วัสดุและกระบวนการผลิตแม่พิมพ์วงแหวน

วงแหวนแม่พิมพ์เป็นหัวใจสำคัญของเครื่องอัดเม็ด วัสดุที่ใช้และคุณภาพการผลิตมีผลโดยตรงต่อคุณภาพของเม็ดเชื้อเพลิง กำลังการผลิต การใช้พลังงาน และตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดคือต้นทุนต่อตัน เมื่อวงแหวนแม่พิมพ์สึกหรอเร็วเกินไป ติดขัดบ่อย หรือผลิตเม็ดเชื้อเพลิงที่ไม่เสถียร สาเหตุหลักมักมาจากการเลือกใช้วัสดุหรือการลดขั้นตอนในการผลิต บทความนี้จะตรวจสอบวัสดุสองประเภทหลักที่ใช้ทำวงแหวนแม่พิมพ์ ได้แก่ เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (X46Cr13/4Cr13) และเหล็กกล้าอัลลอย (20CrMnTi) รวมถึงกระบวนการผลิตที่แปลงคุณสมบัติของวัสดุไปสู่ประสิทธิภาพการทำงาน
เหตุใดวัสดุของแม่พิมพ์วงแหวนจึงมีความสำคัญ

ในระหว่างการผลิตเม็ดอาหารสัตว์ แม่พิมพ์วงแหวนจะทำงานภายใต้แรงดันสูง แรงเสียดทานสูง และความเครียดเชิงกลแบบวนซ้ำพร้อมกัน อาหารสัตว์บดจะถูกดันผ่านรูแม่พิมพ์โดยลูกกลิ้งกด ในขณะที่ไอน้ำ ความชื้น แร่ธาตุ และส่วนผสมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะกระทำต่อพื้นผิวการทำงานและผนังรูอย่างต่อเนื่อง การเลือกวัสดุที่ไม่ดีอาจส่งผลให้เกิดปัญหาหลายประการ ได้แก่ การสึกหรอของรูเร็วขึ้น ความเสถียรในการอัดลดลง ความแข็งของเม็ดอาหารสัตว์ลดลง การอุดตันของแม่พิมพ์บ่อยครั้ง รอยขีดข่วนบนพื้นผิวด้านใน และความเสี่ยงต่อการแตกร้าวที่สูงขึ้น [1]

ผลกระทบทางเศรษฐกิจนั้นสำคัญมาก แม่พิมพ์ราคาถูกที่ต้องเปลี่ยนบ่อยกว่า ทำให้เครื่องจักรหยุดทำงานมากขึ้น หรือทำให้คุณภาพเม็ดกระสุนลดลง ย่อมมีต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของสูงกว่าแม่พิมพ์คุณภาพสูงที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่ามาก
กลุ่มวัสดุ: ภาพรวมเปรียบเทียบ

อุตสาหกรรมการผลิตแม่พิมพ์วงแหวนใช้หลักๆ สองประเภทวัสดุ โดยการเลือกใช้ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของวัตถุดิบ สภาพการทำงาน และความเสี่ยงต่อการกัดกร่อน

ประเภทแรกคือเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (Martensitic Stainless Steel) ซึ่งเกรดทั่วไปได้แก่ X46Cr13 และ 4Cr13 มีความแข็งระดับ HRC 52-60 จุดเด่นสำคัญคือความแข็งสูง ทนต่อการกัดกร่อน และอายุการใช้งานยาวนาน ข้อจำกัดหลักคือต้นทุนต่อหน่วยสูง การใช้งานทั่วไปได้แก่ อุตสาหกรรมสัตว์ปีก อาหารสัตว์น้ำ และสูตรที่ต้องทนต่อการสึกหรอสูง

หมวดที่สองคือเหล็กกล้าผสม โดยมีเกรดทั่วไป ได้แก่ 20CrMnTi, 40Cr และ 42CrMo ซึ่งมีความแข็งระดับ HRC 55-60 จุดเด่นที่สำคัญ ได้แก่ ความเหนียวที่ดี ราคาประหยัด และความแข็งแรงเชิงกลที่ดีเยี่ยม ข้อจำกัดหลักคือความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ การใช้งานทั่วไป ได้แก่ สัตว์ปีก ปศุสัตว์ และชีวมวลมาตรฐาน แหล่งที่มา: [1], [2]
X46Cr13 / 4Cr13: มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับแม่พิมพ์แหวนคุณภาพสูง

X46Cr13 (DIN 1.4034, ชื่อเรียกในภาษาจีนคือ 4Cr13) เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดมาร์เทนซิติก และเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับแม่พิมพ์วงแหวนเกรดป้อนวัสดุระดับมืออาชีพ ความโดดเด่นของวัสดุนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่เกิดจากความสมดุลของคุณสมบัติที่เหมาะสม

ความแข็ง หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนในสุญญากาศ X46Cr13 จะมีค่าความแข็ง HRC 52 60 บนพื้นผิวการทำงาน ในขณะที่ยังคงรักษาความเหนียวของแกนกลางไว้ได้เพียงพอ ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดการผลิตของ Shanbao กำหนดเป้าหมายไว้ที่ HRC 52 55 ในขณะที่แม่พิมพ์ระดับพรีเมียมของ Hongyang มีค่าความแข็ง HRC 58 60 ผ่านการชุบแข็งด้วยสุญญากาศที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม [2], [3]

ความต้านทานการกัดกร่อน ปริมาณโครเมียม (ประมาณ 13%) ให้ความต้านทานต่อความชื้น ไอน้ำ และส่วนผสมของวัตถุดิบที่กัดกร่อนเล็กน้อยได้ดีกว่าเหล็กอัลลอยอย่างเห็นได้ชัด สำหรับสูตรวัตถุดิบทางน้ำที่มีปริมาณความชื้นสูง หรือสำหรับโรงงานที่ดำเนินการในสภาพอากาศชื้น ความต้านทานการกัดกร่อนนี้จะช่วยยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ได้โดยตรง [1]

ความต้านทานการสึกหรอ การผสมผสานระหว่างปริมาณคาร์บอนสูงและคาร์ไบด์โครเมียมที่เกิดขึ้นระหว่างการอบชุบความร้อนทำให้ได้พื้นผิวที่ทนต่อการสึกหรอซึ่งรักษารูปทรงของรูไว้ได้ตลอดการผลิตที่ยาวนาน ในการทดสอบเปรียบเทียบ แม่พิมพ์วงแหวน X46Cr13 มีประสิทธิภาพเหนือกว่าแม่พิมพ์เหล็กอัลลอยอย่างสม่ำเสมอในการใช้งานอาหารสัตว์ปีกและสัตว์น้ำที่มีการสึกหรอสูง [1]

กฎการเลือกใช้งานจริง สำหรับโรงงานผลิตอาหารสัตว์ที่โหมดความล้มเหลวหลักคือการสึกหรอของรู การเสื่อมสภาพของพื้นผิวด้านใน หรือการสูญเสียกำลังการผลิตมากกว่าการกัดกร่อนทางเคมี X46Cr13 ถือเป็นตัวเลือกวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดโดยรวม กรณีศึกษาของ Hongyang Kazakhstan ได้บันทึกอายุการใช้งานของแม่พิมพ์วงแหวนที่ 880 ชั่วโมง (เพิ่มขึ้นจาก 600 ชั่วโมงในเครื่องที่เปลี่ยนใหม่) ด้วยแม่พิมพ์ที่เทียบเท่ากับ X46Cr13 ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุง 46.7% [3]
เหล็กกล้าผสม 20CrMnTi: เหล็กกล้าอเนกประสงค์ราคาประหยัด

เหล็กกล้าอัลลอย 20CrMnTi เป็นเหล็กกล้าอัลลอยชนิดคาร์บูไรซิ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแม่พิมพ์วงแหวนในอุตสาหกรรมสัตว์ปีก ปศุสัตว์ และอุตสาหกรรมชีวมวลบางประเภท ที่มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนต่ำ และอัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญที่สุด

ความทนทาน 20CrMnTi มีความทนทานเป็นเลิศ ซึ่งมีค่าเมื่อเครื่องอัดเม็ดทำงานภายใต้ภาระที่แปรผัน เมื่อสูตรอาหารมีอนุภาคหยาบ หรือเมื่อการปรับลูกกลิ้งไม่สามารถรักษาความแม่นยำที่เหมาะสมได้เสมอไป [1]

ความแข็ง หลังจากผ่านกระบวนการคาร์บูไรซิ่งและการชุบแข็ง 20CrMnTi จะมีความแข็ง HRC 55 60 ที่พื้นผิวพร้อมแกนกลางที่เหนียวแน่น การผสมผสานนี้ต้านทานการสึกหรอของพื้นผิวในขณะที่ดูดซับแรงกระแทกที่อาจทำให้วัสดุที่เปราะบางกว่าแตกได้ [2]

ข้อมูลอายุการใช้งาน ในการใช้งานภาคสนาม แม่พิมพ์วงแหวน 20CrMnTi สามารถใช้งานได้ 2,000-3,000 ชั่วโมงสำหรับอาหารสัตว์ปีกมาตรฐานที่ทำจากธัญพืช และ 1,200-1,800 ชั่วโมงสำหรับการผลิตเม็ดไม้เนื้อแข็งที่มีการเสียดสีปานกลาง สำหรับวัสดุที่มีการเสียดสีสูง เช่น แกลบข้าว (ความแข็งโมห์ 7 เนื่องจากมีซิลิกา) อายุการใช้งานอาจลดลงเหลือ 800-1,500 ชั่วโมง [4]

ข้อจำกัด จุดอ่อนหลักคือความต้านทานการกัดกร่อน ในสูตรที่มีความชื้น เกลือ หรือส่วนประกอบที่เป็นกรดสูง 20CrMnTi มีแนวโน้มที่จะเกิดสนิมและการโจมตีทางเคมีที่ทำให้พื้นผิวรูแม่พิมพ์หยาบขึ้น เพิ่มแรงเสียดทาน ลดปริมาณงาน และทำให้อายุการใช้งานสั้นลงโดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพการสึกหรอเชิงกล [1]
วัสดุเหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับใช้กับแม่พิมพ์วงแหวนเกรดป้อนวัสดุระดับมืออาชีพ

สิ่งสำคัญคือต้องชี้แจงความเข้าใจผิดทั่วไป ในขณะที่คู่มือเครื่องอัดเม็ดทั่วไปบางฉบับอ้างอิงถึงเหล็กแบริ่ง (เช่น GCr15 / 52100) เป็นวัสดุสำหรับแม่พิมพ์วงแหวน แต่เหล็กเหล่านี้เหมาะสำหรับแม่พิมพ์แบนในการดำเนินงานชีวมวลขนาดเล็กเป็นหลัก GCr15 มีลักษณะการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน และขาดความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวในการรับแรงกระแทกที่จำเป็นสำหรับแม่พิมพ์วงแหวนเกรดอาหารสัตว์ระดับมืออาชีพที่ใช้งานภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง เครื่องอัดเม็ดอาหารสัตว์ระดับมืออาชีพควรใช้เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก X46Cr13/4Cr13 หรือเหล็กอัลลอย 20CrMnTi สำหรับแม่พิมพ์วงแหวน [1]
กระบวนการผลิต: ที่ซึ่งวัสดุผสานความแม่นยำ

การเลือกวัสดุเป็นสิ่งจำเป็นแต่ยังไม่เพียงพอ กระบวนการผลิตจะเป็นตัวกำหนดว่าคุณสมบัติทางทฤษฎีของวัสดุจะสามารถนำไปใช้ได้จริงหรือไม่

การตีขึ้นรูป การผลิตแม่พิมพ์วงแหวนคุณภาพสูงเริ่มต้นด้วยแผ่นโลหะดิบ ผู้ผลิตระดับพรีเมียมใช้แผ่นโลหะแบบกำหนดเองที่มีวัตถุดิบโครเมียมสูงและความแข็งของแผ่นโลหะที่ควบคุมได้ (HB 180 220) การตีขึ้นรูปที่เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงโครงสร้างของเกรน ขจัดช่องว่างภายใน และสามารถยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ได้ประมาณ 15% เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ไม่ผ่านการตีขึ้นรูป [5]

การเจาะรูด้วยปืน รูแม่พิมพ์ผลิตโดยใช้เครื่องเจาะรูด้วยปืน CNC อัตโนมัติที่ทำงานด้วยความเร็วสูงสุดถึง 15,000 รอบต่อนาที ความเรียบของรูเป็นพารามิเตอร์คุณภาพที่สำคัญ: รูที่หยาบกว่าจะเพิ่มแรงเสียดทาน ลดปริมาณงาน และเร่งการสึกหรอ ผู้ผลิตระดับพรีเมียมจะบรรลุความเรียบของพื้นผิวที่ Ra 0.4 0.8 µm บนผนังด้านในของรู ซึ่งใกล้เคียงกับคุณภาพการขัดเงาแบบกระจก [5]

การอบชุบด้วยความร้อนในสุญญากาศ การอบชุบด้วยความร้อนเป็นขั้นตอนการประมวลผลที่สำคัญที่สุดเพียงขั้นตอนเดียว การชุบแข็งด้วยสุญญากาศเมื่อเทียบกับวิธีการอบชุบด้วยความร้อนในบรรยากาศหรืออ่างเกลือจะทำให้ได้ความแข็งที่สม่ำเสมอโดยไม่มีการออกซิเดชันของพื้นผิวหรือการลดคาร์บอน กระบวนการนี้มุ่งเป้าไปที่ความแข็ง HRC 52 60 บนพื้นผิวการทำงานในขณะที่รักษาความเหนียวของแกนกลางเพื่อต้านทานการแตกหักภายใต้การรับแรงแบบวัฏจักรซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอัตราส่วนเส้นใยสูง [5], [3]

การตกแต่งด้วยเครื่อง CNC หลังจากอบชุบความร้อนแล้ว แม่พิมพ์จะผ่านกระบวนการกลึงตกแต่งด้วยเครื่อง CNC การเจาะรู และการเจียรภายใน การเจาะรูจะดำเนินการโดยเครื่องเจาะรูอัตโนมัติด้วยเครื่อง CNC เพื่อให้แน่ใจว่ารูปทรงทางเข้าของรูมีความสม่ำเสมอ ในขณะที่รูด้านในจะถูกเจียรให้มีความคลาดเคลื่อนของขนาดที่แม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าช่องว่างระหว่างลูกกลิ้งกับแม่พิมพ์มีความสม่ำเสมอทั่วทั้งเส้นรอบวง [5]

การตรวจสอบคุณภาพ ผู้ผลิตระดับพรีเมียมจะตรวจสอบความแข็ง ความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางรู (±0.15 มม. สำหรับแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำสูง) การตกแต่งพื้นผิว และอัตราส่วนการบีบอัดก่อนการจัดส่ง ผู้ผลิตบางรายใช้เลเซอร์สลักอัตราส่วนการบีบอัดและเกรดวัสดุลงบนตัวแม่พิมพ์โดยตรงเพื่อให้ผู้ปฏิบัติงานใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง [3]
การเลือกวัสดุที่เหมาะสม: กรอบการตัดสินใจ

กรอบการตัดสินใจในการเลือกวัสดุมีดังนี้ สำหรับอาหารสัตว์ปีกหรือปศุสัตว์ทั่วไปในสภาพแวดล้อมแห้ง แนะนำให้ใช้ 20CrMnTi เนื่องจากคุ้มค่ากว่า สำหรับอาหารสัตว์ปีกหรือปศุสัตว์ในสภาพชื้นหรือความชื้นผันแปร แนะนำให้ใช้ X46Cr13 หรือ 4Cr13 สำหรับอาหารสัตว์น้ำ (ปลา/กุ้ง) ที่มีความชื้นสูง แนะนำให้ใช้ X46Cr13 หรือ 4Cr13 สำหรับเม็ดไม้ที่มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนต่ำ แนะนำให้ใช้ 20CrMnTi สำหรับสูตรที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงที่มีแร่ธาตุหรือซิลิกา แนะนำให้ใช้ X46Cr13 หรือ 4Cr13 เพื่อให้ได้อายุการใช้งานสูงสุด แนะนำให้ใช้ X46Cr13 หรือ 4Cr13 ที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนในสุญญากาศจนได้ความแข็ง HRC 58-60 สำหรับการใช้งานในสูตรมาตรฐานที่มีงบประมาณจำกัด แนะนำให้ใช้ 20CrMnTi
บทสรุป

การเลือกวัสดุสำหรับแม่พิมพ์วงแหวนเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่มีผลกระทบโดยตรงต่อต้นทุน เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก X46Cr13 ที่มีความแข็ง ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อนที่สมดุล ถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับแม่พิมพ์วงแหวนเครื่องอัดเม็ดอาหารสัตว์คุณภาพสูง เหล็กกล้าอัลลอย 20CrMnTi เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับงานทั่วไปที่มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนต่ำ กระบวนการผลิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งการอบชุบด้วยความร้อนในสุญญากาศและความแม่นยำในการเจาะรูด้วยปืน มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแปลงคุณสมบัติของวัสดุไปสู่ประสิทธิภาพการทำงาน สำหรับโรงงานที่ต้องการลดต้นทุนต่อตันและยืดระยะเวลาการเปลี่ยนแม่พิมพ์ การลงทุนในคุณภาพของวัสดุและความแม่นยำในการผลิตมักให้ผลตอบแทนที่สูงกว่าต้นทุนการซื้อที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก