High-speed Machining คืออะไร?

อุตสาหกรรมโลหะการ เริ่มนำการทำงานแบบ High-speed Machining มาใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1990 อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบันนี้ คำว่า “High-speed” ก็ยังคงคลุมเครือ มีความหมายต่างกันไปตามแต่ละโรงงาน ยกตัวอย่างเช่น Brendt Holden ประธานบริษัท Haimer USA ให้นิยามว่า 

ส่วนผู้เชี่ยวชาญจากสมาคมวิศวกรการผลิตแห่งสหรัฐอเมริกาลงความเห็นกันว่า สปินเดิลที่ทำงานด้วยความเร็ว 15,000-30,000 rpm ก็ถือว่ามีความเร็วสูงแล้ว แต่ในความเป็นจริงนั้น ทูลส์พิเศษบางชนิดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมเครื่องมือแพทย์สามารถทำงานได้เร็วถึง 120,000 rpm เลยทีเดียว

Chris Herdman วิศวกรสนับสนุนด้านเทคนิคจากบริษัท Rego-Fix Tool แสดงความเห็นว่า นิยามของคำว่า High-speed Machining จึงไม่ตายตัวมากนัก แต่ที่ชัดเจนคือการนำไปใช้งาน ซึ่งส่วนใหญ่มักมีอัตราป้อนสูง, จำนวนฟันของทูลส์มาก, Radial cut ต่ำ, และมักใช้งานควบคู่กับซอฟต์แวร์การกัดแบบไดนามิค

ส่วน Matt Goss วิศวกรแอปพลิเคชัน/ฝ่ายพัฒนาโครงการ บริษัท Greenleaf แสดงความเห็นว่า คำว่า High-speed ขึ้นกับสองปัจจัย คือความเร็วของสปินเดิล และอัตราป้อน (Feed Rate) ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้เองที่ทำให้กระบวนการตัดเศษวัสดุเร็วขึ้น และลด Cycle Time ให้สั้นลง

อีกหนึ่งความเห็นจาก Preben Hansen ประธานบริษัท Platinum Tooling Technologies กล่าวว่า สำหรับบริษัทฯ คำว่า High-speed หมายถึงสปินเดิลที่ทำงานได้ด้วยความเร็ว 20,000 rpm ขึ้นไป โดยแสดงความเห็นว่าแม้กระบวนการตัดเศษวัสดุจะไม่เร็วขึ้น แต่เมื่ออัตราป้อนสูงขึ้น การทำงานก็มักจะเร็วขึ้นจริง

ความท้าทายของ High-speed Machining 

เมื่อเครื่องจักรมีความเร็วสูงขึ้น ความเป็นไปได้ที่จะประสบปัญหาก็มีมากขึ้นตามไปด้วย โดยเฉพาะในเรื่องของสมดุลและความแม่นยำ ทำให้ Tool Holder ที่ดีเป็นสิ่งที่จำเป็นต่อเครื่องจักรและการผลิตเป็นอย่างมาก โดย Dan Doiron ผู้จัดการผลิตภัณฑ์งานกัด บริษัท Emuge Corp แสดงความเห็นว่า

โดยมากแล้ว การนำหัวจับ (Chucks) ทั่วไปมาใช้ในการทำงานแบบ High-speed Machining มักทำให้หัวจับรับภาระมากเกินไปจนลดความน่าเชื่อถือในการทำงาน เช่น ER collets มักมีแรงจับยึดและค่า Runout ไม่ดีนัก ในขณะที่หัวจับแบบ Side Lock รับแรงได้ไม่ดีเมื่อหมุนด้วยความเร็วสูง

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะใช้ความเร็วเท่าไหร่ สปินเดิลก็ย่อมได้รับผลกระทบจากแรงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal force) และเมื่อใช้ความเร็วสูงขึ้น รูแกนเพลา (Spindle bore) ก็จะขยายตัวจากแรงหนีศูนย์กลางที่มากขึ้น ซึ่งรูที่ขยายตัวนี้เองที่อาจทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงในแนวแกน Z ของ Steep-taper tools เช่น CAT, BT, SK, และอื่น ๆ ได้ ในขณะที่ทูลส์แบบ Hollow shank taper (HSK) ซึ่งออกแบบขึ้นสำหรับงาน High-speed Machining จะมีการขยับตามแนวแกน Z น้อยกว่า 

นอกจากแรงหนีศูนย์กลางแล้ว เมื่อทูลส์หมุนเร็วขึ้น แรงสั่นสะเทือนก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย ทำให้ในงาน High-speed Machining มักเลือกใช้ HSK Tool Holder และ Capto style Tool Holder มากกว่า Steep tapers

ส่วนในการผลิตยุคนี้ที่ทูลส์มักผลิตจากวัสดุที่แปลกใหม่อย่างเซรามิกซึ่งมีความทนทานสูง และมีรอบหมุนที่สูงกว่าเดิมมาก ปัญหาใหม่ที่เกิดขึ้นตามมาก็คือความร้อน ซึ่งความร้อนที่เกิดจากการกัดชิ้นงานจะเข้าไปยัง Tool Holder ซึ่งอาจทำให้ความสามารถในการจับยึดเครื่องมือลดลง นำมาซึ่งการสั่นสะเทือนที่มากขึ้น หรือในกรณีร้ายแรงคือทูลส์อาจจะหลุดออกมาระหว่างกัดชิ้นงาน

อีกหนึ่งความท้าทายของ High-speed Machining  คืออายุการใช้งานของสปินเดิล เนื่องจากสปินเดิลที่เสื่อมสภาพจะทำให้ทูลส์ไม่สมดุล และสิ่งนี้เองที่นำไปสู่การพัฒนาเครื่องบาลานซ์ทูลส์ที่ทำให้ทูลและอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ ไม่มีการเคลื่อนที่

ส่วนในกรณีของดอกต๊าป (Tapping) ก็มีความท้าทายอีกอย่างหนึ่ง โดย  Kyle Matsumoto วิศวกรผลิตภัณฑ์จาก OSG USA แสดงความเห็นว่าความผิดพลาดในกระบวนการต๊าป (Tapping operations) เป็นปัญหาต่อคุณภาพและอายุการใช้งานของทูลส์เป็นอย่างมาก ซึ่งโดยทั่วไป ความผิดพลาดเกิดขึ้นได้ในสองจุด คือ ช่วงเริ่ม Cycle ที่ดอกต๊าปเริ่มหมุน และช่วงเปลี่ยนผ่านจากการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเป็นการถอยกลับ เนื่องจากหากดอกต๊าปมีความเร็วรอบไม่ได้ตามที่กำหนดไว้ก่อนจะเจาะลงบนชิ้นงาน หรือก่อนถอนออกจากชิ้นงาน แรงขับที่เกิดขึ้นอาจลดคุณภาพของเกลียว ลดอายุการใช้งาน หรือแม้แต่ทำให้เกิดความเสียหายได้

การกัดชิ้นงานแบบ Trochoidal Milling 

ในกรณีที่ชิ้นงานทำจากวัสดุที่มีความแข็งสูง มีรูปทรงและร่องที่ซับซ้อน การทำ High-speed Machining จะ สามารถช่วยเพิ่มผลผลิตและลดภาระในการกัดหยาบได้ ด้วยการกัดชิ้นงานแบบ Trochoidal Milling ซึ่งเป็นการกัดที่ใช้สำหรับสร้างช่องที่กว้างกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเครื่องมือตัด โดยโปรแกรม Toolpath ให้ใช้ความเร็วสูงในขณะที่คงความลึกในการตัดรัศมีต่ำ และความลึกของการตัดตามแนวแกนสูงเอาไว้

ในการกัดชิ้นงานแบบ Trochoidal Milling นี้ ความยาวของเครื่องมือ, จำนวนร่องฟัน (Flute) ของดอกกัดบนดอกเอนมิล, และแรงจับยึดของ Tool Holder คือสิ่งที่สำคัญเป็นอย่างมาก เนื่องจากหากพึ่งพาแต่แรงจับยึดเพียงอย่างเดียว แรงตัดที่เกิดจากการหมุนด้วยความเร็วสูง, และ Toolpath อาจทำให้ทูลส์หลุดออกมาได้แม้จะใช้ Tool Holder  ที่ดีก็ตาม

ซึ่งความท้าทายของ Trochoidal Milling ก็คือการจับยึดทูลส์ด้วยระบบ Friction-fit (เช่น shrink-fit milling chucks, high-precision collet chucks, hydraulic chucks, press-fit collet systems) เนื่องจากหากจับยึดเครื่องมือตัดได้ไม่ดี จะทำให้ Cutting Tools หมุนใน Tool Holder จนอาจหลุดออก ไปจนถึงแตกหักได้

วิธีเลือก Tool Holder ในงาน High-speed Machining

สิ่งที่ควรพิจารณาในการเลือก Tool Holder คือสมดุล, ความทนทาน, แรงจับยึด (Clamping strength) และค่า Runout (Runout accuracy) ซึ่งสิ่งสำคัญก็คือ การเลือก Tool Holder ให้เหมาะกับการใช้งาน 

ยกตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปแล้วงานกัดหยาบมักเลือกอุปกรณ์จับยึดที่มีแรงจับยึดสูง ในขณะที่งาน Finishing ซึ่งต้องการความเที่ยงตรง และคุณภาพผิวมักเลือกใช้ Tool Holder ที่มีค่า Runout ต่ำ เพื่อให้สามารถทำซ้ำได้อย่างแม่นยำ

ผู้เชี่ยวชาญจากสมาคมวิศวกรการผลิตแห่งสหรัฐอเมริกา แนะนำว่า การซื้อ Tool Holder ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการทำงานแบบ High-speed Machining จะคุ้มค่ากว่าการซื้อ Tool Holder ที่ไม่ดีนัก เนื่องจากเมื่อเทียบกันแล้วพบว่าการลงทุนอุปกรณ์จับยึดจะมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าการเปลี่ยนทูลส์บ่อยครั้ง

Tool Holder ประสิทธิภาพสูงช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนทูลส์ได้ เพราะทำให้ยืดอายุการใช้งานของทูลส์ให้ยาวขึ้น ช่วยให้ทูลส์ชิ้นเดิมสามารถใช้งานได้ยาวนานกว่าเดิมโดยไม่จำเป็นต้องลดความเร็วรอบหรือความเร็วในการป้อนแต่อย่างใด 

ปัจจุบัน อุปกรณ์จับยึด (Tool Holder) ที่มีประสิทธิภาพนั้นมีหลายรูปแบบ ซึ่งแต่ละแบบก็ล้วนมีข้อดีข้อเสียต่างกันไป ยกตัวอย่างเช่น ระบบชริงฟิต (Shrink fit) ซึ่งใช้ความร้อนช่วยทำให้ช่องใส่เครื่องมือขยายตัวก่อนติดตั้งเครื่องมือตัด เป็นระบบที่ได้รับความนิยมสูง เนื่องจากมีค่าความร่วมศูนย์และค่าความสมดุลที่ดี แต่ทนต่อแรงสั่นสะเทือนได้ไม่ดีนัก

อีกตัวอย่างคืออุปกรณ์จับยึดแบบไฮดรอลิก ซึ่งใช้แรงดันไฮดรอลิกในการจับยึดเคื่องมือตัด สามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือนได้เป็นอย่างดี แต่มีข้อจำกัดด้านแรงจับยึดและความปลอดภัย

Matt Goss วิศวกรแอปพลิเคชัน/ฝ่ายพัฒนาโครงการ บริษัท Greenleaf แสดงความเห็นว่า Tool Holder ที่ดีสำหรับงาน High-speed Machining จะต้องทำให้ทูลส์มีค่า Runout อยู่ที่ 0.0001 (0.00254 มิลลิเมตร) หรือต่ำกว่าสำหรับทูลส์ขนาด 3xD เนื่องจากการจับยึดที่มั่นคง จะช่วยให้การผลิตสามารถทำซ้ำได้ง่าย และประเมินอายุการใช้งานทูลส์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น

ทางด้าน Brendt Holden ประธานบริษัท Haimer USA ได้แนะนำให้ผู้ใช้หาซื้อ Tool Holder ที่ผ่านการทำสมดุล (Pre-balanced) มาแล้ว เพื่อให้เมื่อติดตั้งทูลส์เข้าไปแล้วได้ความสมดุลที่เหมาะสม ไปจนถึงการหาระบบที่มีการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนน้อยที่สุด ไม่เช่นนั้นสปินเดิลอาจเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร หรือทำให้ผิวงานมีคุณภาพไม่ตรงตามต้องการ การมองหาเครื่องบาลานซ์ทูลส์ (Tools Balancer) ไว้ใช้ในโรงงาน ไปจนถึงการหา Pull-stud ที่มีคุณภาพสำหรับ Taper แบบ CAT, BT, และ SK เพื่อให้การจับทูลส์มีความสมดุลที่สุด