การทำงานที่เกี่ยวข้องกับเฟืองจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจและเรียนรู้ที่มาที่ไปของคำและคำศัพท์ต่าง ๆ ที่ใช้กับเฟืองและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง
เฟืองกับรายละเอียดที่น่ารู้ (Gearing)
ตอนที่ 1 รายละเอียดของเฟืองและวัสดุเฟือง (จบ)
อาจหาญ ณ นรงค์
ผู้ช่วยผู้จัดการแผนกซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด
2. ความหมายต่าง ๆ ที่ควรรู้ของเฟือง (Gear Terminology)
การทำงานที่เกี่ยวข้องกับเฟืองจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจและเรียนรู้ที่มาที่ไปของคำและคำศัพท์ต่าง ๆ ที่ใช้กับเฟืองและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง เช่น ความสูงด้านครึ่งบน (Addendum) ของฟัน ความสูงด้านครึ่งล่าง (Dedendum) ของเฟือง ความหนาของเฟือง (Depth) ระยะเผื่อ (Clearance) มุมกด (Pressure Angle) และอื่น ๆ ซึ่งจะกล่าวในรายละเอียดตามลำดับต่อไป เพื่อความเข้าใจที่ดีและสามารถสื่อสารถึงรายละเอียดต่าง ๆ เกี่ยวกับเฟืองได้ดียิ่ง (ให้ดูรูปที่ 17 รายละเอียดต่าง ๆ ของเฟืองประกอบ) ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้คือ
รูปที่ 17 รายละเอียดของต่าง ๆ เฟือง
รูปที่ 18 Circular Pitch
2.1 รายละเอียดของฟัน (Tooth Proportions)
ขนาดของฟันนี้มีการวัดเป็น 2 ระบบ คือ ระบบเมตริก (Metric) และ ระบบอังกฤษ ในระบบเมตริกนั้นจะวัดขนาดเป็นมิลลิเมตร เราเรียกเฟืองระบบนี้ว่า เฟืองโมดูล (Module) ขนาดของโมดูลเฟือง จะมีค่าซึ่งกำหนดไว้เป็นมาตรฐาน
ส่วนระบบอังกฤษจะวัดขนาดเป็นนิ้ว เรียกเฟืองระบบนี้ว่า เฟืองดีพี (DP=Diameter Pitch) ฉะนั้นการซื้อหาและใช้งานเฟือง หรือผลิตเฟืองนั้นต้องทราบลักษณะรูปร่างของเฟืองและระบบของเฟืองเสียก่อนว่าใช้ชนิดไหน และรูปร่างเป็นอย่างไร
* ระบบเมตริกหรือเฟืองโมดูล (Module, M)
เฟืองระบบเมตริกหรือเฟืองเมตริกเป็นเฟืองที่ใช้หน่วยวัดเป็นมิลลิเมตร โดยเรียกขนาดความโตของเฟืองว่าโมดูล (Module, m) ดังสมการ
โมดูล,
Circular Pitch, Cp = m ….….. (3)
เมื่อ
CP คือ Circular Pitch หรือระยะห่างจากฟันถึงฟันของเฟือง, mm
คือ ค่าคงที่ 3.14
รูปที่ 19 เปรียบเทียบฟันเฟืองขนาดโมดูลต่าง ๆ
* ระบบอังกฤษหรือเฟือง DP (Diametral Pitch, DP)
เป็นเฟืองที่มีหน่วยวัดเป็นหน่วยอังกฤษหรือเฟืองดีพี (DP Gear) คือหน่วยวัดที่เป็นนิ้วโดยที่ Diametral Pitch หมายถึงจำนวนฟันของเฟืองที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1 นิ้ว เป็นที่นิยมใช้ในอเมริกาและประเทศอังกฤษ
โดยเป็นไปดังสมการ
เมื่อ DP คือ ขนาดของเฟือง, ฟัน/เส้นผ่าศูนย์กลาง, นิ้ว
N คือ จำนวนฟันที่อยู่บนเฟือง
PD คือ เส้นผ่าศูนย์กลางของเฟือง, นิ้ว
รูปที่ 20 จำนวนฟันเทียบกับเส้นผ่าศูนย์กลางในเฟืองดีพี
เช่น เฟืองตัวหนึ่งมี DP = 48 หมายความว่าเฟืองตัวนั้นมีฟันเฟือง 48 ฟันที่เส้นผ่าศูนย์กลางของเฟืองขนาด 1 นิ้ว
ตัวอย่าง เพื่อความเข้าใจเฟืองดีพี สมมติว่าเฟืองอันหนึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 นิ้ว มีฟัน 48 ฟัน ขนาดเฟืองดีพีตัวนี้คือ 48/2 = 24ฟัน/นิ้ว หรือถ้าเฟืองตัวดังกล่าวมี 24 ฟัน ที่เส้นผ่าศูนย์กลาง 2 นิ้วขนาดเฟืองดีพีดังกล่าวจะเท่ากับ 24/2 = 12ฟัน/นิ้ว
* ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของเฟืองเมตริก (Module, m) กับเฟืองดีพี (เฟืองอังกฤษ)
ดังที่กล่าวมาแล้วว่าเฟืองดีพีเป็นที่นิยมใช้ในอเมริกาและอังกฤษดังนั้นเครื่องจักรที่มาจากแถบประเทศดังกล่าวส่วนมากขนาดของฟันจึงเป็นแบบเฟืองดีพี ส่วนแบบเมตริกก็จะนิยมในที่อื่น ๆ เช่น ญี่ปุ่น ดังนั้นเมื่อเราวัดขนาดและคำนวณเราจะรู้ว่าเฟืองนั้นเป็นเฟืองแบบไหน หลักการคือเมื่อคำนวณแล้วตัวเลขจะต้องลงตัวหรือทศนิยมไม่เกินหนึ่งตำแหน่ง
การเปลี่ยนขนาดจากเฟืองดีพีเป็นโมดูลของเฟืองเมตริกจากสมการ
โดยที่ CP คือ Circular Diameter Pitch, mm
เมื่อ CP = m ….…….. (6)
จากตารางที่ 2 เช่นเฟืองดีพีขนาด 64 ฟัน/นิ้ว
จะมี CP = [25.4 (1นิ้ว)]/64 = 1.24682 mm
ดังนั้นเฟืองดังกล่าวจะมีโมดูล (m) เท่ากับ 2.54/1.24682 = 3.9688 mm ดังค่าบรรทัดแรกในตาราง
ตารางที่ 2 เปรียบเทียบขนาดเฟืองเมตริกกับเฟืองดีพี
2.2 คำจำกัดความต่าง ๆ ของเฟือง
ก่อนที่เราจะกล่าวถึงเรื่องที่ละเอียดกว่านี้ของเฟือง ก่อนอื่นเราต้องมาทำความรู้จักคำจำกัดความหรือคำนิยามต่าง ๆ ของเฟืองเสียก่อน เพื่อที่ผู้อ่านจะได้มองภาพออกถึงสิ่งที่ผู้เขียนจะนำเสนอต่อไป โดยที่คำนิยามสองคำที่ผู้เขียนได้นำเสนอไปแล้วคือ คำว่า โมดูล (Module, M) และคำว่า Diametral Pitch, DP
* Circular Pitch, p คือความยาวเชิงเส้นที่วัดระยะห่างระหว่างเฟืองแต่ละตัว (ดูรูปที่ 15 ประกอบ) โดยอ้างอิงระดับของเส้นวงกลมพิต (Pitch Circle) โดยวัดจากฟันหนึ่งถึงอีกฟันหนึ่งของเฟือง
โดยที่
p คือ ระยะพิต, mm
m คือโมดูลของเฟือง
z คือจำนวนฟันของเฟือง
* โมดูลจะบอกขนาดของฟันเฟือง
* Base Diameter คือเส้นผ่าศูนย์กลางที่วัดจากฐานของเฟือง
* Backlash คือระยะห่างระหว่างฟันของเฟืองขับและเฟืองตาม ซึ่งมีผลต่อการทำงานของเฟือง เช่นหากระยะห่างของเฟืองมากเกินไปก็อาจทำให้เกิดการกระแทกที่รุนแรง หรือหากชิดเกินไปก็จะทำให้เฟืองเกิดความร้อนและอาจไหม้ได้
* ระยะห่างระหว่างเฟือง (Center Distance) คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของเฟืองสองตัวที่ขบกัน
* ความหนาของฟันเฟือง (Circular Thickness) คือความหนาของฟันเฟืองตรงเส้นวงกลมพิต
* เส้นผ่าศูนย์กลางนอก (Outside Diameter) คือเส้นผ่าศูนย์กลางของเฟืองที่วัดจากปลายฟันของเฟือง
* มุมอัดหรือมุมกด (Pressure Angle) คือมุมที่ฟันของเฟืองขบกัน โดยมุมดังกล่าวเป็นมุมแทนเจน (Tangent) ที่วัดจากเส้นขนานระหว่างเฟืองสองตัวกับมุมที่ฟันเฟืองขบกัน ดังรูปด้านล่างของรูปที่ 21 ซึ่งโดยปกติแล้วรูปทรงของฟันเฟืองจะมีลักษณะที่ปลายเฟืองจะแหลมอยู่ระหว่างร่องเฟือง และเมื่อเฟืองทำงานจะเกิดการอัดกันระหว่างฟันเฟืองตามทิศทางเพื่อกดให้เฟืองอีกตัวหนึ่งหมุนตาม ตามทิศทางการหมุนของเฟืองตรง (Spur Gear)
ในรูปที่ 21 คือตัวอย่างของเฟืองที่อธิบายเรื่อง Pressure Angle ให้เข้าใจง่ายที่สุด โดยเมื่อเรามองฟันเฟืองทรงแหลมสองตัวที่ขบกัน เฟืองทั้งสองตัวจะมีมุม Tangent ร่วมกันที่เส้นวงกลมพิตและปลายของฟันเฟืองอีกตัวหนึ่ง เรียกมุม Tangent ดังกล่าวว่ามุมกด (Pressure Angle) คือมุมที่ฟันเฟืองทั้งสองตัวสัมผัสกันในระหว่างการหมุน
โดยทั่วไปมุมกด (Pressure Angle) จะมีขนาดตั้งแต่ 14.5๐, 20๐ และ 25๐ ตามมาตรฐานของ ANSI หรือมาตรฐานเฟืองอื่น ๆ แต่เฟืองส่วนมากจะมีมุมกดอยู่ที่ 20๐ แต่สำหรับเฟืองที่ใช้งานกับภาระ (Load) ที่สูง และต้องการความแข็งแรงเป็นพิเศษจะมีมุมกด (Pressure Angle) อยู่ที่ 25๐ นอกจากนั้นสำหรับเฟืองที่รับภาระไม่มากและต้องการการหมุนที่นุ่มนวลจะมีมุมกด (Pressure Angle) อยู่ที่ 14.5๐
รูปที่ 21 ลักษณะของเฟืองที่เป็นคำจำกัดความ
โดยสรุปก็คือเฟืองที่มีมุมกด (Pressure Angle) มากจะเป็นเฟืองที่ฟันมีขนาดใหญ่และมีความแข็งแรงทนทาน ส่วนเฟืองที่มีมุมกดน้อยจะเป็นเฟืองที่ฟันมีขนาดเล็กรับภาระน้อยและต้องการความนุ่มนวลในการหมุน
รูปที่ 22 Single Stage Gear Train
* อัตราทดของเฟือง (Gear Ratio, Mesh Ratio, mG)
อัตราทดของชุดเฟืองเดี่ยว (Single Stage Gear Train) คืออัตราส่วนระหว่างจำนวนของฟันที่อยู่บนเฟืองคู่นั้น ๆ ที่ขบกัน (Mashing) อยู่โดยอัตราทดของเฟืองคือ
เมื่อ mG คือ อัตราทดของเฟืองที่ขบกัน (Mesh Ratio)
NG, z2 คือ จำนวนฟันบนเฟืองตัวตาม (Teeth on Gear or Following), ฟัน
NP, z1 คือ จำนวนฟันบนเฟืองตัวขับ (Teeth on Pinion or Driving), ฟัน
n1 คือ ความเร็วรอบในการหมุนของเฟืองตาม, rpm
n2 คือ ความเร็วรอบในการหมุนของเฟืองขับ, rpm
สำหรับอัตราทดของเฟืองระดับเดียวที่มีเฟืองสะพาน (Idle Gear) คั่นกลางเหมือนรูปที่ 23 อัตราทดก็จะเป็นดังสมการ
จะเห็นว่าในกรณีที่เป็นการทดรอบของเฟืองระดับเดียวที่มีเฟืองสะพานคั่นกลางอัตราทดของเฟืองจะไม่ขึ้นอยู่กับเฟืองสะพาน แต่อัตราทดจะขึ้นอยู่กับเฟืองขับและเฟืองตามตัวสุดท้ายเท่านั้น เพราะเฟืองสะพานทำหน้าที่แค่ส่งถ่ายกำลังและเปลี่ยนทิศทางการหมุนเท่านั้นเอง ดังนั้นอัตราทดจึงคิดเหมือนสมการที่ 10 ได้โดยตัดเฟืองสะพานออก
รูปที่ 23 Single Stage with Idle Gear Train
รูปที่ 24 ชุดเฟืองชั้นเดียว (Single Stage Gear Pair) ของเฟืองแบบต่าง ๆ
อัตราทดของชุดเฟืองคู่ (Two Stage Gear Train) คือความอัตราส่วนระหว่างจำนวนของฟันเฟืองที่มีเฟืองสองชุดดังรูปที่ 25 หรือเฟืองสี่ตัวบนเพลาสี่เพลาอัตราทดของเฟืองคู่คือ
จากรูปที่ 25 เราจะเห็นว่าชุดเฟืองคู่ต่างจากชุดเฟืองเดี่ยวตรงที่ ชุดเฟืองคู่นั้นตรงเพลาตัวกลางจะมี 2 เฟืองอยู่บนเพลาเดียวกันซึ่งตรงนี้เองที่จะทำให้อัตราทดของชุดเฟืองเปลี่ยนไปมากหรือน้อยตามจำนวนฟันที่แตกต่างระหว่างเฟืองตัวที่ 2 และเฟืองตัวที่ 3 สำหรับชุดเฟืองที่มีชุดเฟืองมากกว่าสองชุดก็ใช้สมการการคำนวณคล้ายกับสมการที่ 11
รูปที่ 25 Single Stage with Idle Gear Train
ตัวอย่างการคำนวณอัตราทดของชุดเฟืองคู่
จากตัวอย่างในรูปที่ 25 เฟืองตัวที่ 1 มี 10 ฟัน (z1 = 10)
เฟืองตัวที่ 2 มี 24 ฟัน (z2 = 24) เฟืองตัวที่ 3 มี 12 ฟัน (z3 = 12) ซึ่งเพลาตัวที่3อยู่บนเพลาเดียวกับเฟืองตัวที่ 2 และหมุนด้วยความเร็วรอบที่เท่ากัน เฟืองตัวที่ 4 ซึ่งเป็นเฟืองตัวสุดท้ายมี 30 ฟัน (z4 = 30)
ในการคำนวณเราจะเห็นว่าอัตราทดของเฟืองชุดนี้จะมี 2 ชุดคือ ชุดแรกระหว่างเฟืองตัวที่ 1และเฟืองตัวที่ 2 ส่วนชุดที่ 2 ระหว่างเฟืองตัวที่ 3 และเฟืองตัวที่ 4
ตารางที่ 3 ตัวอย่างการคำนวณอัตราทดของเฟืองคู่ในรูปที่ 25
3. วัสดุที่ใช้ทำเฟือง (Gears Material)
ในยุคปัจจุบันวัสดุที่นำมาผลิตเฟืองมีมากมายหลากหลายรูปแบบ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบซึ่งอยู่บนพื้นฐานของการนำไปใช้งาน วิศวกรผู้ออกแบบเฟืองสามารถเลือกใช้ได้ตั้งแต่ไม้ พลาสติก อะลูมิเนียม แมกนีเซียม ไททาเนียม ทองเหลือง ทองแดง เหล็กเหนียว เหล็กหล่อตลอดถึงวัสดุผสมอย่างอื่น
โดยในการพิจารณาเลือกวัสดุนั้นมีองค์ประกอบหลัก ๆ ในการพิจารณาที่สำคัญคือ ความสามารถในการโก่งงอ (Bending Allowable) ความทนต่อความถี่ของความเค้น (Hertz Stress, Hertz (Contact) Stress?) ความต้านทานต่อการสึกหรอ (Wear Resistance) ความต้านทานต่อแรงกระแทก (Impact Strength) ความต้านทานต่อการกัดกร่อน (Corrosion Resistance) น้ำหนัก ค่าใช้จ่ายในการผลิต (Manufacturing Cost)
ตัวอย่างเช่น เฟืองที่ใช้กับอากาศยาน เช่น เฮลิคอปเตอร์จะต้องเน้นความคงทนในการใช้งานหนักและน้ำหนักเบาเป็นสำคัญ ส่วนราคาและค่าใช้จ่ายนั้นเป็นเรื่องรอง หรือเฟืองที่ใช้ยานพาหนะบางประเภท เช่น รถถัง รถ Off Road จะเน้นความทนทานต่อการใช้งานหนักเป็นส่วนสำคัญ ส่วนในเรื่องของน้ำหนักเป็นเรื่องที่นำมาพิจารณาทีหลัง
สำหรับลำดับต่อไปผู้เขียนจะได้นำเสนอในรายละเอียดอย่างคร่าว ๆ ของวัสดุต่าง ๆ ที่นิยมนำมาทำเฟืองดังนี้คือ
3.1 พลาสติก (Plastic) พลาสติกเป็นวัสดุสังเคราะห์ชนิดที่มีความนิยมชนิดหนึ่ง เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ราคาถูก ง่ายต่อการผลิตและขึ้นรูป เหมาะกับงานที่รับภาระ (Load) น้อย ๆ ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาวัสดุพลาสติกใหม่ ๆ ที่เป็นวัสดุโพลิเมอร์ (Polymer) ที่มีความแข็งแรง และทนต่อสภาวะต่าง ๆ ได้ดี เช่น วัสดุพวก ไนล่อน (Nylon) ประเภทต่าง ๆ ตลอดไปจนถึงวัสดุประเภทโพลีไยไมด์ (Polyimide) นิยมเรียก โพลียาไมด์ แต่โดยทั่วไปแล้ววัสดุไนล่อนเป็นที่นิยมนำมาทำเฟืองมากที่สุดเนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการใช้งานที่ภาระ (Load) ปานกลางและราคาไม่สูงจนเกินไปที่รู้จักกันดีก็คือ เอ็ม ซี ไนล่อน (MC Nylon) ดังตารางที่ 4 เป็นการเปรียบเทียบคุณสมบัติของไนล่อนกับวัสดุพลาสติกอย่างอื่น
ตารางที่ 4 คุณสมบัติของวัสดุพลาสติกชนิดต่าง ๆ ที่ใช้ทำเฟือง
จากตารางที่ 4 เราจะเห็นว่าวัสดุไนล่อนมีความเหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิห้องมากที่สุด คือสามารถทนอุณหภูมิสูงสุดได้ที่ 121 Co ค่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Strength) ที่ 81 MPa ซึ่งเพียงพอกับการใช้งานที่สภาวะปกติ
ดังที่กล่าวมาตั้งแต่ตอนต้นแล้วว่าการใช้งานเฟืองไนล่อนนั้นเหมาสมกับสภาวะอุณหภูมิปกติ ไม่แนะนำให้ใช้ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูง เนื่องจากที่สภาวะดังกล่าวคุณสมบัติเชิงกลของไนล่อนจะลดลงและทำให้อายุการใช้งานของเฟืองสั้นลงเนื่องจากความแข็งแรงของไนล่อนจะลดลง ดังแสดงในกราฟรูปที่ 26 และรูปที่ 27
รูปที่ 26 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Stress–Strain ของวัสดุพลาสติก โดยทั่วไป
รูปที่ 27 กราฟแสดงผลกระทบจากอุณหภูมิต่อคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุไนล่อน
รูปที่ 28 กราฟแสดงผลกระทบจากอุณหภูมิและความชื้นต่อคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุไนล่อน
นอกจากอุณหภูมิแล้วความชื้นในสภาวะที่ใช้งานก็มีผลกับพลาสติก เนื่องจากคุณสมบัติข้อหนึ่งพองวัสดุพลาสติกประเภทในล่อนก็คือการอุ้มน้ำ (Water Absorbsion) ดังรายละเอียดในตารางที่ 4 เราจะเห็นว่าไนล่อนมีความสามารถในการอุ้มน้ำไว้ได้ประมาณ 1.5%
และเมื่อมีน้ำเข้าไปแทรกตัวอยู่ในชั้นของไนล่อนก็จะทำให้ความแข็งแรงของในล่อนลดลงเช่นกัน ดังกราฟที่แสดงในรูปที่ 28 เป็นการเปรียบเทียบความแข็งแรงของในล่อนที่ความชื้นสัมพัทธ์ 100%, 50% และสภาวะที่แห้งจะเห็นว่าความแข็งแรงของในล่อนจะลดลงตามปริมาณความชื้นและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
3.2 โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (Nonferrous Metal)
อะลูมิเนียม (Aluminum) เป็นโลหะชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาทำเฟืองเนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษที่มีน้ำหนักเบาและต้านทานต่อการกัดกร่อน และง่ายต่อการขึ้นรูปด้วยวิธีการต่าง ๆ แต่เนื่องจากอะลูมิเนียมมีข้อด้อยในเรื่องของการหล่อลื่นดังนั้นหลังจากที่ขึ้นรูปแล้วต้องนำไปผ่านขั้นตอนการปรับสภาพผิวหน้าของเฟืองให้มีความลื่นง่ายต่อการลื่นไถล (Sliding) เวลาเฟืองสัมผัสกัน วิธีการที่นิยมกันก็คือ การชุบอะโนไดซ์เพื่อทำให้ผิวหน้ามีความแข็ง
นอกจากนี้การชุบอะโนไดซ์ยังทำให้มีความต้านทานต่อการเกิดสนิมเมื่อนำไปใช้งานในสภาวะที่ความชื้นสูงหรือใช้งานกับสภาวะที่มีความเป็นกรดเป็นด่างสูง แต่ข้อเสียของการชุบอะโนไดซ์สำหรับเฟืองอะลูมิเนียมก็คือจะทำให้มีความเปราะและง่ายต่อการแตกหัก
ไททาเนียม (Titanium) เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบากว่าเกือบครึ่งเมื่อเทียบกับเหล็ก แต่มีข้อด้อยในเรื่องการลื่นไถล (Slide) ต้องนำไปปรับสภาพผิวหน้าของฟันหากนำมาทำเป็นเฟืองแล้ว แต่โดยทั่วไปไม่นิยมใช้ทำเป็นเฟืองนอกจากเฟืองที่ใช้งานเฉพาะอย่าง
เฟืองที่ทำจากวัสดุที่ไม่ใช่เหล็กส่วนใหญ่รวมไปถึงทองเหลืองและบรอนซ์ จะใช้วิธีการขึ้นรูปแบบหล่อเนื่องจากมีต้นทุนที่ถูกกว่าในกรณีที่ผลิตเป็นจำนวนมาก
นอกจากนั้นข้อดีคือความแข็งแรงสูงในระดับปานกลางและไม่มีผลกับสภาพการทำงานที่มีน้ำมาเกี่ยวข้อง นอกจากนี้ยังมีความต้านทานต่อการกัดกร่อน และสามารถทำงานในสภาวะแวดล้อมที่สูงกว่าวัสดุจำพวกพลาสติก เช่น ไนล่อน สำหรับการผลิตจำนวนมาก ๆ มีค่าใช้จ่ายที่ถูกกว่าวัสดุจำพวกเหล็ก
3.3 โลหะจำพวกผสมทองแดง (Copper Alloy) ส่วนมากที่ใช้ทำเฟืองจะเป็นโลหะผสมจากทองเหลืองและดีบุก (Bronze) นอกจากนั้นยังมีโลหะผสมอื่น ๆ เช่น ตะกั่ว สังกะสี แมงกานีส อะลูมิเนียม ฟอสฟอรัส ตะกั่ว นิกเกิลและเหล็ก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกลของวัสดุผสมนั้น ๆ ที่ผู้ผลิตต้องการส่วนประกอบของอะลูมิเนียม แมงกานีสและเหล็กอีกเล็กน้อย เฟืองทองเหลืองมีความเด่นในด้านการต่อต้านการสึกหรอและมีคุณสมบัติในการลื่นไถลได้ดี จึงมันจะใช้เป็นเฟืองร่วมกับสกรูเหล็กในเฟืองตัวหนอน (Worm Gear)
นอกจากนี้เฟืองทองเหลืองยังมีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนจึงเหมาะกับการใช้งานในสภาวะที่มีการกัดกร่อนสูง โดยทั่วไปแล้วเฟืองทองเหลืองจะมีความแข็งแรงที่จุดคราก (Yield Strength) ประมาณ 138–414 MPa และเป็นวัสดุที่มีความง่ายต่อการขึ้นรูปแบบต่าง ๆ สำหรับรายละเอียดทางกล แสดงในตารางที่ 5
ตารางที่ 5 คุณสมบัติทางกลของวัสดุทองเหลืองที่ใช้ทำเฟือง
3.4 เหล็กหล่อ (Cast Iron) เหล็กหล่อเป็นวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่ใช้ทำเฟือง มีข้อได้เปรียบวัสดุอื่น ๆ ตรงที่มีราคาไม่สูงจนเกินไปสามารถขึ้นรูปง่าย และคุณสมบัติเชิงกลที่ยอมรับได้สำหรับงานบางรูปแบบ ดังนั้นสำหรับงานหลายรูปแบบสามารถใช้เฟืองที่ทำจากเหล็กหล่อได้ และคุณสมบัติที่ดีอย่างหนึ่งของเหล็กหล่อก็คือ มีการลื่นไถล (Sliding) และความต้านทานการสึกหรอที่ดีสำหรับงานที่หล่ออกมาดีไม่มีกราไฟต์และปราศจากรูกลวงหรือรูอากาศด้านใน
จุดอ่อนอย่างหนึ่งของเหล็กหล่อสีเทาก็คือมีความต้านทานต่อภาระกระแทก (Impact Load or Shock Load) น้อยซึ่งต่างกับเหล็กหล่อเหนียว (Malleable Iron) และเหล็กเหนียว (Ductile Iron) แต่สามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กหล่อได้โดยการทำ Heat Treatments โดยสามารถทำให้คุณสมบัติเชิงกลต่าง ๆ ของเหล็กหล่อดีขึ้น เช่น สามารถเพิ่มความต้านทานต่อการดัด (Bending Strength) จาก 34 เป็น 172 MPa และความแข็งแรงของผิวเพิ่มจาก 345 เป็น739 MPa
จากคุณสมบัติที่กล่าวมาแล้วของเฟืองเหล็กหล่อทำให้เราสามารถพิจารณาเปลี่ยนเฟืองเหล็กหล่อแทนเฟืองที่ทำจากวัสดุอื่น ๆ ได้เช่น สามารถเปลี่ยนเฟืองเหล็กหล่อแทนเฟืองทองเหลืองในชุดเฟืองตัวหนอนได้ เนื่องจากเหล็กหล่อก็มีคุณสมบัติที่ดีในการลื่นไถล (Sliding) เช่นกัน
3.5 โลหะผงอัดขึ้นรูป (Sintered Powder Metals) ในปัจจุบันวัสดุที่ผลิตมาจากโลหะผงอัดขึ้นรูปถูกนำมาใช้ในงานต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก กรรมวิธีในการอัดขึ้นรูปโลหะผงเริ่มจากการนำส่วนผสมของผง (Powder) แร่ธาตุต่าง ๆ มาผสมรวมกันในอัตราส่วนที่แน่นอน จากนั้นนำมาอัดเป็นแท่งและให้ความร้อนเพื่อให้โลหะต่าง ๆ รวมตัวกัน ข้อดีของวิธีการนี้คือทำให้ได้ส่วนผสมทางเคมีของวัสดุที่แน่นอนและมีความแข็งแรงสูง เฟืองที่ทำมาจากวัสดุขึ้นรูปที่เห็นบ่อย ๆ คือเฟืองต่าง ๆ ที่อยู่ในรถยนต์ที่ใช้รับแรงและมีความแม่นยำ (Accuracy) ไม่มาก
3.6 เหล็ก (Hardness Steel) ใช้ทำเฟืองที่ต้องทำงานในสภาวะที่ต้องรับภาระ (Load) มากทำงานหนัก ต้องการความแม่นยำสูง (High Accuracy) เฟืองที่จะต้องใช้ส่วนมากก็คือเฟืองเหล็ก ซึ่งโดยปกติผู้ออกแบบเฟืองจะมีเหล็กเป็นตัวเลือกหลายชนิดขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงานที่ต้องการของเฟืองตัวนั้น ๆ สภาวะที่ว่าก็คือ ภาระ (Load)
รูปที่ 29 กระบวนการของโลหะผงอัดขึ้นรูป
ความเร็วในการหมุน (Speed) การหล่อลื่น (Lubrication) อุณหภูมิการทำงานซึ่งเป็นสิ่งที่จะเพิ่มราคาของวัสดุและกระบวนการที่ใช้ในการผลิตเฟือง เนื่องจากการทำงานที่อุณหภูมิสูง ๆ จะเป็นสิ่งที่บอกว่าวัสดุจะต้องมีความทนทานกว่าเฟืองที่ทำงานในอุณหภูมิปกติ เช่น ต้องมีการปรับสภาพของผิวเฟืองให้มีความทนทานมากกว่าเดิมอย่างมาก
ในเรื่องคุณสมบัติทางกลของเหล็กโดยปกติเฟืองเหล็กเหนียวที่ยังไม่ผ่านกระบวนการ Heat Treatment หรือผิวเหล็กดิบจะมีความต้านทานแรงดัด (Bending Stress) อยู่ที่ประมาณ 138 MPa ความทนต่อความถี่ของความเค้น (Hertz Stress, Hertz (Contact) Stress) โดยประมาณ 586 MPa แต่สำหรับเฟืองที่ใช้รับภาระ (Load) ที่มากกว่านี้ปกติจะมีการชุบเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้าของฟัน (Surface Heat Treatment) ด้วยวิธีการคาร์บูไรซิ่ง (Carburizing)
หรือการอบเพื่อเพิ่มคาร์บอนบริเวณผิวหน้าของวัสดุ หรือวิธีการไนไตรดิง (Nitriding) โดยการเพิ่มไนโตรเจนที่ผิวของชิ้นงานเพื่อเพิ่มความแข็งที่ผิว ซึ่งวิธีการดังกล่าวจะทำให้เหล็กเหนียวคาร์บอนปานกลาง (Medium Carbon) สามารถรับความต้านทานแรงดัด (Bending Stress) เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 345–414Mpa และความทนต่อความถี่ของความเค้น (Hertz Stress, Hertz (Contact) Stress) เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 1,140 MPa
กระบวนการเพิ่มความแข็งที่ผิวฟันเฟืองที่กล่าวมาแล้วนั้นเป็นการเพิ่มคุณสมบัติทางกลให้กับเฟือง สามารถรับภาระเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากความแข็งแรงของเหล็กที่เพิ่มขึ้น สามารถต้านทานการสึกหรอได้ดี มีการลื่นไถล (Sliding) ได้ดีกว่าเดิม มีการหล่อลื่นและสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงมากกว่าเดิม
ตารางที่ 6 คุณสมบัติทางกลของเหล็กที่ใช้ทำเฟือง
สรุป
จากรายละเอียดของเฟืองที่กล่าวมาตั้งแต่ต้นทั้งในเรื่อง ชนิดและรูปแบบของเฟืองที่มีหลากหลายรูปแบบตามรายละเอียดเฉพาะ รูปร่างและรายละเอียดของการใช้งาน ตลอดจนในเรื่องของชนิดของวัสดุที่ใช้ทำเฟือง ข้อดีข้อด้อยและรายละเอียดต่าง ๆ ของวัสดุเฟืองชนิดต่าง ๆ ผู้เขียนหวังว่าจะสามารถสร้างความเข้าใจให้ผู้อ่านตลอดจนการนำไปประยุกต์ใช้งานได้ ไม่มากก็น้อย สำหรับในตอนหน้าจะนำเสนอเรื่องการหล่อลื่นของเฟืองซึ่งเป็นความรู้ที่มีความสำคัญมากในการใช้งานเครื่องจักรที่มีเฟืองเป็นส่วนประกอบ
เอกสารอ้างอิง
[1] “Introduction to Gears: First Edition” KOHARA GEAR INDUSTRY, Kawaguchi-shi, Japan, November.1, 2006
[2] John J. Coy “Gearing”, National Aeronautics and Space Administration (NASA), NASA Lewis Research
Center, Ohio, 1985
[3] “MARKS’ Standard Handbook for Mechanical Engineer”, 11th Edition, Mc GrawHill, New York, 2007
[4] “Gear technical reference” KOHARA GEAR INDUSTRY, Kawaguchi-shi, Japan,
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
