บทความบ

กระบวนการหลอความดนสง (High Pressure Die Casting Process, HPDC) เปน กระบวนการหลอทใชขนรปชนงานทมลกษณะบาง รปรางซบซอน และระดบความเรยบผวสง ชนงานทไดจะมขนาดและรปรางใกลเคยงกบรปรางสดทายทตองการ (near-net-shape) และ ตองการการกดแตง (machining) นอยหรอไมจำเปนเลย กระบวนการนสามารถหลอขนรป ชนงานขนาดเลกทมนำหนกเพยงไมกกรม เชน หวซป ไปถงชนงานขนาดใหญ เชน เสอสบ รถยนตนำหนก 30-40 กโลกรม โดยมรอบกระบวนการผลตสน (10-90 วนาท) ทำใหม อตราการผลตสง

ปจจยสำคญทมอทธพลตอคณภาพชนงานในกระบวนการ

หลอความดนสง (ตอนท 1)

ดร.พงษศกด ดลยประพนธ

หองปฏบตการขนรปโลหะใกลรางสดทายหนวยวจยดานประสทธผลการใชงานวสด• ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต

e-mail : pongsakd@mtec.or.th

ตลาคม - ธนวาคม 255758

โลหะทสามารถใชในกระบวนการหลอความดนสง ไดแก สงกะส อะลมเนยม แมกนเซยม ดบก และตะกว แตในประเทศไทยนยมใชอะลมเนยมและสงกะส

ชนงานหลอทผลตจากกระบวนการน ไดแก ชนสวนรถยนตและจกรยานยนต ชนสวนเครองใชไฟฟา อเลกทรอนกส คอมพวเตอรและอปกรณโทรคมนาคม และอนๆ เปนตน

ตารางท 1. เปรยบเทยบกระบวนการหลอแบบตางๆ

ภาพท 1 ตวอยางชนสวนยานยนต และอปกรณอเลกทรอนกสทผลตโดยกระบวนการหลอความดนสง

1. คณลกษณะของกระบวนการหลอความดนสง การผลตชนงานทบางและมรปรางทซบซอน ประกอบดวยองคประกอบหลก 3 อยาง ไดแก

1.1) โลหะเหลวถกฉดเขาสโพรงภายในแมพมพดวยแรงดนสงผานทางเขา (ingate) ขนาดเลกทม ความหนาอยระหวาง 0.3–3 มลลเมตร ทำใหโลหะเหลวมลกษณะการไหลทเปนละอองตอเนองดวยความเรวสง (atomize jet flow) 25-60 เมตรตอวนาท (เปรยบเทยบไดกบการเปดนำผานสายยางทมการบบปากสายยางใหม ขนาดพนทหนาตดลดลง) จงสามารถแทรกตวเขาไปในชองวางทมความบางหรอรปรางซบซอนภายโพรงแมพมพ ไดงาย นอกจากน ละอองโลหะเหลวทสมผสกบผนงของแมพมพจะมอตราการเยนตวสงจงเกดการแขงตวไดอยาง รวดเรวทำใหผวของชนงานหลอบรเวณทสมผสกบผนงของแมพมพมความเรยบสง

ตลาคม - ธนวาคม 2557 59

ภาพท 2 ลกษณะการไหลแบบเปนละอองของโลหะเหลวททางเขาโพรงแมพมพของกระบวนการหลอความดนสง

1.2) โลหะเหลวไหลเขาเตมโพรงภายในแมพมพ (fill time) ในเวลาทสนมากประมาณ 0.02–0.3 วนาท ทำใหอากาศทอยภายในโพรงแมพมพไมสามารถระบายออกไดมากพอ กลายเปนโพรงอากาศทมความดนตกคางสง แทรกอยภายในชนงาน โดยเฉพาะบรเวณทมความหนามาก โพรงอากาศจะมขนาดใหญขนและมจำนวนมากขนดวย

ภาพท 3 ลกษณะของโพรงอากาศภายในชนงานหลอทผลตจากกระบวนการหลอความดนสงและลกษณะการโปงพองทผวของชนงานหลอเมอนำชนงานไปอบทอณหภมสง

ภาพท 4 แสดงระดบความเรวและความดนของโลหะเหลว และปรมาณโพรงอากาศภายในชนงานทขนรป ดวยกระบวนการหลอความดนสงเมอเปรยบเทยบกบกระบวนการหลออนๆ โดยปรมาตรของอากาศทตกคางภายใน ชนงานทหลอจากกระบวนการหลอความดนสงมคาสงกวากระบวนการหลออนๆ มาก เมอนำชนงานหลอทผลตจาก กระบวนการหลอความดนสงไปอบทอณหภมสงหรอนำไปเชอมจะเกดการโปงพองขนทผวของชนงาน เนองจาก ความรอนทำใหความดนอากาศตกคางภายในโพรงอากาศเกดการขยายตวและดนใหผวของชนงานหลอพอง จงเปน ขอจำกดททำใหชนงานหลอทขนรปดวยกระบวนการหลอความดนสงไมสามารถนำไปอบชบเพอเพมความแขงแรงได

(1) (2) (3) (4)

(5) (6) (7) (8)

ตลาคม - ธนวาคม 255760

ภาพท 4 ระดบความเรวและความดนของโลหะเหลว (บน) และปรมาณโพรงอากาศภายในชนงานทขนรปดวยกระบวนการหลอความดนสงเมอเปรยบเทยบกบกระบวนการหลออนๆ (ลาง)

1.3) โลหะเหลวทกำลงแขงตวอยภายในโพรงแมพมพถกอดดวยความดนสงประมาณ 400-1000 เทา ของความดนบรรยากาศ (ขนอยกบขดความสามารถของเครองและการเลอกขนาดพลนเจอร (plunger) ทเหมาะสม) จนกระทงโลหะเหลวทบรเวณทางเขาเปลยนสถานะเปนของแขงจงหยดใชความดน และรอใหโลหะเหลวภายใน แมพมพทงหมดเปลยนสถานะเปนของแขงจงเปดแมพมพเพอนำชนงานออก การใชความดนสงอดโลหะเหลวสงผลด 2 ขอคอ (1) ลดปรมาณโพรงทภายในชนงานบรเวณใกลทางเขา และ (2) ชวยใหผนงของชนงานแนบตดกบผนง ของแมพมพ สงผลใหมอตราการเยนตวทสงขน

ปจจยหลกทมอทธพลตอประสทธภาพการใชความดนสงในการอดโลหะเหลวในระหวางการแขงตวขนอยกบ ตวแปร 3 อยาง ไดแก (1) ความหนาของทางเขาโพรงแมพมพ โดยทวไปมขนาดประมาณ 1.5–3 มม. (2) ระดบของความดนสงสดของเครองฉด และ (3) ความรวดเรวในการตอบสนองคำสงของเครองฉด

ตลาคม - ธนวาคม 2557 61

ภาพท 5 การใชความดนสงอดในระหวางการแขงตวของโลหะเหลวภายในแมพมพเพอลดโพรงภายในชนงาน สแดง สเขยว และสฟา แสดงถงโลหะในสถานะของเหลว กงแขงกงเหลว และของแขง ตามลำดบ

ประสทธภาพของการใชความดนอดเพอลดโพรงขนอยกบเวลาทใชในการสรางความดนอดของเครองฉดเปรยบเทยบกบอตราการเยนตวของโลหะเหลวภายในระบบทางเดนโลหะหลอมเหลว (gating system) และชนงานหลอ

2. คณภาพของชนงานหลอ คณภาพของชนงานหลอแบงเปนสองกลมหลก โดยหนาทการใชงาน (functionality) ของชนงานจะเปนตว กำหนดประเภทและระดบคณภาพของชนงานหลอทตองควบคมในระหวางกระบวนการผลต

2.1) คณภาพผวของชนงานหลอ(SurfaceFinish)

คณภาพผวชนงานหลอทผลตจากกระบวนการหลอความดนสงมหลายระดบ ตงแตระดบความเรยบผวสงสด ทตองนำไปชบผวเรยบดวยกระบวนการทางไฟฟาเคม ไปถงระดบความเรยบผวของชนงานตามสภาวะการหลอ (as cast) การออกแบบแมพมพและการกำหนดคาพารามเตอรในการฉดชนงานทตองการผวทมความเรยบสงจะตองเลอกใช พลนเจอรขนาดใหญทใหอตราการไหลทสงกวาทความเรวพลนเจอรเทากน

อตราการไหลทสงกวาจะทำใหเวลาในการฉดโลหะเหลวเตมโพรงภายในแมพมพสนกวา ชวยลดการสญเสย ความรอนของโลหะเหลว สงผลใหโอกาสในการเกดขอบกพรองทผวลดลง แตจำเปนตองกำหนดตำแหนงของรระบาย อากาศ (vent) ใหสอดคลองกบทศทางการไหลของโลหะเหลว และมพนหนาตดของรระบายอากาศทเพยงพอจะ สามารถระบายอากาศภายในโพรงแมพมพระหวางทโลหะเหลวถกฉดเขาสแมพมพไดภายในเวลาทสน

โดยทวไปปจจยทเปนสาเหตหลกทมผลกระทบตอระดบคณภาพผวของชนงานหลอประกอบดวย (1) รปแบบ การไหลของโลหะเหลวภายในโพรงแมพมพ (2) ความสามารถในการระบายอากาศออกจากโพรงภายในแมพมพใน ระหวางการฉดโลหะเหลวเขาสแมพมพ (3) ความเรวของโลหะเหลวขณะไหลผานทางเขา (4) อณหภมของโลหะ เหลวและแมพมพ

ตลาคม - ธนวาคม 255762

2.2) ความสมบรณภายในชนงานหลอ(CastingSoundness)

ความไมสมบรณภายในชนงานหลอทเกดขนจากกระบวนการหลอความดนสงประกอบดวยโพรงอากาศ โพรงหดตว และการปนเปอนของสงแปลกปลอมภายในเนองานหลอ แตปญหาหลกคอ โพรงอากาศ และโพรงหดตว ดงรายละเอยดเพมเตมตอไปน

ภาพท 7 แสดงกลไกการเกดโพรงอากาศภายในชนงานอางนำมนเครอง (engine oil pan) ทเปนผลมาจาก

ลกษณะการไหลของโลหะเหลว

2.2.1) โพรงอากาศ(GasPorosity)

โพรงอากาศทเกดขนภายในชนงานหลอม ลกษณะทแตกตางกนไปขนกบปจจยตางๆ ไดแก รปแบบ การไหลของโลหะเหลวภายในโพรงแมพมพ ความสามารถ ในการระบายอากาศออกจากโพรงภายในแมพมพระหวาง การฉดโลหะเหลว ความเรวของโลหะเหลวขณะไหลผาน ทางเขา และการตกคางของสารหลอลนบนผวหนาแมพมพ หรอการปนเปอนของสารหลอลนในโลหะเหลว

(f)(e)(d)

(c)(b)

ภาพท 6 ตวอยางชนงานหลอทระดบความเรยบผวแตกตางกนและลกษณะขอบกพรองของความเรยบผวในแตละระดบ(a) ระดบความเรยบผวของชนงานหลอทตองนำไปชบผวดวยกระบวนการทางไฟฟาเคม

(b) ระดบความเรยบผวของชนงานหลอทวไป(c) ลกษณะขอบกพรองของชนงานทตองการระดบความเรยบผวทตองนำไปชบผวดวยกระบวนการทางไฟฟาเคม

(d, e, f) แสดงลกษณะขอบกพรองของชนงานทวไป

(a)

ตลาคม - ธนวาคม 2557 63

(b)(a)

2.2.2) โพรงหดตว(Shrinkage)

โพรงหดตวเกดขนจากการเปลยนสถานะจากของเหลวเปนของแขงในระหวางการเยนตวของโลหะเหลว ภายในโพรงแมพมพ โดยจะพบในตำแหนงทโลหะเหลวแขงตวเปนจดสดทายเมอเปรยบเทยบกบบรเวณรอบขาง โพรงหดตวยงเปนสาเหตหลกททำใหเกดความบกพรองตางๆ ไดแก การรวของชนงาน และการยบทผว เปนตน

โดยทวไปปญหาโพรงหดตวทเกดขนกบชนงานหลอจะมความสมพนธโดยตรงกบการเปลยนแปลงอณหภมบนผวหนาแมพมพซงเปนผลมาจากรปรางของชนงาน อณหภมของโลหะเหลว ขนาดของระบบทางเดนโลหะเหลว การออกแบบระบบหลอเยนของแมพมพ การฉดสารหลอลนบนผวหนาแมพมพ และรอบเวลาในการผลต

(d)(c)

ตลาคม - ธนวาคม 255764

ภาพท 8 ตำแหนงของโพรงหดตวทเกดขนเปรยบเทยบกบทศทางการแขงตวของโลหะเหลวและความสมพนธของ

โพรงหดตวชนงานหลอกบปญหาการรวเมอนำชนงานหลอไปทำการทดสอบการรวa, d) ตวอยางชนงาน

b, e) ตำแหนงภายในชนงานหลอทโลหะเหลวแขงตวเปนจดสดทายและสงผลใหเกดโพรงหดตว

c, f) โพรงหดตวทเกดขน

3. ปจจยสำคญทมอทธพลตอ คณภาพชนงาน ปจจยทมผลโดยตรงตอคณภาพของชนงานในกระบวนการหลอความดนสง ไดแก แมพมพ การกำหนด สภาวะในการฉด และโลหะเหลว ในกระบวนการหลอ การออกแบบแมพมพ การกำหนดสภาวะในการหลอ และ อณหภมของโลหะเหลวจะถกกำหนดใหมคาสอดคลอง กบลกษณะเฉพาะของกระบวนการหลอความดนสง และระดบคณภาพของชนงานทตองการ

ปจจยสำคญทมผลโดยตรงตอคณภาพผวและ ความสมบรณภายในชนงานทผลตจากกระบวนการหลอ ความดนสง ไดแก

• รปแบบการไหลของโลหะเหลวภายในแมพมพ• ความสามารถในการระบายอากาศออกจากโพรงใน

แมพมพในระหวางการฉดโลหะเหลว• ความเรวของโลหะเหลวททางเขา• การควบคมการไหลภายในรนเนอรใหสมดล (runner

balancing)• ระดบอณหภมบนหนาแมพมพ

คณผอานสามารถตดตามรายละเอยดของตวแปรแตละตวในบทความตอนตอไป

(f)

(e)