logylogyTechno

August-September 2010, Vol.37 No.212 083 <<<

กระบวนการตัดเฉือนวัสดุในระดับไมครอน ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิมที่นำเสนอไปในตอนที่ 1 ถือได้

ว่า มีข้อจำกัดในแง่ของความแม่นยำ และคุณภาพผิวชิ้นงานที่ได้ นอกจากนี้การตัดวัสดุใน

ลักษณะที่เครื่องมือตัดสัมผัสกับชิ้นงานนั้น ยังมีผลในเรื่องของความไม่สม่ำเสมอของคุณภาพ

งานตัด เนื่องจากการสึกหรอของคมตัดที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการตัด บทความในตอนที่ 2

นี้ จะขอนำเสนอกระบวนการตัดวัสดุในระดับไมครอนแบบไม่สัมผัสผิวงาน หรือ Non-Contact

Micromachining โดยจะเน้นที่วิธีการตัดด้วยกรรมวิธีทางไฟฟ้า และความร้อนวิธีหนึ่ง ซึ่งมีใช้

กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิต คือ Micro-EDM

คุณวิบุญ ตั้งวโรดมนุกูล

PhD Candidate, School of Mechanical and Manufacturing Engineering,

The University of New South Wales, Australia

e-mail: viboon@student.unsw.edu.au

ตอนที่

2

กระบวนการกัดวัสดุด้วย EDM หรือ Electro-Discharge Machining นั้น ถูกคิดค้นและพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียในช่วง ปี พ.ศ.2483 ต่อมาได้รับการพัฒนาโดยรวมเอาระบบควบคุมเชิงตัวเลข (numerical control) เข้าไว้กับระบบ EDM ทำให้การกัดชิ้นงานมีความยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ระบบในการจ่ายพลังงาน และการควบคุมการเคลื่อนที่ต่าง ๆ ยังได้รับการพัฒนาให้สามารถใช้ในงานกัดวัสดุที่ต้องการความแม่นยำสูง และให้คุณภาพผิวชิ้นงานที่ดี

จากจุดนี้ได้นำไปสู่การพัฒนาเป็น Micro-EDM สำหรับการผลิตชิ้นงานขนาดเล็กในระดับไมครอน โดยหลักการของ Micro-EDM นั้น มีความคล้ายคลึงกับ Macro-EDM ทั่วไป หากแต่ Micro-EDM นั้น จะใช้ในการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ขนาดประมาณ 5 - 100 ไมครอน ขึ้นอยู่กับขนาดของ Electrode ที่ใช้ เช่น การเจาะรูขนาดเล็ก สำหรับการผลิตหัวฉีดเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ การผลิตแม่พิมพ์ขนาดเล็ก การผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีความซับซ้อนมาก เป็นต้น

EDM จัดอยู่ในกระบวนการกัดวัสดุโดยอาศัยกรรมวิธีทางไฟฟ้าและความร้อน โดยกระบวนการ EDM นั้น มีส่วนประกอบที่สำคัญ คือ ชุดควบคุมการเคลื่อนที่ ชุดควบคุมการจ่ายไฟฟ้า ชิ้นงาน Electrode และ สาร Dielectric หลักการทำงานของ EDM นั้น จะอาศัยการสปาร์คตัว Electrode เหนือผิวชิ้นงานเล็กน้อย โดยมีของเหลวคั่นอยู่ระหว่างกลาง กระแสไฟฟ้าที่ต่างขั้วกัน จะถูกจ่ายที่ชิ้นงาน และตัว Electrode กระทำภายใต้ของเหลว Dielectric ที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวน เมื่อแรงดัน และกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่เหมาะสมถูกจ่ายเข้ากับชิ้นงานทำให้ Dielectric เกิดการ Breakdown

“Micro-EDM” เทคโนโลยีการตดัระดบัไมครอน

และยอมให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านไปได้ การ สปาร์คจะทำให้เกิดกลุ่มก๊าซ Plasma ที่มีคุณสมบัติเป็น Ionized Gas ซึ่งให้ความร้อนสูงถึง 8,000-12,000 องศาเซลเซียส ทำให้ผิวชิ้นงาน และตัว Electrode เอง เกิดการหลอมและระเหยอย่างรวดเร็ว ในระหว่างที่วัสดุเกิดการหลอมตัว และหลุดออกจากผิวชิ้นงาน อันเนื่องมาจากการสลายตัวของกลุ่ม Plasma นั้น ทำให้เกิด Shock Wave นำไปสู่การหลุดออกของเนื้อวัสดุงาน โดย Dielectric นอก-จากจะทำหน้าที่ในการควบคุมการสปาร์คแล้ว ยังจะช่วยในการลดอุณหภูมิ และพัดพาเอาเศษวัสดุออกจากผิวงาน เพื่อเตรียมสำหรับการสปาร์คในรอบถัดไป

>>> 084 August-September 2010, Vol.37 No.212

logylogyTechno Production

Micro-EDM อาจแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม คือ ประเภท Die-Sinking, Micro-Wire EDM และ Micro-

EDMilling (หรือ Micro-EDM Milling) โดย 2 ประเภทแรก มีลักษณะการทำงานเช่นเดียวกับ Die-Sinking และ Wire-EDM ที่มีใช้งานกันอยู่ทั่วไป เพียงแต่ขนาดของ Electrode หรือ เส้นลวดที่ใช้ มีขนาดที่เล็กลง สำหรับ Micro-EDMilling นั้น จะอาศัยการเคลื่อนที่ของ Electrode เช่นเดียวกับกระบวนการกัดวัสดุแบบ Milling ทั่วไป ทำให้มีความยืดหยุ่นในแง่ของการกัดชิ้นงานที่มีความซับซ้อนสูง ลดขั้นตอนในการเตรียม Electrode สำหรับชิ้นงานที่ซับซ้อน โดย Micro-EDMilling นั้น จะนิยมใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ขนาดเล็ก หรือ Micro-Mold และยังนิยมใช้ในการผลิต Micro-Channel สำหรับ ระบบ Microfluidic และ Micro-Heat Exchanger อีกด้วย

การจ่ายกระแสไฟสำหรับการสปาร์คชิ้นงาน จะจ่ายเป็นจังหวะ (pulse) โดยใช้ความถี่ตั้งแต่ 1

kHz ถึง 1 MHz โดยขั้วบวกจะนิยมต่อเข้ากับตัว Electrode ที่ทำจากทองแดง และขั้วลบสำหรับ Electrode ที่เป็นทองเหลือง และ Graphite ในกรณีของ Micro-Wire EDM นั้น เส้นลวดที่ใช้มักทำจากทองเหลือง Tungsten หรือ Molybdenum และมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 ไมครอน ให้รอยตัดขนาดเล็กที่ระดับความถูกต้องประมาณ 1 ไมครอน

ปัจจัยที่สำคัญของกระบวนการ Micro-EDM ก็เช่นเดียวกับกระบวนการ EDM ทั่วไป นั่นคือ การปรับตั้งกระแสไฟฟ้า (peak current) แรงดัน (discharge voltage) ระยะเวลาจ่ายไฟฟ้า (pulse duration/pulse interval) รูปแบบของการจ่ายไฟฟ้า (waveform pattern) ชนิดของ Dielectric และขั้วไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ Electrode และชิ้นงาน (polarity) ที่เหมาะสม จะแตกต่างไปตามแต่ละชิ้นวัสดุงาน และลักษณะการกัด การเลือกใช้กระแสไฟฟ้าที่มากขึ้น จะช่วยเพิ่มอัตราการกัดเนื้อวัสดุ แต่ถ้าใช้กระแสที่มากจนเกินไป จะทำให้ Electrode เกิดการสึกหรอที่เร็วมากขึ้น นอกจากนี้อาจเกิดการเชื่อมติดกันของตัว Electrode และชิ้นงาน นำไปสู่การลัดวงจร และความไม่เสถียรของกระบวนการกัด ในกระบวนการ Micro-EDM นั้น กระแสไฟจะถูกจ่ายอย่างเป็นจังหวะโดยใช้ไฟกระแสตรง (pulsed DC) เพื่อให้เกิดการสปาร์ค

และกัดเนื้อวัสดุงานออกอย่างมีประสิทธิภาพ ชุด Pulse Generator อาจเป็นแบบ Rotary ที่อาศัยหลักการของมอเตอร์กระแสตรงในการผลิตคลื่น Sinusoidal Wave ออกมา เพื่อใช้กับกระบวนการกัด นอกจากนี้ Relaxation Generator ที่ให้รูปแบบการจ่ายสัญญาณในรูปแบบฟันเลื่อย และ Pulse Generator แบบที่ใช้ Solid-State Switch ก็ถูกนำมาใช้ในระบบ Micro-EDM ด้วยเช่นกัน

ระยะเวลาในการจ่ายกระแสไฟฟ้า หรืออาจเรียกว่า On-Time นั้น หากกระแสไฟฟ้าถูกจ่ายออกมาติดต่อกันนานจะช่วยเพิ่มอัตราการกัดเนื้อวัสดุ แต่จะทำให้ชิ้นงานร้อนเกินไป จนนำไปสู่ความเสียหายอันเนื่องมาจากความร้อน หรือเรียกว่า Heat-Affected Zone และอาจเกิดการหลอมติดของเศษวัสดุกลับไปบนผิวชิ้นงานอีกด้วย หากเพิ่มระยะเวลาในการจ่ายกระแสไฟ (pulse duration) นานขึ้นอีก อัตราการกัดวัสดุจะมีแนวโน้มลดลง เนื่องมาจากการพอกติดของเศษวัสดุงานบน Electrode ทำให้ลดประสิทธิภาพของกระบวนการกัดลง สำหรับระยะเวลาที่หยุดจ่ายกระแสไฟ (pulse interval) หรือเรียกว่า Off-Time นั้น มีไว้เพื่อให้ระบบกลับคืนสู่สภาวะปกติอีกครั้ง กล่าวคือ สาร Dielectric เปลี่ยนจาก Ionized ไปเป็น De-Ionized หรือเป็นฉนวนอีกครั้ง และยังช่วยลดอุณหภูมิผิวงาน และพัดพาเอาเศษวัสดุออกจากบริเวณที่จะถูกสปาร์ค ในรอบถัดไป การใช้ Pulse Interval ที่นาน จะช่วยให้มีเวลาในการพัดเอาเศษกัดออกจากหน้างาน ส่งผลให้กระบวนการกัดมีความสม่ำเสมอ ได้ขนาดและคุณภาพงานกัดเป็นไปตามที่ต้องการ หากใช้

ระยะเวลา Off-Time ที่สั้น จะทำให้สาร Dielectric ไม่สามารถกลับเป็น De-

▲ รูปที่ 1 ระบบ Electro-Discharge Machining (EDM)

Die-sinking EDM

Micro-EDMilling Micro-Wire EDM

August-September 2010, Vol.37 No.212 085 <<<

logylogyTechnoProduction

Ionized ได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้ระบบไม่มีความเสถียร ส่งผลให้อัตราการกัดวัสดุลดลง โดยปกติแล้วระยะเวลา Off-Time นั้น จะต้องมากกว่าระยะเวลาของการให้ Dielectric กลับสู่การเป็นฉนวน (de-ionizing time)

การปรับตั้งแรงดัน (discharge vol-tage) ถือเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในกระบวน-การกัดแบบ EDM โดยการใช้แรงดันที่สูง จะทำให้ช่องว่างระหว่าง Electrode กับผิวชิ้นงานกว้างมากขึ้น นั่นหมายถึง ความสามารถในการถ่ายเทความร้อน และการพัดพาเอาเศษวัสดุงานออกจากผิวงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้แรงดันที่สูงจะทำให้อัตราการสึกหรอของ Electrode และความหยาบของผิวงานที่ได้สูงขึ้นตามไปด้วย

สำหรับของเหลว Dielectric นั้น จะนิยมใช้อยู่ 2 ประเภทคือ ประเภท Hydrocar-bons เช่น Kerosene และ ประเภท De-Ionized Water หรือ Distilled Water โดย Hydrocar-bons Dielectric จะนิยมใช้มากกว่าการใช้ De-Ionized Water เพราะจะให้คุณภาพผิวงานดีกว่า และไม่ทำให้ Electrode สึกเร็ว

อย่างไรก็ตาม การใช้ De-Ionized Water จะช่วยในเรื่องการควบคุมอุณหภูมิ และการพัดพาเศษวัสดุออกจากผิวตัดได้ดีกว่า เนื่องจากมีความสามารถในการนำความร้อนที่ดีกว่า และมีความหนืดต่ำกว่าแบบ Hydrocar-bons ถือว่ามีความสำคัญมากในกระบวนการ Micro-EDM อย่าง High Precision Die-Sinking และ Micro-Wire EDM เนื่องจากช่องว่างระหว่างตัว Electrode และผิวชิ้นงานจะแคบกว่ากระบวนการแบบ Macro-EDM ทั่วไป การมีเศษวัสดุติดค้างอยู่ที่ผิวงานในช่วงที่มี การสปาร์คจะทำให้เกิดการลัดวงจร และทำให้กระบวนการกัดไม่มีความเสถียร ส่งผลให้ขนาดและคุณภาพของการกัดไม่เป็นไปตามที่ต้องการ

การเลือกใช้ขั้วไฟฟ้าที่ เหมาะสมสำหรับ Electrode และชิ้นงาน ถือเป็นปัจจัยที่สำคัญ เพื่อลดอัตราการสึกหรอของตัว Elec-trode โดยปกติแล้ว Electrode ที่ทำจากทองแดงจะใช้ขั้วบวก และให้ชิ้นงานเป็นขั้วลบ ในกรณีนี้ วัสดุงานถูกกัดออกไปมากกว่าตัว

Electrode (electron process) ในทางกลับกัน หากใช้ Electrode ที่ทำจากทองเหลือง หรือ Graphite จะเลือกใช้ขั้วลบที่ Electrode เนื่องจากเป็นกระบวนการแบบ Positron Process

โดยทั่วไป Micro-EDMilling นั้น จะนิยมใช้ในงาน Micro-EDM ค่อนข้างมาก เพื่อหลีกเลี่ยง

การเตรียม Electrode ที่มีขนาดเล็ก และมีความซับซ้อนสำหรับงาน Die-Sinking EDM วัสดุงานจะถูกกัดออกทีละชั้นที่ความหนาชั้นละประมาณ 0.1 ไมครอน ไปจนถึงหลาย ๆ ไมครอน ขึ้นอยู่กับความละเอียดของงาน ขนาดของ Electrode กระแสไฟ และแรงดันที่ใช้ หากเปรียบเทียบกระบวนการกัดในระดับไมครอนด้วยวิธี EDM กับวิธีการอื่น ๆ ถือได้ว่า Micro-EDM เป็นกระบวนการที่ประหยัดและให้คุณภาพงานกัดที่ดี

ตารางแสดงการเปรียบเทียบกระบวนการกัดระดับไมครอนด้วยวิธีต่าง ๆ [1-3]

Micro-Wire EDM สำหรับงานตัดชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ต้องการความถูกต้องแม่นยำสูง

(http://www.microbridge.cf.ac.uk/)

รูหัวฉีดสำหรับเครื่องยนต์ Diesel ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมครอน

(http://www.posalux.net/)

Mechanical micromilling Micro-EDMilling Laser Micromachining

ชนิดวัสดุ บางชนิด นำไฟฟ้า ทุกชนิด

กลไกการกัดวัสดุ ตัดเฉือน หลอมและระเหย ระเหย

รูปทรงเครื่องมือกัด ซับซ้อน ธรรมดา ไม่ต้องใช้

ความแข็งของเครื่องมือกัด แข็ง ไม่จำเป็น -แรงที่ใช้กัด สูง ต่ำมาก -

ความแม่นยำและคุณภาพงานกัด ต่ำและมีครีบจากการตัด สูง สูง แต่อาจจะมีความเสียหายจากความร้อน และ Shockwaves

ความเร็วในการกัด สูง ปานกลาง สูง

ความลึกต่อความกว้างในการกัด (aspect ratio) น้อยมาก มาก ปานกลาง

ค่าใช้จ่าย สูง ต่ำ สูงมาก

>>> 086 August-September 2010, Vol.37 No.212

logylogyTechno Production

โดยปกติแล้ว Electrode ของ Micro EDMilling จะมีการสึกหรอค่อนข้างมาก ประมาณ 5 ถึง

30 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณชิ้นงานที่ถูกกัดออกไป เมื่อใช้ Dielectric ประเภท Hydrocarbon เมื่อเทียบอัตราการสึกหรอของกระบวนการแบบ Die-Sinking ซึ่งมีค่าอยู่ประมาณ 0.1 ถึง 0.2 เปอร์เซ็นต์ พบว่า Micro-EDMilling นั้น มีอัตราการสึกหรอของ Electrode ที่ค่อนข้างมาก การสึกหรอของ Electrode ที่มากนี้ ส่งผลให้ระยะห่างระหว่างตัว Electrode กับชิ้นงานมีขนาดที่มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพในการกัดไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นกระบวนการ Micro-EDMilling จึงต้องอาศัยโปรแกรมในการควบคุมการเคลื่อนที่ เพื่อชดเชยขนาดและปรับรูปทรงของ Electrode ที่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการกัด

ข้อดีของการกัดวัสดุด้วย EDM คือ เป็นกระบวนการกัดที่ไม่ได้ใช้แรงทางกลในการตัดเฉือนวัสดุ อย่างเช่นในกระบวนการตัดวัสดุแบบสัมผัสผิวงานโดยทั่วไป นั่นหมายถึง การบิดตัวของชิ้นงานที่เกิดจากแรงตัดไม่มี ส่งผลให้ชิ้นงานแทบไม่มีความเค้นตกค้างภายหลังการกัด คุณสมบัติทางกลของวัสดุ เช่น ความแข็ง ความแข็งแรง จึงไม่ได้เป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในกระบวนการ EDM ดังนั้น เหล็กที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว ก็สามารถกัดได้ด้วย EDM อย่างง่ายดาย นอกจากนี้การใช้ Micro-EDMilling ยังให้ขอบของชิ้นงานที่เป็นมุมคมปราศจากครีบที่มักเกิดในกระบวนการกัดด้วยวิธีทางกล (mechanical micromachining) อันเนื่องมาจากเงื่อนไขของเครื่องมือตัด อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของกระบวนการ EDM อยู่ที่วัสดุงานต้องเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้า และอัตราการกัดเนื้อวัสดุด้วยกระบวนการ EDM นั้นค่อนข้างช้า เมื่อเทียบกับกระบวนการตัดวัสดุอื่น ๆ และในปัจจุบัน Micro-EDM ยังพัฒนาเพื่อนำไปใช้กับวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าอย่าง Ceramics โดยอาศัย Electrolyte Fluid ที่เหมาะสม และการใช้วัสดุที่มีสมบัติทางไฟฟ้ามาประกอบในขณะทำการกัดวัสดุ ถือเป็นการพัฒนาอีกขั้นหนึ่งของเทคโนโลยี EDM

เนื่องจากกระบวนการ EDM เองนั้นถือว่า เป็นกระบวนการกัดวัสดุที่ค่อนข้างช้า เมื่อพัฒนามาเป็น Micro-EDM อัตราการกัดวัสดุจึงช้าลงอย่างมาก การเพิ่มอัตราการกัดวัสดุจึงเป็นความท้าทายอย่างหนึ่ง และมีหลายเทคนิคที่ถูกนำเสนอผ่านงานวิจัย และบางวิธีก็ได้รับผลิตออกมาเป็นเครื่อง เพื่อใช้งานในอุตสาหกรรมจริง นอกจากนี้ยังมีอีกหลายวิธีที่อยู่ในช่วงการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ ยกตัวอย่างเช่น การใส่ผงอะลูมิเนียมเข้าไปในระหว่างการกัดสามารถช่วยเพิ่มอัตราการกัด เพิ่มคุณภาพผิวงานกัด และลดอัตราการสึกหรอของ Electrode ได้ หรือการสั่น Electrode ด้วยความถี่สูง (ultrasonic) และการหมุนหัว Electrode ไปด้วย

ในกระบวนการ Micro-EDMilling ยังช่วยในการพัดเอาเศษวัสดุตัดออกจากผิวงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

จากกระบวนการกัดวัสดุ ในระดับไมครอนที่ใช้เครื่องมือกล ที่นำเสนอไปในตอนที่แล้ว และการใช้กระบวนการแบบไม่สัมผัสผิวงานที่กัดวัสดุด้วยกรรมวิธีทางไฟฟ้าและความร้อนอย่าง Micro-EDM นั้น พบว่า เครื่องมือที่ใช้กัดต้องได้รับการเปลี่ยนใหม่อยู่เสมอ เพื่อคงความถูกต้อง แม่นยำ และคุณภาพงานกัดให้มีความสม่ำเสมอ อันเนื่องมาจากการสึกหรอของคมตัด และการสึกหรอของตัว Electrode กระบวนการตัดวัสดุในระดับไมครอนแบบไม่สัมผัสผิวงาน เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ไม่ต้องใช้เครื่องมือตัดใด ๆ ทั้งสิ้น อาศัยเพียงแสงความเข้มสูงฉายลงบนชิ้นงานเพื่อหลอม และระเหยวัสดุงานออกอย่างรวดเร็ว หรือที่รู้จักกันในชื่อ Laser Micromachining จะนำมาเสนอเป็นตอนสุดท้ายในฉบับถัดไป

เอกสารอ้างอิง

1. L. Uriarte, H. Herrero, A. Ivanov, H.

Oosterling, L. Staemmler, P.T. Tang, D. Allen,

Comparison Between Microfabrication Technologies

for Metal Tooling, Proceedings of The Institution of

Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical

Engineering Science 220 (2005), pp.1665–1676.

2. K.P. Rajurkar, G. Levy, A. Malshe, M.

Sundaram, J. McGeough, X. Hu, R. Resnick, S.

DeSilva, Micro and Nano Machining by Electro-

Physical and Chemical Processes, Annals of the

CIRP 55 (2) (2006), pp.643–666.

3. M. Rahman, H.S. Lim, K.S. Neo, A.

Senthil Kumar, Y.S. Wong, X.P. Li, Tool-Based

Nanofinishing and Micromachining, Journal of

Materials Processing Technology 185 (2007),

pp.2–16.

Micro-EDMilling สำหรับใช้ในการผลิตโครงสร้างขนาดเล็ก

(http://www.sarix.com/)