คุณต้องรู้อะไรเกี่ยวกับสปินเดิลบ้าง?

อัปเดตล่าสุด 25 ก.พ. 2565

โดยทั่วไปแล้ว ผู้ซื้อเครื่อง CNC ย่อมเข้าใจถึงความสำคัญของสปินเดิล ไม่ว่าจะเป็นความเร็ว กำลังของมอเตอร์ แรงบิดสูงสุด และอื่น ๆ ซึ่งล้วนเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาให้เหมาะสมกับวัสดุที่ต้องการกัด

อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้วสปินเดิลมีเรื่องควรรู้มากกว่านั้น และมีปัจจัยอื่นที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอีกมาก ในบทความนี้จะช่วยให้คุณรู้จักสปินเดิลดียิ่งขึ้น

Advertisement

อะไรอยู่ข้างในสปินเดิล และทำไมมันถึงสำคัญ?

หากมองแต่เพียงผิวเผิน สปินเดิลอาจดูไม่ใช่ส่วนสำคัญของเครื่องแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ (Machining Center) ซึ่งเป็นเครื่องมือตัดโลหะซึ่งประกอบขึ้นจากโต๊ะวางชิ้นงานที่เคลื่อนที่ได้ ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Motion Control System) ที่ควบคุมความแม่นยำและการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ต่าง ๆ ในตัวเครื่อง และซอฟต์แวร์ ซึ่งหากเทียบจากทั้งหมดนี้ สปินเดิลเป็นเพียงมอเตอร์ที่รับคำสั่งจากเซอร์โวและมีไว้ติดตั้งทูลส์เท่านั้น

ย่อหน้าข้างต้นอาจเป็นความจริง เนื่องจากสปินเดิลไม่มีความซับซ้อนแต่อย่างใด แต่ทว่า สปินเดิลเป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรที่ทำงานหนักและรับภาระเป็นอย่างมาก ทั้งจากแรงกระทำและการสึกหรอ ซึ่งหมายความว่า การออกแบบ คุณภาพ และชิ้นส่วนข้างในสปินเดิล มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงาน และอายุการใช้งานเป็นอย่างมาก จึงไม่ใช่เรื่องเกินไปนักหากจะกล่าวว่าสปินเดิลเป็นหัวใจของแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์

คุณภาพของชิ้นส่วนไม่ได้มีผลต่ออายุการใช้งานสปินเดิลเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงความทนทานต่อความเร็ว แรงบิด (Torque) และแรงสั่นสะเทือนอีกด้วย และเมื่อกล่าวถึงเทคโนโลยีสปินเดิล ก็จำเป็นต้องกล่าวถึงระบบแบริ่งเช่นเดียวกัน

ระบบแบริ่งของสปินเดิล

ภายในแบริ่ง (Bearing) หรือตลับลูกปืนนั้น ลูกปืนจะวิ่งไปตามรางตลับลูกปืน วัสดุของลูกปืนจะส่งผลต่ออุณหภูมิ แรงสั่นสะเทือน และอายุการใช้งานของสปินเดิล ซึ่งแบริ่งไฮบริดเซรามิก (Hybrid Ceramic) จะมีข้อได้เปรียบเหนือกว่าแบริ่งโลหะทั่วไป

ข้อดีที่เหนือกว่าของแบริ่งไฮบริดเซรามิก

มวลน้อยกว่า

ตลับลูกปืนเซรามิก มีมวลน้อยกว่าตลับลูกปืนเหล็ก 60% ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญมาก เนื่องจากเมื่อลูกปืนเม็ดกลม (Ball Bearing) ทำงานด้วยความเร็วสูง แรงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal Force) จะเหวี่ยงลูกปืนไปยังแหวนนอก (Outer Race) ทำให้ลูกปืนเกิดการเสียรูป และเมื่อลูกปืนเสียรูป ก็จะทำให้เกิดการสึกหรออย่างรวดเร็วจนกระทั่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพ ซึ่งลูกปืนเซรามิกที่มีมวลน้อยกว่า จะได้รับผลกระทบน้อยกว่าที่ความเร็วเท่ากัน ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว ลูกปืนเซรามิกสามารถทำงานได้ที่ความเร็วมากกว่าลูกปืนขนาดเดียวกันถึง 30% โดยไม่ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง

กำจัดการเกิด Cold Welding

ลูกปืนเซรามิกไม่ละลายติดเป็นเนื้อเดียวกันกับแหวนโลหะที่อุณหภูมิปกติ หรือที่เรียกว่า Cold Welding ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แบริ่งเสียหาย โดย Cold Welding นี้ จะเกิดขึ้นเมื่อเกิดการแลกเปลี่ยนประจุระหว่างลูกปืนและรางตลับลูกปืน ทำให้พื้นผิวเกิดการสึกหรอ ซึ่งเมื่อแบริ่งหมุน ลูกปืนที่ละลายติดกับรางตลับลูกปืนจะแตกออก ทำให้พื้นผิวเกิดรอยขรุขะ ซึ่งนำไปสู่การเกิดความร้อนจนแบริ่งทำงานล้มเหลวได้

ทำงานภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า

ลูกปืนเซรามิกมีลักษณะเป็นวัตถุทรงกลมเกือบสมบูรณ์แบบ ทำให้แบริ่งไฮบริดเซรามิกสามารถทำงานด้วยอุณหภูมิต่ำกว่าแบริ่งที่ใช้ลูกปืนเหล็ก ส่งผลให้สารหล่อลื่นมีอายุการใช้งานยาวนานยิ่งขึ้น

การสั่นสะเทือนที่ต่ำกว่า

จากการทดสอบพบว่า แบริ่งไฮบริดเซรามิกมีความทนทาน และมีความถี่ธรรมชาติ (Natural frequency) สูงกว่า ทำให้สามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือนได้มากขึ้น นำไปสู่อายุการใช้งานที่ยืนยาว

ประเภทของแบริ่ง

นอกจากนี้ยังมีแบริ่งประเภทอื่น ๆ อีกมาก โดยมี ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุม (Angular contact ball bearings) เป็นแบริ่งที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุดในการออกแบบสปินเดิลความเร็วสูง ซึ่งตลับลูกปืนประเภทนี้ให้ความแม่นยำ ความสามารถในการรับแรง และความเร็วที่จำเป็นสำหรับการตัดโลหะ ส่วนบอลเหล็ก (Precision Ball) ที่อยู่ในแหวนเหล็ก (Precision Steel Race) ช่วยให้สามารถรับน้ำหนักได้ทั้งในแนวแกนและแนวรัศมี

อีกประเภทที่ถูกใช้ในสปินเดิลบ้างบางครั้ง คือ แบริ่งลูกปืนเม็ดเรียว (Taper Roller Bearings) หรือตลับลูกปืนเม็ดทรงกระบอก (Cylindrical Roller Bearings) ซึ่งทั้งสองแบบสามารถรับแรงได้ดีกว่า Ball Bearings และมักถูกใช้ในสปินเดิลที่ต้องการอัตราการหมุนหรือการใช้งานในลักษณะจำเพาะ ซึ่งผู้ผลิตสปินเดิลมักใช้ทั้งสองประเภทในส่วนต่าง ๆ ของสปินเดิลบ่อยครั้ง โดยขึ้นอยู่กับลักษณะแรงที่แบริ่งต้องเผชิญ

สารหล่อลื่น

การหล่อลื่นแบริ่งอย่างเหมาะสมมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง และมีหลายระบบที่ผู้ผลิตเครื่องจักรเลือกใช้ในการหล่อลื่น ไม่ว่าจะเป็นการหล่อลื่นด้วย Oil Mist, oil-air, Oil-jet, และ Pulsed Oil-air.

ซึ่งระบบเหล่านี้จะมีความจำเป็นเมื่อแบริ่งมีความเร็วรอบสูงกว่า 18,000 RPM อย่างไรก็ตาม ระบบหล่อลื่นทำให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนสปินเดิลสูงขึ้น นอกจากนี้ ระบบหล่อลื่นยังจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าสัดส่วนและปริมาณของน้ำมันและ/หรืออากาศถูกต้อง

ตลับลูกปืนที่หล่อลื่นอย่างถาวร เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการประหยัดค่าบำรุงรักษาและค่าเปลี่ยนแบริ่ง ช่วยให้ไม่ต้องยุ่งยากกับการหล่อลื่น เนื่องจากตลับลูกปืนนี้ใช้งานได้ระหว่างการประกอบแกนหมุน นอกจากนี้ แบริ่งยังสามารถบรรจุล่วงหน้าด้วยจาระบีโดยซัพพลายเออร์แบริ่งอีกด้วย

ประเภทของสปินเดิล

สปินเดิลขับเคลื่อนได้ด้วยเทคโนโลยีที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นสายพาน, เฟือง, มอเตอร์อินไลน์ (Inline Motor), และมอเตอร์บิลต์อิน (Built-in Motor) โดยสปินเดิลที่ขับเคลื่อนด้วยสายพานนั้นสามารถดูแลรักษาได้ง่าย ทำให้มีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ นอกจากนี้ ชนิดของสายพานยังส่งผลต่อเสียงของเครื่องจักรอีกด้วย โดยสายพานลำเลียงลายก้างปลา (Herringbone) จะมีเสียงเบากว่าสายพานแบบอื่น ๆ นอกจากสามารถกระจายอากาศที่ติดอยู่เพื่อลดเสียงรบกวนได้ดีกว่า

ส่วนสปินเดิลที่ขับเคลื่อนด้วยเฟือง จะมีค่าบำรุงรักษาสูงกว่า มีเสียงดังกว่า และมีขั้นตอนการดูแลรักษาที่ยุ่งยากกว่าแบบขับเคลื่อนด้วยสายพาน ซึ่งที่ผ่านมา มีหลายกรณีที่สปินเดิลขับเคลื่อนด้วยเฟืองทำงานได้ดีกว่า แต่ปัจจุบัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีวัสดุ และการออกแบบสายพานทำให้สปินเดิลที่ขับเคลื่อนด้วยสายพานเป็นตัวเลือกสำหรับผู้ที่ต้องการลดความยุ่งยากในการบำรุงรักษา

ทางด้านสปินเดิลแบบอินไลน์ (Inline Spindle) หรือที่บางครั้งเรียกว่า Direct-drive Spindle ออกแบบขึ้นเพื่อให้สปินเดิลจับคู่กับมอเตอร์โดยตรง มีประสิทธิภาพในการทำงาน Surface Finish ให้ผิวงานเรียบ และมีเสียงเบากว่า

อีกประเภทอย่างสปินเดิลที่ใช้มอเตอร์บิลท์อินนั้น มักถูกใช้งานเมื่อต้องการรอบหมุนสูง (มากกว่า 16,000 RPM) ซึ่งสปินเดิลประเภทนี้มีค่าใช้จ่ายสูงเมื่อเทียบกับสปินเดิลขับเคลื่อนด้วยสายพาน

อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะเป็นสปินเดิลประเภทไหน มอเตอร์ก็เป็นส่วนสำคัญเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งสปินเดิลที่ใช้วมอเตอร์แบบขดลวดพัน 2 แกน (Dual wound motor) จะให้ Cutting Torque และการตัดเศษวัสดุที่ดีกว่า ส่วนสปินเดิลที่ใช้มอเตอร์ขดลวดเดียว (Single wound motor) จะใช้กับงานที่ต้องการแรงบิดต่ำกว่า และไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วรอบสูงมากนัก

ศัตรูของสปินเดิล

สปินเดิลมีศัตรูอยู่ 2 สิ่ง คือ ความร้อน และ สารปนเปื้อน ซึ่งสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการทำงานผิดพลาดของสปินเดิล คือ ตลับลูกปืนเนื่องจากการปนเปื้อนที่ทางเข้าของสารหล่อเย็น ไปจนถึงการควบแน่น การปนเปื้อน หรือความเสียหายจากเศษตัด ซึ่งสิ่งที่ต้องทำ คือ การควบคุมอุณหภูมิสปินเดิลให้เย็นอยู่เสมอ และต้องทำให้แน่ใจว่าไม่มีสารปนเปื้อน

ทำไม “น้ำมันหล่อเย็น” ต้องสะอาด

โดยส่วนมาก สารปนเปื้อนจะเข้าไปในสปินเดิลผ่านซีลที่ชำรุด ดังนั้น จึงควรรู้จักวิธีการยึดซีลให้แน่นว่ามีอะไรบ้างเพื่อช่วยในการตรวจสอบ หากเป็นซีลลาบีรินต์ (Labyrinth Seal) จะใช้แรงดันอากาศในการไล่อากาศออกเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการปนเปื้อน ส่วน Dual air purge system ซึ่งมีทางเข้าออกสองทางนั้นเป็นระบบที่ถูกออกแบบให้กันการปนเปื้อนได้เป็นอย่างดี

อุณหภูมิ เป็นอีกสาเหตุที่ทำให้สปินเดิลเกิดปัญหา เนื่องจากความร้อนทำให้เหล็กกล้าขยายตัว ซึ่งผู้ผลิต ควรระบุวิธีป้องกันการขยายตัวจากความร้อนนี้เพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงในแกน Y และแกน Z

ซึ่งอุปกรณ์ที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายที่สุด คือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) และระบบทำความเย็น (Chiller) เพื่อป้องกันการขยายตัวของสปินเดิลจากความร้อน โดยระบบเหล่านี้ช่วยให้สปินเดิลมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น และมักถูกใช้เมื่อสปินเดิลต้องทำงานเป็นระยะเวลานาน หรือใน High duty cycles โดยการเลือกระบบทำความเย็นนั้นขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเป็นหลัก เช่น ในการทำงานแบบไฮสปีด อาจเลือกใช้ Thermal stabilization system ที่ใช้เทอร์โมสตัทและ Oil chiller ร่วมกันในการลดอุณหภูมิสปินเดิลโดยอัตโนมัติตามความจำเป็น

อย่างสุดท้าย คือ "ทูลส์" ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของสปินเดิล หากใช้ทูลที่ไม่บาลานซ์ สึกหรอ หรือยาวเกินไป ก็จะส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานสปินเดิลได้

การเลือกทูลส์

อุณหภูมิส่งผลกระทบต่อทูลส์เช่นเดียวกันสปินเดิล ผู้ใช้ควรตรวจสอบว่าสปินเดิลมีแหวนฉีดน้ำหล่อเย็นหรือท่อฉีดน้ำหล่อเย็นหรือไม่ โดยในกรณีของแหวนฉีดน้ำหล่อเย็น ผู้ใช้ควรตรวจสอบว่ามีท่อน้ำหล่อเย็นกี่ท่อ และปรับแต่งได้หรือไม่ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว ท่อน้ำหล่อเย็นยิ่งมากก็ยิ่งดี เนื่องจากสามารถปรับทิศทางของท่อให้รองรับทูลส์ได้หลายความยาวโดยไม่ต้องตั้งค่าบ่อยครั้ง

ในการทำงานที่มีรอบหมุนสูงกว่า 12,000 RPM หรือต้องการปกป้องทูลส์พิเศษหรือทูลส์ที่มีราคาแพงนั้น ระบบน้ำหล่อเย็นผ่านสปินเดิล (Coolant Through the Spindle: CTS) เป็นระบบที่ถูกแนะนำให้ใข้งานอย่างแพร่หลาย อีกทั้งยังสามารถใช้งานกับการทำงานที่รอบหมุนต่ำ หรือการทำงานต่อเนื่องได้อีกด้วย ซึ่งราคาของสปินเดิลที่มีฟังก์ชันเหล่านี้ขึ้นอยู่กับแรงดันสารหล่อเย็นและการออกแบบสปินเดิล

ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนสปินเดิล

สปินเดิลก็เหมือนยางรถ เมื่อใช้งานถึงจุดหนึ่งก็จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ในที่สุด และทุกครั้งที่ซื้อเครื่องแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ตัวใหม่ควรคำนึงถึงการเปลี่ยนสปินเดิลด้วยว่าจะมีค่าใช้จ่ายเท่าไหร่ หาซื้อได้ยากไหม และจะเกิดดาวน์ไทม์แค่ไหนในระหว่างการติดตั้ง

สรุปบทความ

สปินเดิลเปรียบได้กับหัวใจสำคัญของเครื่องจักร Machining Center จึงเป็นเรื่องสำคัญที่ผู้ใช้งานเครื่องจักรจะต้องให้ความใส่ใจในสปินเดิล และชิ้นส่วนสปินเดิล และควรลงทุนในชิ้นส่วนที่มีคุณภาพ เพื่อให้สปินเดิลมีอายุการใช้งานยาวนาน