การย้อนร่องวิศวกรรมเชิงลึก: การสร้างใหม่และปรับปรุงกระบวนการผลิตบอลสกรูความแม่นยำสูงสำหรับเครื่องกลึง CNC Mori Seiki SL Series อย่างสมบูรณ์

บทคัดย่อ

1. การวิเคราะห์โหมดการเสียหายและการวัดค่าพื้นฐาน

หลังจากใช้งานมา 15–20 ปี บอลสกรู OEM (โดยทั่วไปเป็น THK BNFN หรือ NSK W series) ในเครื่อง Mori Seiki SL จะแสดงโหมดการเสียหายหลักดังนี้

• การหลุดร่อน/ลอกของรางวิ่ง: การเกิด fatigue spalling จากการรับโหลดสลับไปมาซ้ำ ๆ
• การสึกกร่อนแบบกัดกร่อน: การแทรกซึมของน้ำยาหล่อเย็นและการเสื่อมสลายของน้ำมันหล่อลื่นทำให้เกิดหลุมและสนิมบนรางวิ่ง — เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ความคลาดเคลื่อนของระยะพิทช์และแบ็คลาชเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
• การยึดติดของน็อต: การสูญเสียน้ำมันหล่อลื่นหรือการเสื่อมของ preload/การโอเวอร์โหลด ทำให้เกิดการเสียดสีรุนแรงระหว่างลูกบอลกับรางวิ่ง

1.1 การกำหนดค่าพื้นฐานดิจิทัลของสมรรถนะ

ก่อนการถอดประกอบ ต้องบันทึกค่าพื้นฐานแบบไดนามิกอย่างครบถ้วน — ค่านี้จะกำหนดเป้าหมายการฟื้นฟูสเปค

• การทดสอบความแม่นยำ: ใช้ Renishaw QC20-W wireless ballbar เพื่อวัดความแม่นยำทางเรขาคณิตและการวางตำแหน่ง ข้อมูลทั่วไปของเครื่อง SL อายุ 15–20 ปี ระยะเดินทาง 800 มม.: ความคลาดเคลื่อนสะสมของระยะพิทช์ 0.038–0.085 มม.; แบ็คลาชตามแนวแกน 0.045–0.120 มม.
• การบันทึกการประกอบ: บันทึกหมายเลขชิ้นส่วน THK/NSK เดิม, แรงบิด preload ของชุดแบริ่ง (มักเป็นแบริ่งรับแรงรัศมีแบบ angular-contact thrust คู่), และความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างตัวเรือนน็อตกับฐานรองแบริ่ง

2. การวัดเรขาคณิตความแม่นยำสูงและการสร้างโมเดล

ความท้าทายหลักของการผลิตบอลสกรูสั่งทำพิเศษคือการสร้างเรขาคณิต รางวิ่งแบบโกธิคอาร์ช และความคลาดเคลื่อนของเดือยแบริ่งให้ถูกต้องแม่นยำ

2.1 การสแกน 3D ด้วยแสงที่มีโครงสร้างและการประมวลผล Point Cloud

• เครื่องมือหลัก: เครื่องสแกนแสงสีน้ำเงินโครงสร้าง Zeiss ATOS Triple Scan III (ความแม่นยำเชิงปริมาตร ±0.008 มม.) สำหรับการสแกนแบบไม่สัมผัสเต็มพื้นที่
• การวัดเสริม: Hexagon Absolute Arm RS6 laser scanner สำหรับเดือยแบริ่งและจุดที่เข้าถึงยาก

2.2 การดึงพารามิเตอร์เรขาคณิตที่สำคัญ

ดำเนินการสร้างโมเดลโซลิดแบบพารามิเตอร์ใน Geomagic Design X ส่วนที่ยากที่สุดของการย้อนร่องวิศวกรรมคือการอนุมานพารามิเตอร์สำคัญที่มองไม่เห็น:

• เรขาคณิตของรางวิ่งแบบโกธิคอาร์ช: เครื่อง SL series โดยทั่วไปใช้รางวิ่งแบบโกธิคอาร์ชแท้หรือ ogival รัศมีส่วนโค้งของรางวิ่งและมุมสัมผัส (โดยทั่วไป 45° หรือ 50°) เป็นปัจจัยชี้ขาดต่อความแข็งของ preload และความสามารถในการรับน้ำหนัก — ต้องทำการฟิตอย่างแม่นยำจากหน้าตัดของ point cloud
• ระยะพิทช์และเกรดความแม่นยำ: พิทช์ที่พบทั่วไปคือ 10 มม. หรือ 12 มม. ตั้งเป้าหมายความแม่นยำเทียบเท่า C3 (ความคลาดเคลื่อนระยะพิทช์ E ≤ 0.006 มม./300 มม.) เพื่อฟื้นฟูความสามารถทำซ้ำแบบสองทิศทางระดับไมครอน
• ความคลาดเคลื่อนของเดือยแบริ่ง: เส้นผ่านศูนย์กลางเดือยและการคลาดเคลื่อนของหน้าไหล่ต้องควบคุมภายใน ±0.002 มม. เพื่อให้เกิดการฟิตแบบ interference กับวงในแบริ่งที่เหมาะสมและรักษาความศูนย์กลางของการหมุน

3. การปรับปรุงวัสดุ, การอบชุบด้วยความร้อน, และการออกแบบ Preload

3.1 การอัพเกรดวัสดุและการอบชุบด้วยความร้อน

บอลสกรู THK/NSK เดิมมักใช้วัสดุเหล็กกล้าผสมที่ผ่านการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ เช่น SCM415 หรือเทียบเท่า

• วัสดุ: 60CrMoV14-6 (DIN 1.7931) หรือ 9Cr18MoV ในประเทศ
• การอบชุบด้วยความร้อน: การชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำสองความถี่ ให้ความแข็งผิว 60–63 HRC โดยมีความลึกชั้นชุบแข็ง ≥ 1.2 มม.
• การอบชุบแบบไครโอเจนิค: การอบเย็นจัดหลังการดับที่ –120 °C เพื่อความเสถียรของมิติในระยะยาวภายใต้โหลดและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

3.2 การคำนวณ Preload และความแข็งใหม่

Preload เป็นกลไกพื้นฐานในการกำจัดแบ็คลาชและเพิ่มความแข็งของระบบให้สูงสุด

• โครงสร้าง: แกน X มักใช้การยึดแบบ fixed-fixed ด้วยน็อตคู่
• การคำนวณ: ใช้สคริปต์ Python + ANSYS Mechanical ภายในบริษัทเพื่อหาค่า preload ที่เหมาะสมตามแรงตัดสูงสุด (SL-250 แรงตามแนวแกนทั่วไป ~8,500 N) และความแข็งเป้าหมาย (≥ 450 N/µm)
• การนำไปใช้: วิธี preload แบบ shim-offset ด้วยแผ่นชิมความแม่นยำ 0.03–0.05 มม. เพื่อสร้างการชดเชยตามแนวแกนระหว่างน็อตสองตัว ทำให้ได้แบ็คลาชเป็นศูนย์และความแข็ง 420–480 N/µm

3.3 การตรวจสอบด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA)

ทำการจำลองชุดประกอบเต็มรูปแบบใน ANSYS Mechanical:

• การวิเคราะห์แบบคงที่: แรงกระแทกฉุกเฉิน/การชน 12 kN → ความเค้น von Mises สูงสุด < 680 MPa (safety factor > 2.1)
• การวิเคราะห์โมดัล: ความถี่ธรรมชาติอันดับแรก > 165 Hz (สูงกว่าแบนด์วิดท์ของเซอร์โวมาก)

4. การผลิตและเส้นทางกระบวนการความแม่นยำสูงพิเศษ

การผลิตบอลสกรูความแม่นยำสูงต้องปฏิบัติตามลำดับที่เข้มงวดอย่างยิ่ง:

1. การเตรียมชิ้นงานดิบ: การกลึงหยาบ → การอบคลายความเค้น
2. การสร้างเกลียวกึ่งสำเร็จ: เครื่อง whirlwind milling ความเร็วสูง Leistritz Polymat 100
3. ขั้นตอนหลักความแม่นยำ:
   • การชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ + การอบไครโอเจนิค เพื่อความแข็งและความเสถียร
   • การเจียรเกลียวบนเครื่อง Matrix 70 CNC thread grinder พร้อมการแต่งลิ่งเพชรต่อเนื่อง
   • การเจียรไร้ศูนย์กลางหรือการกลึงแข็งเดือยแบริ่งให้การคลาดเคลื่อนการหมุน ≤ 0.002 มม. เทียบกับรางวิ่ง
4. การซูเปอร์ฟินิชชิ่ง: รางวิ่งถูกซูเปอร์ฟินิชให้ได้ Ra 0.08–0.12 µm

5. การตรวจสอบสมรรถนะสุดท้ายและประโยชน์ทางวิศวกรรม

5.1 การควบคุมคุณภาพและการวัดด้วยเครื่องมือวัด

บอลสกรูสั่งทำทุกชิ้นผ่านการตรวจสอบ 100 %:

• CMM วัดมิติเต็มรูปแบบ: Zeiss PRISMO วัดมากกว่า 500 จุดต่อหนึ่งพิทช์บนรางวิ่ง
• การรับรองความแม่นยำ: ความคลาดเคลื่อนระยะพิทช์ ≤ 0.006 มม./300 มม. (เทียบเท่า C3)
• ความคลาดเคลื่อนของโปรไฟล์: ความผิดพลาดรูปแบบรางวิ่ง ≤ ±0.002 มม.
• การทดสอบไดนามิก: การบาลานซ์ไดนามิก 100 % + การทดสอบการสั่นและเสียง

5.2 ผลลัพธ์จริง (SL-250MC ปี 2002, แกน X 40 มม. × 12 มม. × 1050 มม.)

สรุป: ด้วยการย้อนร่องวิศวกรรมอย่างเป็นระบบร่วมกับการผลิตที่ทันสมัยที่สุด เราไม่ได้เพียงแค่ “เปลี่ยน” ชิ้นส่วนที่เลิกผลิตแล้ว — แต่เราสร้างใหม่และอัพเกรดระบบส่งกำลังทั้งหมด บอลสกรูสั่งทำของเรามีสมรรถนะด้านความแข็ง, ความแม่นยำ และอายุการใช้งานที่เหนือกว่าสเปคโรงงาน OEM ช่วงปลายยุค 1990s/ต้นยุค 2000s อย่างสม่ำเสมอ