การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

อทธพลของตวแปรในการอดขนรปเยนตอการไหลตวของโลหะ และ โครงสรางมหาภาค ของอลมเนยมผสม

The Influence of Parameters of the Cold Extrusion on Metal Flow and Macrostructure

of Aluminium Alloysวสทธ ยโถ 1 มนตร นวมจตร2 สมชาย เอยมเจรญ 3 ศรชย ตอสกล 4*

1,2,3,4 ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ปทมธาน 12110, E-mail: storsakul@yahoo.com*

Wisuth Yeetho1 Montree Nuamchit2 Somchai Iemcharoen3

Sirichai Torsakul4*1,2,3,4Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology

Thanyaburi, Phatumthani 12110E-mail: storsakul@yahoo.com*

บทคดยอการอดขนรปเยนอลมเนยม ทสภาวะอณหภมหองนน หรอเรยกวา Cold –

Extrusion จะใหรปรางและคณภาพผวทดกวาการดนขนรปรอนซงสามารถลดตนทนในการผลตไดอยางมาก ดงนนงานวจยนนำาเสนอผลกระทบเนองจากการใชสารหลอลนทหาไดจากธรรมชาตทมราคาถกกวานำามนสงเคราะห โดยมจดประสงคเพอศกษากลไกในการอดขนรปเยนอะลมเนยม จากผลกระทบของสารหลอลนตามธรรมชาตในการอดขนรปเยน เพอสามารถนำาสารหลอลนตามธรรมชาตในการอดขนรปเยนไปใชงานไดอยางถกตองตามลกษณะของงาน ผลการทดลองพบวาสารหลอลนสามารถลดแรงอดขนรป ซงแรงทใชในการอดขนรปเยนมคาความแตกตางกบไมไดใชสารหลอลนประมาณ 0.58 ตน ดงนนสารหลอลนมอทธพลตอแรงทใชในการอดขนรป ในสวนของคาความหยาบผวพบวา นำามนถวเหลองมคาความหยาบผวนอยทสด ซงมคาความแตกตางจากการทไมใชสารหลอลนอย 0.34 µm ดงนนสารหลอลนมอทธพลตอคณภาพผวชนงาน และจากการไหลตวของวสดไมไดมความแตกตางกนมากในบรเวณ

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ภายในของเนอวสด ซงนนแสดงใหเหนวาสารหลอลนนนไมไดมอทธพลตอการไหลตวของเนอวสดคำาหลก การอดขนรปเยน สารหลอลน ความหยาบผว

AbstractCold extrusion of aluminum under room temperature provides better shape and surface finish than hot extrusion and may to reduce production cost of the extrusion process. This research presents the effect of different natural lubricants in the cold extrusion process, it cheaper and easily to find than synthetic base oil. The purpose of this study was to examine mechanisms of cold extrusion and to study the using of different natural lubricants. The results shown that lubricants can reduce the extrusion force, mineral oil was the best minimum for extrusion force as different as non-lubricants were 0.58 ton and lubricants could reduce roughness surface. Soy oil was the best minimum for roughness surface was 0.34 µm and materials flowing was similar between using lubricants and non using lubricants, so lubricant is non effective for materials flowing.Keywords: Cold extrusion, Lubricant, Surface roughness

1. บทนำาในกระบวนการดนขนรป พนทหนา

ตดของแทงโลหะจะถกลด หรอถกเปลยนโดยใชแรงกดใหแทงโลหะไหลผานแมพมพทมรปรางแนนอน ซงสงสำาคญทตองการจากกระบวนการนคอเพอใหไดผลตภณฑทมความเหมาะสมทางกลตามตองการคณสมบตของโลหะทปราศจากขอบกพรอง และ รปรางของผลตภณฑตามตองการ กระบวนการดนขนรปสามารถทำาไดทอณหภมปกตของวสดคอ การดนขนรปสภาพเยน (cold extrusion) หรอทำาใหวสดมอณหภมสงขน (hot extrusion) ตามสภาวะท

เหมาะสมในการดนขนรป กระบวนการดนขนรปในปจจบนแบงไดเปน 2 ประเภทหลก คอ การดนขนรปโดยตรง(direct extrusion) และการดนขนรปโดยออม (indirect extrusion) [1] โลหะสวนใหญสามารถทำาการดนขนรปไดหลายวธ ตามความเหมาะสม ซงโลหะทวไปทสามารถดนขนรปไดทอณหภมปกตคอ ตะกว อลมเนยม และทองแดง การดนขนรปในสภาพเยนของโลหะทไมใชเหลก (cold extrusion of non-ferrous components) สามารถทำาไดงายเพราะ ใชแรงในการขนรปหรอทำาใหโลหะเปลยนแปลงรปรางนอยกวาโลหะกลม

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

เหลกตวแปรหลกๆในกระบวนการดนขนรป คอ อตราสวนการลดขนาดพนทหนาตดมมดาย (dies angle) ความเสยดทานระหวางผวสมผสของดายกบชนงาน และความเรวในการดนขนรป ในสวนของความเสยดทานระหวางผวสมผสมผลกระทบโดยตรงกบแรงทใชในการดนขนรป และความเสยหายทเกดขนในผลตภณฑ เชน การเกดรอยราวภายในบางครง ในทางทฤษฏเราสามารถ กำาหนดอตราสวนการลดขนาด และสภาวะความเสยดทานทแนนอนเพอทจะใชแรงในการดนขนรป และความเคนทนอยทสดได แตในทางปฏบตแลว ไมสามารถนำากระบวนการดนขนรปทมมดายนไปใชได เพราะจะตองพจารณาถงคณสมบตอยางอนประกอบกนดวยเชน คณภาพผว ความเทยงตรงของขนาด การบดเบยวของชนงานภายหลงการดนขนรป ซงกรณนถาการบดเบยวมมากกหมายความวาชนงานจะไมสามารถใชงานได สงผลตอตนทนในกระบวนการผลตทเพมขนได คาความแขงเปนเกณฑอยางหนงทใชในการเลอกวสด เพอทจะไดชนงานททนตอการสกหรอและเครองมอทมอายการใชงานทยาวนาน [2] Onawola, O.O. and Adeyemi, M.B. [3] ไดศกษาการอดขนรปอลมเนยม โดยใหความสนใจตวแปรดานอณหภม และอตราการขนรปตำา หรอเรยกวา Low strain rate ในงานอดขนรปอน ซงไดใหอณหภมชวง

30-250 องศาเซลเซยส Caminaga, C. and et al. [4] ไดศกษาความเปนไปไดในการนำาเอาสารหลอลนมาใชในงานอดขนรปเยนของแทงเหลก โดยศกษาเปรยบเทยบผลลพธจากแรงในการขนรป และคณภาพของชนงาน Chen, D. C. and et al. [5] ทำาการวเคราะหการจำาลองไฟไนตเอลเมนตแบบสามมตของกระบวนการขนรปแทงอลมเนยม โดยการใชโปรแกรม DEFORMTM 3D Ishikawa, T. and et al. [6] ทำาการศกษาการไหลตวของอลมเนยมผสมบรเวณผว และโครางสราง ในการอดขนรป โดยทำาการทดลองเปรยบเทยบกบการจำาลองไฟไนตเอลเมนต

ในงานวจยนไดทำาการดนขนรปแทงอลมเนยมโดยใชสารหลอลนตามธรรมชาตเพอลดความเสยดทานระหวางผวสมผส ตวแปรของสารหลอลนตามธรรมชาตทนำามาศกษาคอชนดของสารหลอลนจากธรรมชาตทมความแตกตางกนจะสงผลกระทบอยางไรกบคาความแขงของแทงอลมเนยม และการไหลตวของวสดวามความแตกตางกนมากนอยเพยงใดภายหลงจากผานกระบวนการดนขนรป

2. ทฤษฎทเกยวของ2.1 กระบวนการอดขนรป การอดขนรปเปนกระบวนการขนรปภายในเนอโลหะ โดยการใชแรงทสงกดลง

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

บนเนอโลหะใหเกดการไหลตว การขนรปจะเปนไปภายใตอณหภมปกต ซงกคอการอดขนรปเยน งานทไดจะมผวสวยและมขนาดความเทยงตรงสงในบางกรณของการขนรปเยนตองใชแรงในการขนรปสง เชน งานท ม เกรดการข นร ปโต เพ อเปนการลดแรง การขนรปกจะเปลยนเปนการอดขนรปรอน โดยการใหความรอนวสดดบทอณหภมขนรป ผลผลตทไดรบจะมขนาดความเทยงตรงลดลง การเกดสะเกดเนองจากการเผาทำาใหชนงานมผวหยาบ

การอดขนรปแบบตาม การเคลอนตวของตวกดและการไหลของเนอโลหะมทศทางเดยวกน เนอโลหะจะถกกดดวยแรงดนสงใหไหลตวไปทางเดยวกบการเคลอนทของตวกด รปรางภายนอกของงานเปนไปตามรปรางภายในของเบาแมพมพ ดงแสดงใน รปท 1

รปท 1 แสดงรปแบบอดขนรปแบบตาม [7]

2.2 แรงทใชในการขนรป

F คอ แรงกดไหล หนวยเปนนว

ตน (N)

A0 คอ พนทหนาตดชนงานดบกอนอด หนวยเปนตารางมลลเมตร (mm2)kfm คอ ความเคนในการฟอรมตว

เฉลย หนวยเปนนวตน/ตารางมลลเมตร (N/ mm2)

€h คอ เกรดในการฟอรมตวnF คอ ประสทธภาพในการฟอรม

ตว

2.2 สารหลอลนแตละสารหลอลนทใชในการทดลองนนมคณสมบตแตกตางกนออกไป เชน คาความหนด ความหนาแนน เปนตน ดงแสดงในตารางท 1

ตารางท 1 แสดงคาความหนด และความหนาแนนของสารหลอลนทใชในการทดลอง [8]สารหลอลน ความหนด

(cSt)ความหนา

แนน (g/cm3)

นำามนแร 30.6 0.865นำามนถวเหลอง

57.2 0.918

นำามนมะพราว

51.9 0.915

2.3 คณภาพผวงานการวดคาความหยาบละเอยดของผว

งานตามมาตรฐานของ ISO 4287 การวดคาความหยาบละเอยดของผวงานท

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ผานกระบวนการขนรปมาแลว ในหนวยนจะ กลาวถงเฉพาะคาความหยาบ Ra เทานน

กรณคาความหยาบ Ra หมายถง คาความหยาบผวทหาไดจากการรวมพนทยอดแหลมของคลนเหนอเสนกงกลาง (M-Line) กบพนทยอดแหลมของคลนใตเสนกงกลาง หารดวยความยาวเฉลย (Lm) โดยทคาของ Ra มหนวยวดเปนไมโครเมตรดงรปท 6

รปท 5 การวดคาความหยาบ Ra [9]

3. อปกรณและวธทำาการทดลอง3.1 อปกรณในการทดสอบ

ลำาดบท

รายละเอยด

1 เครองอดไฮดรอลกสขนาด 80 ตน2 แมพมพอดขนรปเยนอลมเนยม3 นำามนแร, นำามนถวเหลอง, นำามน

มะพราว4 อปกรณจดเกบสญญาณ (Mini

data logger)5 อปกรณวดความหยาบผว

(Surface rounghness)6 เครองขดเหลก7 กลอง microscope

3.2 วธทำาการทดลอง- ทำาการคำานวณหาการลดขนาดและความยาวของชนทดสอบ แรงในการขนรป

เกรดการฟอรมตว

แรงขนรป F

N T

- เตรยมชนงานในการทดสอบตดชนงานขนาดเสนผาน ศนยกลางขนาด 16 มม. ดวยการเลอยมอ- ทำาการกลงปาดหนาชนงานโดยใหมความยาวอยท 37 มม.- ทำาการประกอบตดตงแมพมพบนเครองเพลสไฮดรอ ลกส 80 ตน และทำาการปรบตง (Limit switch) ตาม ความลกของชนงาน- ทดสอบการอดขนรป

0(ln ) 100%hAA

201.06(ln ) 100%122.76

49%

0 fm h

F

A kF

n

201.06 225.83 0.490.5

44497.34.53

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

- เตรยมชนงานทจะทำาการอด ใสนำามนหลอลน- ทำาการอดขนรปและบนทกแรงทใชในการขนรป- วเคราะหผลการทดสอบ4. ผลการทดลองและการวจารณ4.1 ผลการทดลอง

กราฟแสดงแรงอดขนรปโดยใชนำามนแรเปนสารหลอลน ดงแสดงในรปท 8

รปท 8 กราฟแสดงแรงทไดจากการใชนำามนแรเปนสารหลอลน

กราฟแสดงแรงอดขนรปโดยใชนำามนถวเหลองเปนสารหลอลน ดงแสดงในรปท 9

รปท 9 กราฟแสดงแรงทไดจากการใชนำามนถวเหลอง

เปนสารหลอลน

กราฟแสดงแรงอดขนรปโดยใชนำามนถวเหลองเปนสารหลอลน ดงแสดงในรป

ท 10

รปท 10 กราฟแสดงแรงทไดจากการใชนำามนมะพราว

เปนสารหลอลน

กราฟแสดงแรงอดขนรปโดยใชนำามนถวเหลองเปนสารหลอลน ดงแสดงในรปท 11

รปท 11 กราฟแสดงแรงทไดจากไมใชสารหลอลน

การวเคราะหความหยาบผวทเกดขนบนชนงานสามารถตรวจสอบไดดงแสดงในรปท 12

(a) (b)

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

รปท 12 วธการวดคาความหยาบผว (a) และคา Ra ทอานไดจากเครองวดคาความหยาบผว (b)

ไดผลการทดลองดงแสดงในตารางท 2

ตารางท 2 ผลการทดลองการในการวดคาความหยาบผว และนำามาเปรยบเทยบในแตละสารหลอลน

ชนงานท

คาความหยาบผว (µm)นำามน

แรนำามน

ถวเหลอง

นำามนมะพราว

ไมใชสารหลอลน

1 0.55 0.25 0.61 0.832 0.76 0.27 0.33 0.543 0.57 0.41 0.65 0.58

เฉลย 0.63 0.31 0.53 0.65

4.2 วเคราะหผลการทดลองจากผลการทดลองสามารถนำาขอมล

มาวเคราะหผลไดดงแสดงในรปท 13

รปท 13 กราฟเปรยบเทยบแรงในการขนรปของแตละสารหลอลน

จากรปท 13 สามารถศกษาผลกระทบของตวแปรคอ สภาพการหลอลนของชนงานโดยเปรยบเทยบดงนคอ นำามนแร นำามนถวเหลอง นำามนมะพราว

และไมใชสารหลอลนในการขนรป เมอเปรยบเทยบแรงกดในการขนรปของชนงานจะไดคาของแรงกดของแตละสารหลอลนโดยเรยงลำาดบจากมากไปนอย ดงน ไมใชสารหลอลน > นำามนถวเหลอง > นำามนมะพราว > นำามนแร จะไดวาสารหลอลนตางชนดกนจะมผลตอการขนรป ดงนนจากการศกษาครงนพบไดวาในการใชแรงอดในการขนรปสารหลอลนนำามนแรใหผลทดทสด โดยใชแรงนอยสดคอ 40.4172 kN หรอประมาณ 4.12 T

การวเคราะหความหยาบผวทเกดขนหลงการขนรป ดงแสดงในรปท 14

รปท 14 กราฟเปรยบเทยบคาความหยาบผวของ

ชนงานในแตละสารหลอลน

จากรปท 14 เมอทำาการเปรยบเทยบคาความหยาบผวของแตละสารหลอลนโดยเรยงลำาดบจากมากไปนอยดงน ไมใชสารหลอลน > นำามนแร > นำามนมะพราว > นำามนถวเหลอง จะเหนไดวาการทไมใชสารหลอลนในการอดขนรปเยนอลมเนยมนนจะทำาใหผวของชนงานม

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ความหยาบมาก ตรงกนขามกบสารหลอลนนำามนถวเหลองซงใหคาความหยาบผวนอยทสด คอ 0.31 µm เพราะฉะนนสารหลอลนยงมความหนดมากเทาไรผวกจะมากขนมากเทานนแตในทางตรงกนขามกจะใชแรงในการอดมากขน

การวเคราะหการไหลตวของวสดการศกษาการไหลตวของวสด ทำาไดโดยการนำาชนงานไปทำาการกดผาครง แลวทำาการขดใหเรยบ จงนำาไปกดกรดแลวนำาไปสองดทกลอง microscope เพอดการไหลตวของวสด ดงแสดงในตารางท 3

ตารางท 3 ผลการทดลองในการดการไหลตว และนำามาเปรยบเทยบแตละสารหลอลน

จากตารางท 3 จะเหนไดวา ในแตละสารหลอลนนนทศทางการไหลตวของอลมเนยมนนกจะมทศทางเดยวกน จะสงเกตไดวากอนทจะมการเปลยนขนาดขอบเกรนของเนออลมเนยมจะมลกษณะคอนขางใหญ และมขนาดใกลเคยงกนทงบรเวณ เมอทำาการอดขนรปในชวง

ของระหวางการเปลยนขนาดนน จะสงเกตไดวาขอบเกรนจะคอยๆอดตวกน บรเวณขอบผวของอลมเนยม และจะอดแนนเขาสศนยกลางลดลง นนคอการเสยรปรางอยางถาวรเนองจากในผลกอลมเนยมมการเปลยนแปลงรปรางโดยกลไกเลอนไถล สงผลใหขอบเกรนบรเวณผวของอลมเนยมนนคอยๆอดตวเลกลงสงผลใหมความหนาแนนมากขน จากนนเมอถงชวงเปลยนขนาดแลว จะพบวาบรเวณผวของชนงานขอบเกรนอดตวแนนแตบรเวณแกนในของอลมเนยมขอบเกรนยงมขนาดใหญกวาบรเวณขอบผว นนกคอบรเวณแกนในแทบจะไมมผลกระทบตอการอด ดงนนจากการศกษาการไหลตวของสารหลอลนทง 3 ชนด เมอเทยบกบไมใชสารหลอลน จะไมเหนความแตกตางกนเลย ดงนนจงสรปไดวาสารหลอลนไมมผลตอการไหลตวของวสด

5. สรปผลการทดลอง จากผลการทดลองเราจะสงเกตไดวาเมอทำาการทดลองอดขนรปเยนชนทดสอบโดยใชสารหลอลนจากธรรมชาตทแตกตางกนนน สามารถสรปไดวา แรงทใชในการขนรปเยนนนจะสงเกตไดวาสารหลอลนจากธรรมชาตทใหคานอยทสดเปนนำามนแร ซงมคาความแตกตางกบไมใชสารหลอลน 0.58 ตน ดงนนสารหลอลนมอทธพลตอแรงทใชในการอดขนรป

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

คาความหยาบหรอคณภาพผวงานพบวาสารหลอลนธรรมชาตทใหคาความหยาบผวนอยทสด คอ นำามนถวเหลอง และสวนการไหลตวของวสดเมอนำาชนงานไปสองดโครงสรางหลงการทดสอบแลวพบวาไมมความแตกตางกนมากในบรเวณภายในของเนอวสด ซงแสดงใหเหนวาสารหลอลนไมมอทธพลตอการไหลตวของเนอวสดเลย ดงนนสารหลอลนตามธรรมชาตทเหมาะสมในการอดขนรปเยนอลมเนยม ควรเลอกนำามนถวเหลองเนองจากผวชนงานทมคณภาพดกวาและแรงทตางกนไมมากนก

กตตกรรมประกาศงานวจยนไดรบการสนบสนนจาก

สถาบนวจยและพฒนา มทร.ธญบร งบประมาณประจำาป 2555 และภาควชาวศวกรรมอตสาหการ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

เอกสารอางอง[1] Lange, K. (1985). Metal

Forming Handbook., New York : McGraw-Hill.

[2] Schuler GmbH. (1998). Metal Forming Handbook. Berlin: Springer.

[3] Onawola, O.O. and Adeyemi, M.B., 2003, Warm compression and extrusion tests of aluminium, Journal

of Materials Processing Technology 136: pp. 7–11.

[4] Caminaga, C. Neves, F.O. Gentile, F.G. and Button, S.G., 2007, Study of alternative lubricants to the cold extrusion of steel shafts, Journal of Materials Processing Technology 182: pp. 432–439.

[5] Chen, D.C. Syu, S.K. Wu, C.H. and Lin, S.K., 2007, Investigation into cold extrusion of aluminum billets using three-dimensional finite element method, Journal of Materials Processing Technology 192–193:pp. 188–193.

[6] Ishikawa, T. Sano, H. Yoshida, Y. Yukawa, N. Sakamoto, J. and Tozawa, Y., 2006, Effect of Extrusion Conditions on Metal Flow and Microstructures of Aluminum Alloys, CIRP Annals -Manufacturing Technology, Volume 55, Issue 1, Page: 275-278.

[7]ดำารง ไชยธรานวฒศร. 2538. การขนรปโลหะ.

กรงเทพฯ : สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ[8] เกษม ธรรมโกศล. 2546. อทธพลของสารหลอลน

ของแขงตอการหลอลนแบบเทอรโมอลาสโตไฮดรอ

การประชมวชาการขายงานวศวกรรมอตสาหการ ประจำาป พ.ศ. 2555

17-19 ตลาคม 2555 ชะอำา เพชรบร

ไดนามกส. วทยานพนธปรญญาโท, สถาบน

เทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง[9]ธระชย เจาสกล. 2541. เขยนแบบเทคนค 1, บรษท ดวงกมลสมย จำากด, กรงเทพมหานคร