การแตกหักของใบมีดกลึง (Fracture of Cutting Blade)

ข้อมูลเบื้องต้น    

            ใบมีดกลึงคาร์ไบด์ (Carbide Blade) ซึ่งทำหน้าที่ตัดเฉือนวัสดุที่เป็นโลหะ ผ่านการขึ้นรูปจากโลหะผงของทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ได้แตกหักระหว่างขั้นตอนการกลึงผิวของใบมีดเพื่อให้เกิดคมเฉือน ส่วนของใบมีดดังกล่าวได้ถูกเชื่อมติดกับชุดเฟืองของใบตัดด้วยการบัดกรีแข็ง (Brazing) กับทองเหลือง การแตกหักเกิดขึ้นบริเวณส่วนปลายของใบมีด (รูปที่ 1) 

 รูปที่ 1 ชิ้นงานที่ใช้วิเคราะห์และทดสอบ

การตรวจสอบลักษณะทางกายภาพและผิวหน้าแตกหัก

            จากการตรวจสอบด้วยตาเปล่า พบว่า ใบมีดเกิดการแตกหักบริเวณส่วนปลายของใบมีด ซึ่งเป็นบริเวณที่เริ่มกลึงคมใบมีด ทำให้เกิดการกะเทาะออกของชิ้นส่วน เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหัก (รูปที่ 2) ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง พบว่า รอยแตกมีจุดเริ่มต้น (ลูกศรสีเหลือง) จากผิวหน้าของใบมีดที่เชื่อมติดกับทองเหลือง มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว (Fast Fracture) ซึ่งแสดงให้เห็นด้วย Radial Marks และจากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบว่าเกิดการแตกหักตามรอยต่อระหว่างอนุภาคของผงโลหะดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 ผิวหน้าแตกหักของใบมีดกลึง

รูปที่ 3 ชิ้นงานแตกหักที่แสดงผิวหน้าชิ้นงานเกิดความเสียหาย

การตรวจสอบภาคตัดขวาง

            จากการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบว่าใบมีดตัดที่แตกหักผ่านการขึ้นรูปด้วยโลหะผง (Powder Metallurgy) ที่มีขนาดอนุภาคและขนาดของช่องว่าง ใหญ่กว่าที่ปรากฏในใบมีดที่ไม่เสียหาย (รูปที่ 4-5)

รูปที่ 4 ภาคตัดขวางของชิ้นงานที่ไม่แตกหัก

รูปที่ 5 ภาคตัดขวางของชิ้นงานที่แตกหัก

การทดสอบความแข็ง

            นำชิ้นงานใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ไปทดสอบความแข็งตามมาตรฐาน ASTM E18 C2001 ด้วยน้ำหนักกดขนาด 60 กิโลกรัม ในหน่วยร็อคเวล สเกลเอ (HRA) ผลการทดสอบพบว่าชิ้นงานที่ไม่แตกหักมีความแข็งสูงกว่าชิ้นงานที่แตกหัก

การทดสอบการดัดโค้ง (Bending Test)

            นำชิ้นงานใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ไปทดสอบความต้านทานต่อการดัดโค้งแบบ 3 จุด (3 Points Bending Test) เพื่อศึกษาสมบัติต่างๆ ได้แก่ ค่าความเค้น ณ จุดแตกหัก (Stress at Rupture) และโมดูลัส (Modulus) ผลที่ได้จากการทดสอบแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าความเค้น ณ จุดแตกหักและโมดูลัสที่ได้จากการทดสอบการดัดโค้ง

ชิ้นงานทดสอบ	ความเค้น ณ จุดแตกหัก (MPa)	โมดูลัส
ใบมีดที่ไม่เสียหาย	1,958.5	477,095
ใบมีดที่เสียหาย	1,260.6	436,294

           

จากตารางจะเห็นได้ว่า ใบมีดที่เสียหายมีความแข็งแรงของพันธะที่เกิดจากการยึดติดกันของอนุภาคโลหะมากกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่า ใบมีดที่ผ่านการอัดขึ้นรูปด้วยอนุภาคของผงโลหะขนาดเล็ก ย่อมมีพื้นที่สัมผัสกันของแต่ละอนุภาคหลังการอัดขึ้นรูป และนำไปสู่การสร้างพันธะติดกันหลังการซินเทอริงได้ดีกว่าผงโลหะที่มีขนาดใหญ่

การทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ (Apparent density)

            เตรียมชิ้นงานโดยการตัดใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ให้มีมิติ (Dimension) เท่ากัน จากนั้นนำไปทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ โดยนำตัวอย่างไปชั่งน้ำหนักในบรรยากาศและชั่งน้ำหนักในน้ำที่อุณหภูมิ 24 องศาเซลเซียส ด้วยเครื่องชั่งที่มีความละเอียดที่ทศนิยม 3 ตำแหน่ง ค่าสัดส่วนระหว่างน้ำหนักที่ชั่งในอากาศและ น้ำคือค่าความแน่นที่ปรากฏของชิ้นงานแต่ละชิ้น ผลที่ได้จากการทดสอบแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ความหนาแน่นที่ปรากฏของชิ้นงานที่เสียหายและไม่เสียหาย

ตัวอย่าง	น้ำหนักในบรรยากาศ (g)	น้ำหนักในน้ำ (g)	ความหนาแน่น (g/cm3)
ใบมีดที่เสียหาย	5.893	0.414	14.27
ใบมีดที่ไม่เสียหาย	6.101	0.420	14.53

            จากตารางจะเห็นได้ว่าใบมีดที่เสียหายมีความหนาแน่นที่ปรากฏ (Apparent density) ต่ำกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย ผลดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า ใบมีดที่เสียหายมีช่องว่างหรือโพรงอากาศมากกว่า หรือมีเปอร์เซ็นต์การอัดแน่นต่ำกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย

วิจารณ์ผล

            จากผลการวิเคราะห์ใบมีดกลึงที่แตกหักด้วยตาเปล่าพบว่าชิ้นงานเกิดการแตกหักบริเวณจุดเริ่มต้นในการกลึงคมใบมีด และเมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหัก พบจุดเริ่มต้นรอยแตกบริเวณรอยเชื่อมต่อระหว่างใบมีดกลึงกับแผ่นทองเหลือง ซึ่งยึดติดกับชุดใบตัด (Cutting Body) มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว ซึ่งบ่งชี้ให้เห็นว่าชิ้นงานอาจเกิดการแตกหักจากแรงภายนอกที่มากระทำในปริมาณสูง หรือเกิดจากคุณภาพของชิ้นงานไม่ได้มาตรฐาน อย่างไรก็ตามจากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักที่กำลังขยายสูง แสดงให้เห็นว่าอนุภาคของผงโลหะมีการยึดติดกันเป็นพันธะที่ไม่สมบูรณ์ (Poor Bonding) โดยสังเกตได้จากรอยแตกที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคของผงโลหะ คือแตกระหว่างผิวหน้าสัมผัสของอนุภาคผงโลหะ  ซึ่งอาจจะเกิดจากขั้นตอนการอัดขึ้นรูป (Compaction) ที่ใช้แรงในการอัดไม่เพียงพอ ทำให้อนุภาคภาคของผงโลหะเกาะกันในลักษณะที่หลวม ไม่แน่น และขั้นตอนการเผาเพื่อให้เกิดการยึดติดกันของอนุภาคโลหะผงหรือซินเทอริง (Sintering) ไม่ได้คุณภาพ กล่าวคือ อุณหภูมิและเวลาอาจไม่เพียงพอ เป็นต้น

            ผลการตรวจสอบภาคตัดขวางของใบมีดที่เสียหายและไม่เสียหาย ชี้ให้เห็นว่า ชิ้นงานผ่านการอัดขึ้นรูปด้วยขนาดอนุภาค (Particle Size) ที่ต่างกัน คือใบมีดกลึงที่เสียหายมีขนาดอนุภาคและช่องว่างใหญ่กว่า ผลดังกล่าวมีความสอดคล้องกับผลการทดสอบความแข็ง คือใบมีดกลึงที่เสียหายมีความแข็งต่ำกว่าใบมีดกลึงที่ไม่เสียหาย ส่วนการทดสอบการดัดโค้ง ชี้ให้เห็นว่า ชิ้นงานที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยขนาดอนุภาคของโลหะผงที่มีขนาดเล็กกว่า มีพื้นที่ในการสร้างพันธะและความแข็งแรงของพันธะ (Bonding Strength) ที่เกิดขึ้นโดยรวมมากกว่า จึงมีความต้านทานต่อการแตกหักและโมดูลัสมากกว่าชิ้นงานที่ขึ้นรูปจากโลหะผงที่มีขนาดของอนุภาคใหญ่กว่า นอกจากนั้นผลการทดสอบต่างๆ ที่กล่าวมายังสอดคล้องกับผลการทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ

            ดังนั้นการแตกหักของใบมีดกลึงดังกล่าวน่าจะเกิดจากปัจจัยทางด้านคุณภาพของวัสดุมากกว่าปัจจัยด้านแรงที่มากระทำ เพราะเงื่อนไข (condition) และวิธีการในการกลึงคมใบมีดมีลักษณะเหมือนเดิม

สรุปผล

            จากการตรวจสอบและวิเคราะห์ผลด้วยวิธีต่างๆ ได้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นจึงสามารถสรุปความน่าจะเป็นของการแตกหักของใบมีดกลึงได้ว่า น่าจะเกิดจากคุณภาพในการขึ้นรูปใบมีดกลึงจากโลหะผงไม่ได้คุณภาพ (ทั้งกระบวนการ compacting และ sintering) ทำให้มีความสามารถต่อการรับแรงได้ต่ำ