ลักษณะของวัสดุใดที่ทำให้เพลาลูกเบี้ยวมีความทนทาน?

คุณสมบัติทางกลพื้นฐานที่กำหนดความทนทานของเพลาลูกเบี้ยว

ความแข็งแรงและคุณภาพผิวภายใต้แรงกดสัมผัสสูง

อายุการใช้งานของเพลาลูกเบี้ยวขึ้นอยู่กับความแข็งของวัสดุเป็นหลัก เนื่องจากต้องรับแรงกดสัมผัสที่รุนแรงซึ่งอาจสูงเกิน 1500 MPa การปรับแต่งผิวให้เหมาะสมก็มีความสำคัญเช่นกัน เมื่อผู้ผลิตใช้เวลาในการขัดและขัดเงาอย่างถูกต้อง จะสามารถป้องกันไม่ให้เกิดรอยแตกเล็กๆ ซึ่งหากปล่อยไว้จะเร่งให้เกิดปัญหาการสึกหรอได้ วิศวกรส่วนใหญ่เห็นพ้องว่า การรักษาค่าความแข็งไว้ที่ประมาณ 55–65 HRC จะให้ผลดีที่สุด เพราะให้ทั้งความต้านทานต่อการสึกหรอที่ดี และยังมีความเหนียวพอที่จะไม่หักอย่างกะทันหัน ชิ้นส่วนเหล็กกล้าผสมที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูปมักให้สมรรถนะโดดเด่นในสภาวะดังกล่าว โดยยังคงเสถียรภาพแม้หลังจากการยกวาล์วหลายร้อยล้านครั้ง บางโรงงานรายงานว่าสามารถใช้งานได้มากกว่า 500 ล้านรอบก่อนต้องเปลี่ยน อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จริงอาจแตกต่างกันไปตามสภาวะการใช้งาน

ความต้านทานต่อการเหนื่อยล้าสำหรับการปฏิบัติงานที่ความเร็วรอบสูงอย่างต่อเนื่อง

เมื่อเครื่องยนต์ทำงานผ่านรอบความเครียดหลายพันรอบที่ความเร็วสูงกว่า 6,000 รอบต่อนาที (RPM) จะต้องใช้วัสดุที่สามารถต้านทานการล้าของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะยาว ชิ้นส่วนต่าง ๆ จำเป็นต้องรับแรงดัดที่เกิดจากสปริงวาล์วที่มีกำลังสูงได้ทั้งหมด โดยไม่เกิดรอยแตกขึ้นเลย นอกจากนี้ การได้โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะเมื่อใช้เหล็กที่ผ่านกระบวนการหลอมในสุญญากาศ ซึ่งเหล็กชนิดนี้มักมีข้อบกพร่องแฝงภายในน้อยกว่า จึงลดโอกาสที่จุดดังกล่าวจะกลายเป็นจุดอ่อนภายใต้แรงกดดัน การพิจารณาค่าตัวเลขหลักช่วยอธิบายภาพรวมได้ดี: ความต้านทานการล้าของวัสดุควรมีค่าไม่น้อยกว่าประมาณ 800 เมกะพาสคาล (MPa) และความเหนียวต่อการแตกร้าว (fracture toughness) ควรอยู่ที่มากกว่า 90 เมกะพาสคาลต่อรากที่สองของเมตร (MPa√m) เมื่อวัสดุมีคุณสมบัติเหล่านี้ครบถ้วน ชิ้นส่วนต่าง ๆ จะสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ต่อเนื่องเป็นระยะทางการขับขี่มากกว่า 250,000 ไมล์

วัสดุเพลาลูกเบี้ยวชั้นนำและข้อแลกเปลี่ยนด้านประสิทธิภาพในการใช้งานจริง

เหล็กหล่อแบบนอดูลาร์ เทียบกับเหล็กผสม: สมดุลระหว่างความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งแรง และต้นทุน

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับเพลาลูกเบี้ยว (camshafts) จำเป็นต้องพิจารณาสมดุลที่ลงตัวระหว่างความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งแรงเชิงโครงสร้าง และความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ โลหะหล่อแบบนอดูลาร์ (nodular cast iron) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าเหล็กหล่อ SG มีความโดดเด่นเนื่องจากสามารถลดการสั่นสะเทือนได้ดี และทนต่อภาวะความเหนื่อยล้า (fatigue) ได้ดีกว่าวัสดุทางเลือกอื่นๆ หลายชนิด จึงมักถูกใช้ในเครื่องยนต์ที่ผลิตจำนวนมาก โครงสร้างกราไฟต์รูปทรงกลมเฉพาะตัวภายในวัสดุชนิดนี้ช่วยดูดซับแรงเครียด (stress) ที่จุดเฉพาะต่างๆ ทำให้เกิดการสึกหรอน้อยลงบริเวณลูกเบี้ยว (lobes) เมื่อทำงานภายใต้สภาวะหล่อลื่นด้วยน้ำมัน สำหรับผู้ที่ต้องการสมรรถนะที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น โลหะผสมเหล็กกล้า เช่น เหล็กกล้าเกรด 4140 จะให้ความแข็งแรงดึง (tensile strength) และความแข็งผิว (surface hardness) ที่สูงกว่ามาก ซึ่งช่วยให้วิศวกรออกแบบเครื่องยนต์สามารถใช้สปริงวาล์วได้อย่างหนักขึ้น และบรรลุอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว (ramp rates) ที่สูงขึ้นระหว่างการปฏิบัติงาน อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกเหล็กกล้าเหล่านี้มาพร้อมกับข้อแลกเปลี่ยนบางประการ โดยต้องใช้กระบวนการกลึงที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น รวมทั้งการอบร้อนและชุบแข็งอย่างละเอียด ซึ่งโดยทั่วไปจะทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการหล่อ

เหล็กกล้าแบบน็อดูลาร์ทำงานได้ดีมากจนถึงรอบหมุนประมาณ 7,000 รอบต่อนาที หลังจากนั้นจะเริ่มแสดงสัญญาณของความเครียดจากการหมุนอย่างรุนแรง ขณะที่เหล็กกล้าผสมเหมาะกว่าสำหรับชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาแต่หมุนด้วยความเร็วสูงมาก อย่างไรก็ตาม มีข้อควรระวังคือ ต้องผ่านกระบวนการอบความร้อนอย่างแม่นยำระหว่างการผลิต มิฉะนั้นอาจเกิดรอยแตกขึ้นอย่างไม่คาดคิดภายใต้สภาวะความเครียด สำหรับการดำเนินงานยานพาหนะเชิงพาณิชย์ที่ต้นทุนเป็นปัจจัยสำคัญที่สุด เหล็กกล้าแบบ SG ยังคงมีข้อได้เปรียบเมื่อพิจารณาจากอายุการใช้งานเทียบกับต้นทุนเริ่มต้น นี่คือเหตุผลที่รถยนต์แข่งและเครื่องยนต์ที่ติดตั้งระบบอัดอากาศบังคับ (forced induction) มักเลือกใช้เหล็กกล้าราคาสูงกว่า แม้จะมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม เนื่องจากสามารถรองรับภาระได้มากกว่าประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ก่อนล้มเหลว เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นๆ ที่มีจำหน่ายในตลาดปัจจุบัน

กลยุทธ์การอบความร้อนเพื่อปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและอายุการใช้งานของเพลาลูกเบี้ยว

การชุบผิวด้วยความร้อนแบบเหนี่ยวนำและการอบแบบออกซ์เทมเปอร์ริ่ง: เพิ่มความแข็งของผิวหน้าโดยยังคงรักษาความเหนียวของแกนกลางไว้

การให้ความร้อนอย่างเหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุจุดสมดุลที่ลงตัวระหว่างความแข็งของผิวหน้ากับความเหนียวของแกนกลาง ด้วยกระบวนการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ (induction hardening) เราสามารถมุ่งเป้าไปที่ผิวของลูกเบี้ยว (lobe surfaces) โดยเฉพาะ ด้วยการให้ความร้อนจนถึงประมาณ 900 องศาเซลเซียส ผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะก่อให้เกิดชั้นมาร์เทนไซต์ (martensitic layer) ที่มีความทนทานสูงมาก และมีค่าความแข็งสูงกว่า 50 ตามมาตรวัดร็อกเวลล์ (Rockwell scale) ทั้งยังทำให้เกิดการบิดงอ (distortion) น้อยกว่าวิธีการใช้เตาเผาแบบดั้งเดิมอย่างมาก อีกกระบวนการหนึ่งคือการอบแบบออกัสเทมเปอร์ (austempering) ซึ่งทำงานร่วมกันอย่างกลมกลืนกับกระบวนการนี้ โดยการอบแกนกลางที่อุณหภูมิระหว่างประมาณ 250 ถึง 400 องศาเซลเซียส ภายใต้การเปลี่ยนแปลงเฟสแบบไอโซเทอร์มอล (isothermal transformation) ซึ่งจะได้โครงสร้างเบนไนต์ (bainite) ที่แข็งแรงแทนที่จะเป็นมาร์เทนไซต์ที่เปราะบางทั่วทั้งวัสดุ

กลยุทธ์แบบสองขั้นตอนนี้มอบผลประโยชน์สองประการที่สัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด:

• ผิวที่ผ่านการชุบแข็งแล้วสามารถต้านทานแรงกดโดยตรงจากลิฟเตอร์ (lifters) และโฟโลว์เวอร์ (followers)
• แกนกลางที่มีความเหนียวและประกอบด้วยโครงสร้างเบนไนต์สามารถดูดซับแรงดัดและแรงบิดแบบเป็นจังหวะ (cyclic bending and torsional loads) ได้ในระหว่างการปฏิบัติงานที่ความเร็วรอบสูง (high-RPM operation)
  ความเครียดตกค้างแบบอัดที่เกิดขึ้นส่งผลให้อัตราการขยายตัวของรอยแตกจากความเหนื่อยล้าลดลง 30% ตามแนวทางด้านโลหะวิทยาปี 2023 ของ ASM International การควบคุมอัตราการเย็นตัวอย่างแม่นยำยังช่วยป้องกันความผิดปกติของโครงสร้างจุลภาค เช่น มาร์เทนไซต์ที่ไม่ผ่านการอบอ่อน ซึ่งจะส่งผลเสียต่อความสม่ำเสมอของวัสดุในช่วงอุณหภูมิการใช้งานที่แตกต่างกัน