 

1.1.01       =  

=   3.7  ตัน

2.        แรงที่พันช์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง นิ้ว ตัดชิ้นงาน

F  =   = 

=  2.47 ตัน

3.       แรงที่พันช์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง นิ้ว ตัดชิ้นงานและทำการเฉือนคมตัดที่ปลายพันช์เป็นระยะ 0.05 นิ้ว

Fs  =  KF       =   (F)               =   x   x (2.47)

=  1.78 ตัน

4.        แรงในการปลดแผ่นชิ้นงานบนพันช์ทั้งสองตัว

fs  =  3500 Lt                                = 3500  (0.75 + 0.375)(0.06)

=  742 ปอนด์

ช่องว่างของแม่พิมพ์

ช่องว่างของแม่พิมพ์คือ ช่องว่างที่อยู่ระหว่างขอบคมตัดของพันช์และดาย ในการเลือกใช้ช่องว่างแม่พิมพ์ต้องเลือกใช้เหมาะสม เพราะช่องว่างของแม่พิมพ์มีผลต่อคุณภาพของขอบตัดของชิ้นงานและแรงที่ใช้ในการตัด ช่องว่างต่อด้านของแม่พิมพ์ที่เหมาะสมของวัสดุชนิดต่างๆ ได้แสดงไว้ในตารางที่ 2.2 ช่องว่างของแม่พิมพ์จะกำหนดเป็นเปอร์เซ็นต์ของความหนาของชิ้นงาน

     ตารางที่ 2.2 ช่องว่างต่อด้านของแม่พิมพ์ที่เหมาะสมของวัสดุชนิดต่างๆ

Material	Clearance Allowance (%)
Aluminum Brass Copper Soft steel Medium steel Hard steel	6.0 3.0 3.0 3.0 3.5 4.0

 

 

 

 

 

 

 

 งานที่เกิดขึ้นจากการตัดชิ้นงานบนแม่พิมพ์ตัด

งานที่ต้องการใช้ในการตัดหาได้ จากแรงที่ใช้คูณด้วยระยะทางที่กระทำผ่านแรงนั้น เขียนเป็นสูตรได้

                                งาน   =  แรง x ระยะทาง

                                W    =   F x p x t

                                ในที่นี้ W คือ งานที่ต้องการใช้หน่วย ปอนด์ – นิ้ว

                ระยะทางที่ทำให้เกิดงาน คือ ระยะที่พันช์กินลึกลงไปในเนื้อโลหะจนกระทั่งเกิดการแตกอย่างสมบูรณ์ของชิ้นงาน

การออกแบบพันช์และดาย

                ขนาดของพันช์จะมีขนาดเท่ากับรูที่จะตัด ส่วนขนาดรูในของดายมีขนาดเท่ากับแผ่นชิ้นงานที่หลุดออกจากการตัด แต่ผลของการกระเด้งตัวกลับของชิ้นงานภายหลังจากการตัด ทำให้ขนาดรูของชิ้นงานมีขนาดเล็กลง และขนาดของชิ้นงานที่หลุดออกมาจากการตัดมีขนาดใหญ่ขึ้นเล็กน้อย ดังนั้น กรณีตัดรูกลมขนาดของพันช์จะเพิ่มขึ้นอีก 0.002 นิ้ว ขนาดของดายจะเล็กลง 0.002 นิ้ว กรณีตัดรูไม่กลม ขนาดพันช์จะเพิ่มขึ้นและดายจะเล็กลง 0.001 นิ้ว