ผิวงานใกล้ศูนย์กลางหยาบเมื่อปาดหน้าด้วย G96 — สาเหตุและวิธีแก้

งานปาดหน้าบนเครื่องกลึงที่ใช้ความเร็วผิวคงที่ G96 มักได้ผิวเรียบสม่ำเสมอที่ด้านนอก แต่เมื่อเข้าใกล้ศูนย์กลาง ผิวกลับหยาบขึ้นและมีติ่งเล็กๆ เหลืออยู่ตรงกลาง ทั้งที่โปรแกรมไม่ได้เปลี่ยนอัตราป้อนหรือความเร็วตัดเลย บทความนี้อธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นกับความเร็วตัดระหว่างปาดหน้า วิธีหาตำแหน่งที่ผิวเริ่มเปลี่ยน และวิธีแก้ที่ได้ผลกับแต่ละสาเหตุ ตัวอย่างตลอดบทความใช้เพลา Ø36 ปาดหน้าด้วย G96 S180 และจำกัดรอบด้วย G50 S2500 บนชุดควบคุมแบบ Fanuc ระบบ A

อาการ

• ผิวด้านนอกของหน้าชิ้นงานเรียบและเงาสม่ำเสมอ
• ถึงเส้นผ่านศูนย์กลางค่าหนึ่ง ผิวเริ่มด้าน ขุ่น หรือเป็นขุย และหยาบขึ้นเรื่อยๆ จนถึงศูนย์กลาง
• วงที่ผิวเริ่มเปลี่ยนอยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางเดิมทุกชิ้น
• บางครั้งมี ติ่ง เล็กๆ เหลืออยู่ที่ศูนย์กลาง
• อาการชัดในวัสดุเหนียว เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ สเตนเลส และอะลูมิเนียม

สาเหตุ

มีสองสาเหตุที่มักเกิดพร้อมกัน สาเหตุแรกทำให้ผิวหยาบเป็นบริเวณกว้าง สาเหตุที่สองทำให้เกิดติ่งที่ศูนย์กลาง

รอบชนขีดจำกัด ความเร็วตัดจึงลดลง

ใน G96 ชุดควบคุมคำนวณรอบจากเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีดอยู่

$$n = \frac{1000 \, V_c}{\pi D}$$

เมื่อมีดเคลื่อนเข้าหาศูนย์กลาง $D$ เล็กลง รอบที่ต้องการจึงสูงขึ้นเรื่อยๆ และสูงไม่จำกัดที่ศูนย์กลาง แต่สปินเดิลหมุนได้ไม่เกินค่าที่จำกัดไว้ด้วย G50 หรือรอบสูงสุดของเครื่อง เมื่อรอบชนขีดจำกัด รอบจะค้างที่ค่านั้น และความเร็วตัดจะลดลงตามเส้นผ่านศูนย์กลางจนเป็นศูนย์ที่ศูนย์กลาง

เส้นผ่านศูนย์กลางที่รอบชนขีดจำกัดหาได้จาก

$$D = \frac{1000 \, V_c}{\pi \, n_{max}}$$

ในตัวอย่าง $D = 1000 \times 180 / (\pi \times 2500) = 22.9$ มม. ผิวที่อยู่ด้านในของ Ø22.9 จึงถูกตัดด้วยความเร็วตัดที่ต่ำกว่า 180 ม./นาที ทั้งหมด

ตำแหน่งมีด (Ø มม.)	รอบจริง (รอบ/นาที)	ความเร็วตัดจริง (ม./นาที)
36	1,592	180
22.9	2,500	180
15	2,500	118
5	2,500	39
0	2,500	0

รายละเอียดของ G96 G97 และ G50 อยู่ในบทที่ 9 ของหนังสือการเขียนโปรแกรม CNC

ความเร็วตัดต่ำทำให้เกิดเนื้อวัสดุพอกติดคมตัด (BUE)

เม็ดมีดคาร์ไบด์ถูกออกแบบทางเคมีและโลหะวิทยาให้ทำงานในช่วงความเร็วตัดที่เหมาะสม ซึ่งความร้อนจากการตัดเฉือนจะช่วยให้อนุภาคโลหะของเศษตัดอ่อนตัวลงและเลื่อนไหลผ่านหน้าคายเศษไปได้อย่างราบรื่น แต่เมื่อความเร็วตัดลดลงต่ำกว่าช่วงทำงาน จะเกิดปรากฏการณ์ทางกายภาพ 2 ประการ:

1. เนื้อวัสดุพอกติดคมตัด (Built-Up Edge: BUE):
   ที่ความเร็วตัดต่ำ อุณหภูมิและพลังงานที่คมตัดไม่สูงพอที่จะทำให้เนื้อโลหะอ่อนตัว แรงเสียดทานและแรงกดอัดที่หน้าคมตัดจะทำให้เนื้อวัสดุชิ้นงาน “เชื่อมติดแบบเย็น” (Cold welding) กลายเป็นก้อนพอกสะสมอยู่บนขอบคมมีด ก้อน BUE นี้จะทำหน้าที่เป็นคมตัดชั่วคราวที่มีรูปทรงทื่อและไม่แน่นอน เมื่อก้อนนี้โตขึ้นจนรับแรงตัดไม่ไหว มันจะแตกหลุดออกไปพร้อมกับดึงเอาอนุภาคคาร์ไบด์ของเม็ดมีดหลุดติดไปด้วย ผิวชิ้นงานในบริเวณนี้จึงมีลักษณะฉีกขาด ด้าน เป็นขุย และผิวเป็นคลื่นหยาบอย่างเห็นได้ชัด
2. การเปลี่ยนจากการเฉือนตัดเป็นการกดอัด (Plowing Effect):
   เมื่อความเร็วตัดเข้าใกล้ศูนย์ แรงเฉือนทางกลศาสตร์จะเปลี่ยนสภาพกลายเป็นการ “กดและเบียดอัด” เนื้อโลหะให้ฉีกหลุดออกจากกัน ส่งผลให้ผิวสัมผัสเสียหาย

ทำไมการลดอัตราป้อนอย่างเดียวจึงไม่ช่วยแก้ปัญหา?
ในระบบการป้อนแบบมิลลิเมตรต่อรอบ (G99) ระยะก้าวของมีดต่อการหมุนหนึ่งรอบจะคงที่เสมอ ไม่ว่าสปินเดิลจะหมุนเร็วหรือหมุนช้า รอยฟันป้อนทางเรขาคณิตบนผิวจึงมีระยะเท่าเดิมตลอดแนวหน้าตัด การลดค่า F จะช่วยลดแรงกด แต่ไม่สามารถเพิ่มความเร็วตัดกลับขึ้นมาได้ ดังนั้นปัญหา BUE จะยังคงเกิดขึ้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางเดิมเสมอ

---

มีดไม่ตรงศูนย์และปัญหาติ่งแกนกลาง (Center Pip)

ปลายคมตัดของมีดกลึงจะต้องอยู่ในระนาบความสูงเดียวกับเส้นศูนย์กลางเพลาหมุนของสปินเดิลอย่างแม่นยำ หากความสูงคลาดเคลื่อนจะส่งผลให้เหลือแท่งเดือยหรือ “ติ่ง” อยู่ตรงกลางเสมอ:

มองจากด้านท้ายแท่น ปลายมีดที่ตั้งสูงหรือต่ำกว่าศูนย์ h เดินเป็นเส้นตรงที่ห่างจากศูนย์กลางเท่ากับ h ตลอดทาง จึงไม่มีจุดใดบนเส้นทางที่เข้าใกล้ศูนย์ได้น้อยกว่า h เนื้อในรัศมี h รอบศูนย์จึงไม่ถูกตัดเลย และเหลือเป็นติ่งโตประมาณ 2h ไม่ว่าจะป้อนเลยศูนย์ไปไกลเท่าไร

• มีดตั้งต่ำกว่าศูนย์:
  มีดจะตัดไม่ถึงศูนย์กลางจริง และทิ้งแท่งเดือยทรงกระบอกไว้ เมื่อโปรแกรมสั่งให้มีดเคลื่อนที่ผ่านจุดกึ่งกลางไปยังพิกัด X ติดลบ แท่งเดือยที่เหลือจะปีนขึ้นมากดทับบนผิวหน้าคายเศษ (Rake face) ของเม็ดมีด แรงกดด้านบนที่ไม่สมดุลนี้จะทำให้ปลายคมคาร์ไบด์บิ่นแตกได้ง่าย
• มีดตั้งสูงกว่าศูนย์:
  ปลายคมตัดจะลอยอยู่เหนือแกนศูนย์กลาง เมื่อมีดเคลื่อนเข้าใกล้ศูนย์ ผิวหลบด้านล่าง (Flank face) ของเม็ดมีดจะเบียดเสียดสีเข้ากับผิวงานก่อนที่คมตัดจะเข้าถึง ทำให้เกิดรอยไหม้ แรงดันแกน Z เพิ่มขึ้น และเหลือติ่งตรงกลางเช่นกัน
• การเขียนโปรแกรมหยุดที่ X0 พอดี:
  พิกัดในโปรแกรม CNC อ้างอิงจาก จุดตัดตามทฤษฎี $P$ ไม่ใช่จุดศูนย์กลางของรัศมีปลายมีด เนื่องจากปลายเม็ดมีดจริงมีรัศมีความโค้งมน ($R0.4$ หรือ $R0.8$ มม.) จุดสัมผัสตัดเฉือนจริงจะอยู่ถอยหลังตามแนวรัศมีความโค้ง หากสั่งให้มีดหยุดที่ X0 ส่วนโค้งของคมมีดยังไม่ทันข้ามแกนหมุน จึงเหลือติ่งทรงกรวยเล็กๆ ไว้เสมอ โปรแกรมจึง ต้องสั่งป้อนเลยศูนย์กลางไปเป็นค่าลบอย่างน้อย $-(2R + 0.2\text{ ถึง }0.4)\text{ มม.}$ เสมอ (เช่น มีด $R0.8$ ต้องสั่งป้อนถึง X-1.8 ถึง X-2.0)

---

ตารางวิเคราะห์แยกแยะสาเหตุจากลักษณะอาการ

ลักษณะอาการที่ตรวจพบ	สาเหตุที่เป็นไปได้มากที่สุด	แนวทางแก้ไขทางเทคนิค
ผิวหยาบด้านเป็นวงกว้างสม่ำเสมอ เริ่มต้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกันทุกชิ้นงาน	รอบสปินเดิลชนเพดานขีดจำกัด G50 ทำให้ $V_c$ ลดต่ำลงจนเกิด BUE	คำนวณหา $D$ จากสูตร พิจารณาเพิ่ม G50 เท่าที่ปลอดภัย หรือเปลี่ยนเม็ดมีดมุมคายเป็นบวกสูง
ผิวงานเรียบเงาสม่ำเสมอเกือบถึงจุดศูนย์กลาง แต่มีติ่งเนื้อแหลมเล็กๆ ค้างอยู่ตรงกลาง	ความสูงของมีดไม่ตรงศูนย์ หรือโปรแกรมสั่งหยุดตัดที่พิกัด X0. พอดี	ปรับระดับความสูงมีดให้ตรงศูนย์เป๊ะ และแก้ไขโปรแกรมให้ป้อนเลยศูนย์ไปที่ X-(2R + 0.2)
ติ่งเป็นแท่งทรงกระบอกขนาดเท่ากันทุกชิ้นงาน	ความสูงของมีดไม่ตรงศูนย์ (ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของติ่งจะเท่ากับประมาณ 2 เท่าของระยะที่ตั้งมีดผิดศูนย์)	ตรวจสอบแผ่นชิมรองมีด หรือปรับสกรูปรับระดับที่ด้ามมีดคว้าน
ปลายเม็ดมีดปาดหน้าบิ่นแตกเป็นประจำตรงจังหวะผ่านจุดศูนย์กลาง	มีดตั้งต่ำกว่าศูนย์ ทำให้ติ่งปีนขึ้นมากระแทกหน้าเม็ดมีด	ยกความสูงของมีดขึ้นให้ตรงแนวศูนย์กลางเพลา

---

วิธีแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรม

1. ลำดับขั้นตอน: เจาะรูก่อนปาดหน้าละเอียด (หากชิ้นงานมีรูกลาง):
   หากชิ้นงานต้องมีรูทะลุหรือรูคว้านตรงกลาง ให้วางแผนลำดับการผลิตโดยปาดหน้าหยาบ $\rightarrow$ เจาะรู $\rightarrow$ แล้วจึงปาดหน้าละเอียดจากขอบนอกมาหยุดที่ขอบรู วิธีนี้จะตัดบริเวณวิกฤตที่ความเร็วตัดเป็นศูนย์ทิ้งไปทั้งหมด
2. ปรับระดับความสูงของคมตัดให้ตรงศูนย์:
   กลึงปาดหน้าชิ้นงานทดลอง หากพบติ่งที่กึ่งกลาง ให้ปรับเพิ่มหรือลดแผ่นชิมรองใต้ด้ามมีดจนกระทั่งหน้าตัดเรียบ ไม่มีติ่งกลาง
3. เขียนพิกัดปลายทางให้เลยจุดศูนย์กลางเสมอ:
   กำหนดค่า X ในบรรทัดปาดหน้าให้เท่ากับลบสองเท่าของรัศมีปลายมีดบวกระยะเผื่อ เช่น เม็ดมีด $R0.8$ ให้สั่งป้อนถึง X-1.8 หรือ X-2.0
4. พิจารณาขยับค่า G50 ขึ้นเท่าที่ระบบจับยึดปลอดภัย:
   การเพิ่มขีดจำกัดรอบสปินเดิลจะช่วยบีบให้วงพื้นที่ผิวหยาบเล็กลงตามตารางเปรียบเทียบ:

ค่า G50 (รอบ/นาที)	จุดที่รอบสปินเดิลชนขีดจำกัด (Ø มม.)	ความเร็วตัดจริงที่ตำแหน่ง Ø10 มม. (ม./นาที)
2,500	22.9 มม.	79 ม./นาที
3,500	16.4 มม.	110 ม./นาที
4,500	12.7 มม.	141 ม./นาที

อันตราย ความปลอดภัยของรอบหมุนสูงสุดและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

การปรับเพิ่มค่า G50 ต้องคำนึงถึงขีดจำกัดความปลอดภัยของหัวจับไฮดรอลิกเสมอ เมื่อหัวจับหมุนด้วยความเร็วสูง แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal force) จะดึงให้ก้ามจับถ่างตัวออกจากศูนย์กลาง ส่งผลให้แรงบีบจับชิ้นงานลดลงอย่างรวดเร็วตามกำลังสองของความเร็วรอบ ชิ้นงานที่จับด้วยพื้นที่สั้นหรือยื่นยาวอาจหลุดกระเด็นได้ ห้ามตั้ง G50 เกินพิกัดที่ผู้ผลิตหัวจับและมาตรฐานความปลอดภัยกำหนด

ชิ้นงานที่มีรูที่ศูนย์กลาง

เมื่อชิ้นงานมีรูที่ศูนย์กลาง ลำดับที่ให้ผิวดีที่สุดคือ ปาดหน้าหยาบ เจาะรู แล้วจึงปาดหน้าละเอียด

1. ปาดหน้าหยาบก่อนเจาะ โดยเหลือเนื้อไว้สำหรับปาดละเอียด ดอกนำศูนย์และดอกสว่านต้องเริ่มบนผิวที่เรียบและตั้งฉากกับแกน ถ้าเจาะบนผิวที่เลื่อยมา ดอกสว่านจะเดินเบี้ยว ผิวช่วงนี้หยาบใกล้ศูนย์กลางได้ เพราะจะถูกเจาะออก
2. เจาะนำศูนย์และเจาะรู รวมถึงคว้านรูหยาบถ้ามี
3. ปาดหน้าละเอียดจากขอบนอกถึงขอบรู ให้มีดเดินเลยขอบรูเข้าไปเล็กน้อยแล้วถอยออก มีดไม่ต้องเดินถึงศูนย์กลาง จึงไม่มีติ่ง และผิวที่เหลือทั้งหมดอยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่ารู

G50 S2500
G96 S180 M03
G00 X40. Z0 M08
G01 X11. F0.12          (ปาดละเอียดถึงขอบรู Ø12 เลยเข้าไป 0.5 มม. ต่อข้าง)
G00 Z2.

ผิวจะสม่ำเสมอทั้งหน้าก็ต่อเมื่อ รูใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่รอบชนขีดจำกัด ในตัวอย่างคือ Ø22.9 ถ้ารูเล็กกว่านั้น เช่น รู Ø12 ผิวระหว่าง Ø22.9 ถึง Ø12 ยังถูกตัดด้วยความเร็วตัดที่ลดลง จาก 180 เหลือ 94 ม./นาทีที่ขอบรู ซึ่งดีกว่าการปาดถึงศูนย์กลางมาก แต่ยังต้องใช้วิธีข้ออื่นร่วมด้วยถ้าผิวยังไม่ได้ตามแบบ

สิ่งที่ไม่ช่วย

• ลดค่า S ของ G96 ทำให้รอบชนขีดจำกัดช้าลง แต่ความเร็วตัดทั้งหน้าต่ำลงด้วย ผิวด้านนอกจะแย่ลงตาม
• เปลี่ยนเป็น G97 รอบคงที่ทำให้ความเร็วตัดลดลงตั้งแต่ขอบนอก ผิวจะไม่สม่ำเสมอทั้งหน้า
• ลดอัตราป้อนอย่างเดียว ไม่ทำให้ความเร็วตัดเพิ่มขึ้น การลดอัตราป้อนในช่วงสุดท้ายก่อนถึงศูนย์กลางช่วยลดแรงที่กระทำกับติ่งและเม็ดมีดได้ แต่ไม่แก้ผิวหยาบที่เกิดจากความเร็วตัดต่ำ

ไม่ว่าจะแก้อย่างไร ความเร็วตัดที่ศูนย์กลางเป็นศูนย์เสมอ จึงมีบริเวณเล็กๆ รอบศูนย์กลางที่ผิวไม่เท่ากับด้านนอก สิ่งที่ทำได้คือทำให้บริเวณนั้นเล็กที่สุด ถ้าแบบงานกำหนดความหยาบผิวของทั้งหน้าไว้ละเอียดมาก ต้องใช้กระบวนการอื่น เช่น เจียระไน

ป้องกันไม่ให้เกิดซ้ำ

• คำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางที่รอบชนขีดจำกัดตั้งแต่ตอนเขียนโปรแกรม ถ้าผิวใช้งานอยู่ด้านในของค่านั้น ให้ตัดสินใจเรื่องค่า G50 และเม็ดมีดก่อนเดินชิ้นแรก
• เลือกค่า G50 จากการจับชิ้นงานจริง ไม่ใช้ค่าต่ำค่าเดียวกับทุกงานโดยไม่มีเหตุผล และไม่ใช้ค่าสูงเกินที่หัวจับรับได้
• ตรวจความสูงของมีดทุกครั้งที่เปลี่ยนด้ามมีดหรือแผ่นรอง และดูติ่งที่ศูนย์กลางของชิ้นแรกเสมอ
• เขียนตำแหน่งสุดท้ายของการปาดหน้าให้เลยศูนย์กลาง ตามรัศมีปลายมีดของเม็ดมีดที่ใช้ และแก้เมื่อเปลี่ยนรัศมีปลายมีด

สรุป

• ใน G96 รอบเพิ่มขึ้นเมื่อมีดเข้าใกล้ศูนย์กลาง จนชนค่าที่จำกัดด้วย G50 หรือรอบสูงสุดของเครื่อง จากจุดนั้นความเร็วตัดลดลงจนเป็นศูนย์ที่ศูนย์กลาง
• เส้นผ่านศูนย์กลางที่ผิวเริ่มเปลี่ยนคือ $D = 1000 V_c / (\pi n_{max})$
• ความเร็วตัดต่ำทำให้เนื้อวัสดุพอกติดคมตัด ผิวจึงเป็นขุย อัตราป้อนต่อรอบไม่ใช่สาเหตุ
• ติ่งที่ศูนย์กลางมาจากความสูงของมีดที่ไม่ตรงศูนย์ หรือการปาดหน้าที่หยุดที่ X0
• แก้ด้วยการตั้งความสูงของมีด ปาดให้เลยศูนย์กลาง เพิ่มค่า G50 เท่าที่การจับชิ้นงานยอมได้ และเลือกเม็ดมีดที่เหมาะกับความเร็วตัดต่ำ
• ถ้าชิ้นงานมีรูที่ศูนย์กลาง ให้ปาดหน้าหยาบ เจาะรู แล้วจึงปาดหน้าละเอียดถึงขอบรู มีดจะไม่ต้องตัดในบริเวณที่ความเร็วตัดต่ำที่สุด