เครื่องมือกัดอะลูมิเนียมความเร็วสูง (HSM) | High-Speed Milling Tools

การกลึงกัดความเร็วสูง (High-speed milling : HSM) ของอะลูมิเนียมและโลหะผสมของอะลูมิเนียม ใช้ความเร็วในการตัดที่สูงกว่าค่ามาตรฐานอย่างมาก แนวทางนี้ช่วยให้กำจัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งได้ผิวงานที่เรียบเนียนและการกลึงกัดที่แม่นยำ แม้ว่าการทำงานแบบ HSM จะไม่มีการกำหนดความเร็วที่แน่นอน แต่โดยทั่วไปถือว่าเร็วกว่าความเร็วในการตัดแบบปกติ 1.5 ถึง 4 เท่า หากต้องการความเร็วตัดแบบ HSM ต้องใช้เครื่องมือกัดที่ความเร็วรอบที่สูงมาก ถึง 30000 รอบต่อนาที หรือมากกว่านั้น

จากมุมมองด้านการออกแบบ เครื่องมือกลึงกัดสำหรับงานกัดความเร็วสูง (HSM) ของอะลูมิเนียมและโลหะผสมของอะลูมิเนียม (เรียกโดยรวมว่า “อะลูมิเนียม”) โดยทั่วไปแบ่งเป็นสามประเภท เช่นเดียวกับมีดกัดอเนกประสงค์:

• เครื่องมือแบบเปลี่ยนเม็ดมีดได้
• หัวกัดโซลิด ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเอ็นมิลโซลิดคาร์ไบด์ (solid carbide endmills)
• เครื่องมือแบบประกอบ (SCEM) ที่ติดตั้งกับหัวกัดแบบเปลี่ยนได้ โดยส่วนมากเป็นหัวกัดคาร์ไบด์ทังสเตน (ผลิตภัณฑ์ MULTI-MASTER ของ ISCAR)

การทำงานด้วยความเร็วรอบที่สูงเป็นพิเศษนี้ ทำให้ต้องการเครื่องมือกลึงกัดที่ทนต่อแรงเหวี่ยงสูงคงคุณภาพการถ่วงสมดุล และรักษาความปลอดภัยของเครื่องมือไว้ เป้าหมายหลักในการออกแบบคือ การกระจายมวลอย่างสมมาตรไปรอบแกนของเครื่องมือ เพื่อให้ได้โครงสร้างที่ "สมดุลโดยการออกแบบ" แม้เป็นสมดุลที่ใช้กับแบบจำลอง และอาจไม่สามารถนำมาแทนการถ่วงสมดุลจริงของเครื่องมือที่ผลิตได้ อย่างไรก็ดี การออกแบบอันชาญฉลาดช่วยลดความไม่สมดุลของมวลคงเหลือในเครื่องมือที่ผลิต และทำให้การถ่วงสมดุลในขั้นตอนต่อไปรวดเร็ว ง่าย และน่าเชื่อถือยิ่งขึ้น

ทั้งเครื่องมือและหัวกัดโซลิดแบบเปลี่ยนได้ (ที่ออกแบบโดยใช้หลักการที่คล้ายคลึงกัน) โดยพื้นฐานแล้วเป็นโครงสร้างแบบชิ้นเดียว วิธีนี้ทำให้การออกแบบโครงสร้างที่สมดุลเป็นไปได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะเมื่อใช้การจำลอง 3 มิติ ในสภาพแวดล้อม CAD สมัยใหม่ ในทางตรงกันข้าม หัวกัดแบบถอดเปลี่ยนได้ ซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนหลายชิ้นที่ประกอบเข้าด้วยกัน จะต้องเผชิญกับข้อกำหนด HSM ที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ

การออกแบบเครื่องมือแบบถอดเปลี่ยนได้ สำหรับการกัดอะลูมิเนียมและโลหะผสมด้วยความเร็วสูง จะเน้นการตอบโจทย์ด้านคุณลักษณะพิเศษของการกลึงกัดแบบ HSM เช่น

• ป้องกันการเคลื่อนตัวอย่างผิดตำแหน่งในแนวรัศมีของเม็ดมีดอันเกิดจากแรงเหวี่ยงสูง
• ลดมวลของชิ้นส่วนเครื่องมือเพื่อลดภาระแรงเหวี่ยง
• ช่วยให้งานกลึงกัดเดินนิ่งและนุ่มนวล แม้ในงานที่ต้องประกอบกับเครื่องมือระยะยื่นยาว
• ปรับแต่งรูปทรงของร่องคายเศษวัสดุให้เหมาะสมที่สุด เพื่อเพิ่มพื้นที่ในการระบายเศษให้มากที่สุด ในขณะเดียวกันก็รักษาความแข็งแรงของแกนตัวเครื่องมือไว้
• ออกแบบช่องน้ำหล่อเย็นภายใน เพื่อการจ่ายน้ำหล่อเย็นให้มีประสิทธิภาพที่สุด และอื่น ๆ

เครื่องมือในกลุ่มแรกเป็นมีดกัดงานทั่วไปที่เปลี่ยนเม็ดมีดได้ เหมาะกับการกัดวัสดุหลากชนิด รวมทั้งเม็ดมีดที่ออกแบบเฉพาะสำหรับอะลูมิเนียม โดยทั่วไปแล้ว มีดกัดเหล่านี้ใช้กับวัสดุวิศวกรรมหลากหลายประเภท และใช้กับเม็ดมีดที่มีรูปทรงพื้นฐานและพื้นผิวดาตั้มเหมือนกัน ซึ่งจะมีช่องไว้ใส่เม็ดมีด ด้วยการติดตั้งเม็ดมีดที่มีรูปทรงหน้าตัดและมุมคายที่แตกต่างกัน จะทำให้สามารถปรับแต่งมีดกัดเดียวกัน เพื่อใช้ในการกัดวัสดุประเภทต่าง ๆ ได้ โดยเครื่องมือกลุ่มแรกจะทำงานที่ความเร็วตัดไม่เกิน 1000 เมตร/นาที (3280 SFM)

ในการกลึงกัดแบบ HSM ที่ความเร็วรอบที่สูง แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง จะมีค่ามากขึ้น เพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวอย่างผิดตำแหน่งในรัศมีของเม็ดมีดที่เกิดจากแรงเหล่านี้ เครื่องมือกลุ่มที่สองจึงมีกลไกการยึดเม็ดมีด ด้วยเหตุนี้ความเร็วในการตัดจึงเพิ่มมากถึง 5000 เมตร/นาที (16400 SFM) เมื่อการกัดผิวในแนวรัศมีนั้นมีขนาดเล็ก

เครื่องมือกลุ่มที่สามได้ถูกพัฒนามาสำหรับการใช้งานที่ต้องการงานกัดแบบ ramp-down รูปทรงของเม็ดมีดที่ออกแบบมาเพื่อการกัดที่รุนแรง ช่วยให้สามารถกัดได้ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 2000 เมตร/นาที (6560 SFM)

ในการกัดอะลูมิเนียมด้วยความเร็วสูง แรงเหวี่ยงที่สูงส่งผลให้สกรูยึดเม็ดมีดรับภาระมากขึ้น เพื่อความมั่นใจในการใช้งาน ควรเปลี่ยนสกรูเหล่านี้ตามคำแนะนำเฉพาะของเครื่องมือ เพราะฉะนั้นทาง ISCAR ขอแนะนำให้เปลี่ยนสกรูยึดทุก ๆ 10 ครั้งหลังจากการเปลี่ยนเม็ดมีดแต่ละชิ้น ในเครื่องมือ HSM บางแบบ เม็ดมีดจะจัดส่งพร้อมกับสกรูยึดในบรรจุภัณฑ์ เม็ดมีดและสกรูถูกคัดเลือกภายใต้ค่าความเผื่อที่เข้มงวด เพื่อให้ได้ความสมดุลที่ต้องการของเครื่องมือกัดแบบประกอบ  ในกรณีนี้ ควรเปลี่ยนสกรูทุกครั้งเมื่อเปลี่ยนเม็ดมีด

สิ่งสำคัญที่ควรทราบ คือ ข้อกำหนดด้านสมดุลที่ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะชุดเครื่องมือ อันประกอบไปด้วยตัวเครื่องมือ เม็ดมีด และชิ้นส่วนยึด เช่น สกรู เท่านั้น แต่ระบบเครื่องมือทั้งหมด รวมถึงชุดเครื่องมือ อะแดปเตอร์พื้นฐานที่ติดตั้งกับสปินเดิลเครื่องจักร และองค์ประกอบตัวกลาง (ส่วนต่อยาวหรือส่วนลดขนาด) ต้องสมดุลด้วยเช่นกัน ข้อกำหนดที่เข้มงวดนี้ได้ถูกเน้นย้ำไว้ในมาตรฐาน ISO 16084

แล้ว ISCAR จะนำเสนอเครื่องมือใหม่อะไรบ้างสำหรับการกัดอะลูมิเนียมด้วยความเร็วสูงให้แก่ลูกค้า? จากกลุ่มที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ มีการพัฒนาการล่าสุดอะไรบ้าง

กลุ่มดอกกัดแบบถอดเปลี่ยนได้สำหรับงานทั่วไป ได้รับการขยายไลน์เพิ่มด้วยการออกแบบที่หลากหลาย เช่น เครื่องมือที่ใช้เม็ดมีดกลมมีหลากหลายรุ่น รวมถึงเม็ดมีดแบบใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการกลึงอะลูมิเนียมและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กอื่น ๆ เม็ดมีดเหล่านี้ มีพื้นผิวด้านบน (หน้าตัด) ที่ขัดเงาเพื่อปรับปรุงการไหลของเศษ และขจัดการพอกติดของเศษวัสดุที่คมกัด (Built-Up Edge : BUE) โดยมีอยู่ 2 แบบ : ขอบตัดเรียบ และขอบตัดหยัก เม็ดมีดขอบเรียบมักใช้สำหรับงานกึ่งเก็บผิว ส่วนเม็ดมีดขอบหยักออกแบบหลักเพื่อการกัดหยาบ และสำหรับงานภายใต้สภาวะไม่เสถียร เช่น งานระยะยื่นที่ต้องยื่นเครื่องมือมาก และการกัดชิ้นงานที่ผนังบาง 

อีกตัวอย่างหนึ่งคือ หัวเอ็นมิลที่เปิดตัวล่าสุด มาพร้อมกับระบบการเชื่อมต่อแบบเกลียวอย่าง MULTI-MASTER และ FLEXFIT ซึ่งมีให้เลือกใช้พร้อมระบบหล่อเย็นแรงดันสูง (High-pressure coolant : HPC) หัวเหล่านี้รองรับเม็ดมีด HELIALU รุ่นคลาสสิกจาก ISCAR ที่มีคมตัดแบบเกลียว การฉีดน้ำหล่อเย็นได้รับการพัฒนา โดยใช้แบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics : CFD) เพื่อเพิ่มอัตราการไหลให้สูงสุดในขณะลดการสูญเสียความดันให้ต่ำสุด  การออกแบบการขันสกรูช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับแต่งได้อย่างมาก โดยสามารถใช้กับก้าน MULTI-MASTER และ FLEXFIT, อะแดปเตอร์, ส่วนต่อยาว และตัวลดขนาดที่มีจำหน่ายอย่างแพร่หลายในตลาด

ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ISCAR เน้นสร้างเครื่องมือกัดแบบถอดเปลี่ยนได้สำหรับอะลูมิเนียม ที่ถูกออกแบบเพื่อความเร็วในการตัดที่สูงมาก เพื่อเพิ่มอัตราการกำจัดโลหะ (Metal Removal Rate : MRR) เครื่องมือเหล่านี้ถูกออกแบบ เพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวของเม็ดมีดในแนวรัศมีที่เกิดจากแรงเหวี่ยงสูง กลไกการล็อกป้องกันการเคลื่อนตัวแบบพิเศษ ช่วยให้การกัดงานมีความน่าเชื่อถือในงาน HSM ที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาใหม่ล่าสุดได้ขยายขีดความสามารถของกลุ่มผลิตภัณฑ์ ด้วยเครื่องมือใหม่ที่รองรับเม็ดมีดขนาดใหญ่ ทำให้สามารถกัดได้ลึกถึง 22 มม.  การเพิ่มเติมนี้สนับสนุนการใช้เครื่องมือรุ่นใหม่ที่มีกำลังสูง และขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

ผลิตภัณฑ์ใหม่ที่เพิ่งเปิดตัว คือเม็ดมีดขอบหยักขนาด 14 มม. ที่ออกแบบให้ติดตั้งกับมีดกัดความเร็วสูง HELIALU ที่มีอยู่เดิม เม็ดมีดรุ่นนี้ มีการขัดเงาที่มุมตัดด้านหน้า รูปทรงมุมบวก และคมตัดขอบหยักสำหรับการแตกเศษ ซึ่งการแตกเศษชิ้นใหญ่ให้เป็นชิ้นเล็ก ๆ   ช่วยให้ระบายเศษดีขึ้น ลดการกัดงานซ้ำ เพิ่มเสถียรภาพในการทำงานของเครื่องมือ และรองรับอัตราป้อนที่สูงขึ้น จึงช่วยเพิ่มผลผลิตในการกัดหยาบ

แน่นอนว่า เอ็นมิลโซลิดคาร์ไบด์ (SCEM) และเครื่องมือประกอบที่ใช้หัวคาร์ไบด์แบบเปลี่ยนได้ ยังคงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง นวัตกรรมล่าสุดประกอบด้วย SCEM และหัวหลายแบบที่มีโปรไฟล์หลากหลาย ตัวอย่างเช่น หัว MULTI-MASTER แบบ 4 ฟัน ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 32 มม. มีคมตัดแบบมุมเอียง ทำให้ทำงานได้สม่ำเสมอครอบคลุมตั้งแต่งานหยาบถึงงานเก็บผิว

ความก้าวหน้าของเครื่องมือได้ขยายขีดจำกัดของความเร็วรอบและอัตราป้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้สามารถตัดด้วยความเร็วที่สูงขึ้นได้ การกัดอะลูมิเนียมด้วยความเร็วสูงพิเศษกำลังกลายเป็นแบบอย่างที่สำคัญ ซึ่งก่อให้เกิดความต้องการใหม่ ๆ ในการออกแบบเครื่องมือกลึงกัด เป็นเรื่องน่าติดตามต่อไปว่า ผู้ผลิตเครื่องมือจะรับมือกับความท้าทายเหล่านี้อย่างไร