การเลือกคุณสมบัติโลหะในการประกอบชิ้นส่วนเครื่องจักรต้องดูอะไรบ้าง

ในการสร้างหรือออกแบบเครื่องจักร การเลือกโลหะที่เหมาะสมสำหรับแต่ละชิ้นส่วนคือหนึ่งในการตัดสินใจที่สำคัญที่สุด เพราะมันส่งผลโดยตรงต่อ ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของเครื่องจักรทั้งหมด ตั้งแต่ความแข็งแรงทนทานต่อแรงกระทำ การทนทานต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมต่างๆ ไปจนถึงต้นทุนการผลิต ล้วนเป็นปัจจัยที่ต้องนำมาพิจารณาอย่างรอบคอบ บทความนี้ได้สรุปหลักเกณฑ์สำคัญที่ต้องใช้ในการพิจารณา เพื่อเลือกคุณสมบัติของโลหะให้ตอบโจทย์การใช้งานของชิ้นส่วนเครื่อ

งจักรได้อย่างแม่นยำและคุ้มค่าที่สุด 

วิเคราะห์คุณสมบัติตามหน้าที่ของชิ้นส่วน 

การวิเคราะห์คุณสมบัติตามหน้าที่ของชิ้นส่วน คือการพิจารณาว่าชิ้นส่วนนั้น ๆ ต้องทำหน้าที่อะไรและรับแรงแบบไหน ในเครื่องจักร เพื่อที่จะเลือกวัสดุโลหะที่มีคุณสมบัติเชิงกลเหมาะสมกับภาระงานนั้นๆ ที่สุด เป็นขั้นตอนแรกและสำคัญที่สุดในการออกแบบ เพราะเป็นการจับคู่คุณสมบัติของวัสดุเข้ากับความต้องการทางวิศวกรรมโดยตรง

1. ความแข็งแรง 

คือความสามารถของวัสดุในการรับแรงกระทำโดยไม่แตกหักหรือเสียรูปอย่างถาวร โดยจะพิจารณา ความแข็งแรงคราก (Yield Strength) ซึ่งเป็นจุดที่วัสดุเริ่มยืดตัวอย่างถาวร และ ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength) ซึ่งเป็นแรงสูงสุดที่รับได้ก่อนจะขาดออกจากกัน ชิ้นส่วนที่ต้องการคุณสมบัตินี้สูงคือชิ้นส่วนที่ต้องรับน้ำหนักหรือแรงคงที่ เช่น โครงสร้างเครื่องจักร (Frames), เพลา (Shafts) และสลักเกลียว (Bolts)

2. ความแข็ง และความต้านทานการสึกหรอ

ความแข็งคือความสามารถในการต้านทานการขีดข่วนหรือการถูกกดให้เป็นรอย ซึ่งมักจะสัมพันธ์โดยตรงกับความต้านทานการสึกหรอจากการเสียดสี คุณสมบัตินี้สำคัญอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องมีการสัมผัสและเคลื่อนที่บนผิวของชิ้นส่วนอื่นตลอดเวลา เพื่อป้องกันการสึกหรอและยืดอายุการใช้งาน ตัวอย่างที่ชัดเจนคือ เฟือง ลูกปืน และรางเลื่อน

3. ความแกร่ง/ความทนทานต่อแรงกระแทก

คือความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานและแรงกระแทกอย่างฉับพลันโดยไม่แตกหัก โลหะที่มีความแข็งแรงสูงอาจจะเปราะ แต่โลหะที่มีความแกร่งจะเหนียวและสามารถทนต่อการกระแทกได้ดีกว่า คุณสมบัตินี้จำเป็นสำหรับชิ้นส่วนที่อาจต้องเจอกับแรงกระทำที่ไม่คาดคิดหรือรุนแรงในทันที เช่น หัวค้อน ชิ้นส่วนของเครื่องปั๊มกระแทก หรือชิ้นส่วนยานยนต์ที่ต้องรับการกระแทก

4. ความทนทานต่อความล้า 

เป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงกระทำซ้ำไปซ้ำมาเป็นจำนวนหลายล้านรอบ แม้ว่าแรงนั้นจะไม่สูงถึงจุดครากก็ตาม ความล้าคือสาเหตุหลักของการพังของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว โดยจะเกิดรอยร้าวขนาดเล็กและค่อย ๆ ขยายใหญ่ขึ้นจนแตกหักในที่สุด ชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานต่อความล้าสูงมากคือ เพลาข้อเหวี่ยง สปริง และก้านสูบ

5. ความคงรูป/ความแข็งเกร็ง 

คือความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (การโก่งหรือบิดตัว) เมื่อมีแรงมากระทำ ไม่ได้หมายถึงความแข็งแรง แต่หมายถึงการรักษารูปทรงเดิมไว้ให้ได้มากที่สุดภายใต้ภาระงาน คุณสมบัตินี้จำเป็นอย่างยิ่งในชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำสูง และการโก่งงอเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพทั้งหมดได้ เช่น โครงสร้างของเครื่องจักร CNC, แขนหุ่นยนต์ และเครื่องมือวัดที่มีความเที่ยงตรงสูง 

พิจารณาสภาพแวดล้อมในการทำงาน 

คือการวิเคราะห์ว่าชิ้นส่วนเครื่องจักรนั้นต้องทำงานอยู่ ณ ที่ใด และต้องเผชิญกับสภาวะอะไรบ้างรอบตัวมัน นอกเหนือจากแรงที่กระทำโดยตรง เพราะสภาพแวดล้อมเหล่านี้สามารถทำให้คุณสมบัติของโลหะเสื่อมลงหรือล้มเหลวได้ แม้ว่าโลหะจะถูกเลือกมาให้มีความแข็งแรงเหมาะสมแล้วก็ตาม

1. การกัดกร่อน

นี่คือปัจจัยที่พบบ่อยที่สุด เป็นการที่โลหะทำปฏิกิริยาเคมีกับสภาพแวดล้อมจนเกิดการเสื่อมสภาพ ที่เห็นชัดที่สุดคือสนิมในเหล็ก ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยากับความชื้นและออกซิเจนในอากาศ นอกจากนี้ การทำงานในโรงงานเคมี หรือการสัมผัสกับกรด ด่าง น้ำทะเล หรือแม้แต่น้ำมันหล่อเย็นบางชนิด ก็สามารถเร่งการกัดกร่อนได้ 

ดังนั้น หากชิ้นส่วนต้องทำงานในสภาวะดังกล่าว จำเป็นต้องเลือกใช้วัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อนโดยธรรมชาติ เช่น สแตนเลส อะลูมิเนียม ไทเทเนียม หรือใช้เหล็กธรรมดาแต่ต้องผ่านกระบวนการป้องกันผิว เช่น การชุบซิงค์ การชุบโครเมียม หรือการทำสี

2. อุณหภูมิ 

อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติของโลหะ ใน สภาวะอุณหภูมิสูง เช่น ชิ้นส่วนในห้องเครื่องยนต์ เตาหลอม โลหะจะอ่อนตัวลงและสูญเสียความแข็งแรงไป และอาจเกิด การคืบ (Creep) ซึ่งคือการที่ชิ้นส่วนค่อย ๆ ยืดตัวเสียรูปอย่างช้า ๆ แม้จะรับแรงคงที่ก็ตาม

 ในทางกลับกัน สภาวะอุณหภูมิต่ำมาก เช่น เครื่องจักรในห้องเย็นหรือในประเทศเขตหนาว สามารถทำให้โลหะบางชนิด โดยเฉพาะเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป เกิดความเปราะ และแตกหักได้ง่ายเหมือนแก้วเมื่อถูกกระแทก จึงต้องเลือกใช้โลหะผสมพิเศษที่ยังคงความเหนียวทนทานได้ดีในอุณหภูมิติดลบ

3. ปัจจัยแวดล้อมอื่น ๆ

นอกเหนือจากสองปัจจัยหลัก ยังมีสภาพแวดล้อมเฉพาะทางอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณา เช่น คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก หากชิ้นส่วนนั้นอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือเครื่องมือวัดที่ไวต่อสนามแม่เหล็ก อาจจำเป็นต้องเลือกใช้วัสดุที่ไม่เป็นแม่เหล็ก เช่น สแตนเลสบางเกรด หรืออะลูมิเนียม หรือในบางกรณีที่ต้องการการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ก็ต้องเลือกใช้ทองแดงหรืออะลูมิเนียม การพิจารณาปัจจัยเหล่านี้จะช่วยป้องกันปัญหาที่มองไม่เห็นซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของทั้งระบบได้ 

ความสามารถในการขึ้นรูปและกระบวนการผลิต

พิจารณาว่าโลหะชนิดนั้น ๆ ง่ายหรือยากเพียงใดที่จะถูกแปรรูปให้กลายเป็นชิ้นส่วนสำเร็จ ตามแบบที่ต้องการ และมีกระบวนการใดบ้างที่สามารถใช้ได้ ซึ่งปัจจัยนี้ส่งผลโดยตรงต่อ ต้นทุน เวลา และความซับซ้อน ในการผลิต

1. ความสามารถในการแปรรูปด้วยเครื่องจักร

หมายถึงความง่ายในการตัดเฉือนวัสดุด้วยเครื่องมือต่าง ๆ เช่น การกลึง กัด เจาะ โลหะที่มีค่า Machinability สูง เช่น อะลูมิเนียม ทองเหลือง จะสามารถตัดเฉือนได้ง่าย รวดเร็ว ให้ผิวงานที่เรียบ และทำให้เครื่องมือตัดสึกหรอช้า ในทางกลับกัน โลหะที่แปรรูปยาก เช่น สแตนเลสบางเกรด ไทเทเนียม จะต้องใช้ความเร็วตัดต่ำ เครื่องมือชนิดพิเศษ และใช้เวลาในการผลิตนานกว่า ซึ่งทั้งหมดนี้จะแปรผันไปเป็นต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้น

2. ความสามารถในการขึ้นรูป 

คือความสามารถของโลหะในการเปลี่ยนรูปร่างโดยไม่แตกหัก ผ่านกระบวนการต่าง ๆ ที่ไม่ใช่การตัดเฉือน เช่น การดึง การทุบ หรือการปั๊ม ซึ่งจะแบ่งย่อยได้เป็น ความเหนียว คือความสามารถในการดึงให้ยืดออกเป็นเส้นลวด และ ความสามารถในการตีเป็นแผ่น คือการทุบหรือรีดให้เป็นแผ่นบาง ๆ ได้ คุณสมบัตินี้จำเป็นสำหรับชิ้นส่วนที่ผลิตโดยการปั๊มขึ้นรูป เช่น ตัวถังรถยนต์ ฝาครอบเครื่องจักร หรือการผลิต ลวดและสลักเกลียว

3. ความสามารถในการเชื่อม

คือความง่ายในการเชื่อมต่อโลหะชิ้นเดียวกันหรือต่างชนิดกันให้ติดกันอย่างสมบูรณ์และแข็งแรง โดยไม่เกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยร้าว หรือการสูญเสียคุณสมบัติทางกลบริเวณรอยเชื่อม โลหะบางชนิด เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ สามารถเชื่อมได้ง่ายมาก ในขณะที่โลหะบางชนิด เช่น อะลูมิเนียมหรือเหล็กกล้าบางเกรด ต้องการเทคนิค, เครื่องมือ, และความชำนาญเป็นพิเศษ ปัจจัยนี้จึงสำคัญมากสำหรับการสร้างชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างซับซ้อนซึ่งต้องนำชิ้นย่อยๆ มาประกอบกัน

4. การอบชุบทางความร้อน

เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะ "หลัง" จากที่ขึ้นรูปเบื้องต้นแล้ว โดยการให้ความร้อนและทำให้เย็นลงภายใต้การควบคุมที่แม่นยำ เพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการ เช่น การชุบแข็ง (Hardening) เพื่อเพิ่มความแข็งและความต้านทานการสึกหรอที่ผิวของเฟือง หรือ การอบอ่อน (Annealing) เพื่อลดความแข็งและทำให้โลหะง่ายต่อการนำไปแปรรูปในขั้นตอนต่อไป การที่โลหะสามารถตอบสนองต่อการอบชุบได้ดี ถือเป็นข้อได้เปรียบที่ช่วยให้สามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติเฉพาะทางได้

จะเห็นได้ว่าการเลือกโลหะที่เหมาะสมนั้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและต้องพิจารณาอย่างรอบด้าน ตั้งแต่คุณสมบัติตามหน้าที่, สภาพแวดล้อม, กระบวนการผลิต ไปจนถึงต้นทุน การตัดสินใจที่ถูกต้องคือรากฐานสำคัญของเครื่องจักรที่มีคุณภาพและทนทาน และเมื่อท่านได้วัสดุที่ใช่แล้ว ขั้นตอนต่อไปที่สำคัญไม่แพ้กันคือการแปรรูปที่แม่นยำและได้มาตรฐาน เพื่อดึงศักยภาพของวัสดุนั้นออกมาได้อย่างเต็มที่

ให้ทุกไอเดียด้านวิศวกรรมของคุณกลายเป็นชิ้นงานจริงที่สมบูรณ์แบบ ที่ บริษัท ไพลิน เลเซอร์ เมทเทิล จำกัด เราเชี่ยวชาญด้านการแปรรูปโลหะแผ่นด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ทันสมัย ไม่ว่าจะเป็นงานตัด พับ หรือประกอบ เราพร้อมเป็นพันธมิตรที่เปลี่ยนวัสดุที่คุณเลือก ให้กลายเป็นชิ้นส่วนที่แม่นยำและมีคุณภาพสูงสุด