การควบคุมความราบ (Flatness Control)

ความราบ (Flatness) คือ สภาวะที่พื้นผิว (Planar Feature) หรือระนาบกลาง (Median Plane) มีลักษณะเป็นระนาบในอุดมคติ การควบคุมความราบจัดอยู่ในกลุ่มของการควบคุมรูปทรง (Form Control) ซึ่งไม่จำเป็นต้องกำหนดดาตั้มอ้างอิง ตัวอย่างการกำหนดสัญลักษณ์ GD&T ความราบ แสดงในภาพที่ 5-1

ความราบของพื้นผิว (Flatness of Feature)

ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Zone) ของความราบที่ควบคุมพื้นผิว มีลักษณะเป็นระนาบคู่ขนาน      (2 Parallel Planes) ซึ่งมีระยะห่างเท่าค่าพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Value) ที่กำหนดในแบบงาน ซึ่งค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) คือ ค่าระยะห่างของขอบเขตระนาบคู่ขนาน 2 ระนาบที่แคบที่สุด (Best Fit) ที่แต่ละจุดบนพื้นผิวสามารถอยู่ในขอบเขตนี้ได้

ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนของความราบที่ควบคุมพื้นผิว ดังแสดงในภาพที่ 5-2 เป็นขอบเขตที่สามารถจัดวางได้อย่างอิสระทุกระดับของการเคลื่อนที่ (Degree of Freedom) ทำให้ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนสามารถเปลี่ยนตำแหน่งได้ทั้งการขยับ (Translation) และการหมุน (Rotation) ซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งของขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนในลักษณะนี้เป็นการใช้พื้นผิวที่ต้องการควบคุมในการอ้างอิงการจัดวางขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนเพื่อใช้ในการตรวจสอบพื้นผิวนั้นๆ

การควบคุมความราบด้วยกฎข้อที่ 1 (Flatness Control by Rule #1)

เมื่อไม่มีการกำหนดสัญลักษณ์ GD&T ความราบ (Flatness) และพื้นผิว (Feature) นั้นเป็นส่วนหนึ่งของ Feature of Size พื้นผิวนั้นจะมีการควบคุมด้วยกฎข้อที่ 1 โดยจะควบคุมให้แต่ละจุดบนพื้นผิวไม่เหลื่อมล้ำออกนอกหรือเหลื่อมล้ำเข้าไปในขอบเขตสภาวะเนื้อวัสดุมากสุดที่มีความสมบูรณ์ทางด้านรูปทรง (Perfect Form at MMC) ซึ่งค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) จะมีค่าไม่มากกว่าค่าความเบี่ยงเบนของขนาด (Size Deviation) ที่เกิดขึ้นบนชิ้นงาน โดยขนาดที่เกิดขึ้นจริงในแต่ละแนวการตรวจสอบ (Actual Local Size, ALS) ต้องไม่ผิดเงื่อนไขของการควบคุมขนาด ดังแสดงในภาพที่ 5-3 ส่วนการวิเคราะห์ค่าความเบี่ยงเบนมากที่สุดของความราบ ต้องวิเคราะห์จากขนาดจริง (Actual Size) ที่เกิดขึ้นของชิ้นงานพร้อมกับลักษณะของรูปร่างรูปทรงของชิ้นงานที่เกิดการเบี่ยงเบน

การควบคุมความราบของพื้นผิว (Flatness Control of Feature)

เมื่อพื้นผิว (Feature) มีการควบคุมด้วยสัญลักษณ์ GD&T ความราบ (Flatness) พื้นผิว (Feature) ที่เป็น Feature of Size นั้นยังคงมีการควบคุมด้วยกฎข้อที่ 1 เช่นเดิม โดยจะควบคุมให้แต่ละจุดบนพื้นผิวไม่เหลื่อมล้ำออกนอกหรือเหลื่อมล้ำเข้าไปในขอบเขตสภาวะเนื้อวัสดุมากสุดที่มีความสมบูรณ์ทางด้านรูปทรง (Perfect Form at MMC) ซึ่งค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) จะมีค่าไม่มากกว่าค่าพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Value) ที่กำหนดในสัญลักษณ์ GD&T ความราบ

จากตัวอย่างในภาพที่ 5-4 พบว่าพื้นผิวด้านบนของชิ้นงานมีการควบคุมขนาดและความราบ

• • ภาพ (A) เป็นชิ้นงานที่ถูกปฏิเสธ (Reject) เนื่องจากพื้นผิวมีค่าความราบที่เกิดขึ้นจริงมากกว่าค่าความราบที่กำหนดในแบบงาน 

  • ภาพ (B) ก็เป็นชิ้นงานที่ถูกปฏิเสธเช่นกัน เนื่องจากพื้นผิวมีขนาดที่เกิดขึ้นจริงในแต่ละแนวของการตรวจสอบ (Actual Local Size, ALS) มากกว่าค่ามากสุดของขนาด (Maximum Value) ที่สามารถยอมรับได้ 

  • ภาพ (C) เป็นชิ้นงานที่ถูกยอมรับ (Accept) เนื่องจากพื้นผิวของชิ้นงานไม่ผิดเงื่อนไขของการควบคุม ซึ่งพิจารณาจากพื้นผิวนั้นสามารถจัดวางอยู่ในขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนของขนาดและขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนของความราบได้โดยไม่มีจุดใดจุดหนึ่งบนพื้นผิวออกนอกขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนทั้ง 2 ขอบเขต

การควบคุมพื้นผิวไม่ให้มีลักษณะนูน (Flatness with Non Convex)

เมื่อต้องการควบคุมความราบของพื้นผิว (Feature) โดยต้องการควบคุมรูปทรง (Form) ไม่ให้นูน (Convex) เนื่องจากจะส่งผลกระทบต่อการใช้งาน โดยเฉพาะเมื่อพื้นผิวนั้นต้องใช้ประกอบกับพื้นผิวอื่นๆ ผู้ออกแบบจะกำหนดข้อความ “NON CONVEX” ใต้กรอบสัญลักษณ์ GD&T ความราบ ดังแสดงในภาพที่ 5-5 ซึ่งจะส่งผลให้ผู้ตรวจสอบปฏิเสธ (Reject) ชิ้นงานที่มีลักษณะนูนและยอมรับ (Accept) เฉพาะชิ้นงานที่มีลักษณะเว้า (Concave) เท่านั้น

ในกรณีที่พื้นผิวมีลักษณะนูน ผลกระทบต่อการประกอบใช้งาน การผลิตหรือการตรวจสอบจะเกิดขึ้นในกรณีที่พื้นผิวนั้นถูกใช้เป็นพื้นผิวดาตั้มอ้างอิง (Datum Feature) เพื่อใช้ในการควบคุมการจัดวางทิศทาง (Orientation) การจัดวางตำแหน่ง (Location) ของพื้นผิว (Feature) ระนาบกลาง (Plane) แกนกลาง (Axis) หรือจุดกึ่งกลาง (Point) 

จากภาพที่ 5-6 พบว่าพื้นผิวด้านล่างของชิ้นงานในภาพ (A) และชิ้นงานในภาพ (B) เกิดค่าความเบี่ยงเบนของความราบเท่ากันคือ 0.1 แต่พื้นผิวของชิ้นงานในภาพ (A) มีลักษณะเว้า ทำให้ชิ้นงานมีลักษณะมั่นคงเมื่อทำการวางประกอบ ในขณะที่ชิ้นงานในภาพ (B) มีลักษณะนูน ทำให้ชิ้นงานมีลักษณะไม่มั่นคงไม่สามารถตั้งอยู่ได้ ส่งผลชิ้นงานมีโอกาสล้มไปด้านใดด้านหนึ่ง ดังแสดงในภาพ (C) ซึ่งส่งผลกระทบต่อค่าความขนานของพื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน

ความราบของระนาบกลาง (Flatness of Median Plane)

ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Zone) ของความราบที่ควบคุมระนาบที่ไม่สมบูรณ์แบบ (Median Plane) ที่เกิดจากพื้นผิวคู่ขนาน 2 พื้นผิว มีลักษณะเป็นระนาบคู่ขนาน 2 ระนาบ (2 Parallel Planes) ซึ่งมีความกว้างระหว่างระนาบเท่ากับค่าพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Value) ที่กำหนดในแบบงาน โดยค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) ของชิ้นงานที่ผลิตได้ คือ ค่าของระยะห่างระหว่างระนาบที่แคบที่สุดที่แต่ละจุดกึ่งกลาง (Median Point) ของระนาบกลางสามารถอยู่ในขอบเขตนี้ได้

ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนของความราบที่ควบคุมระนาบกลาง สามารถจัดวางได้อย่างอิสระทุกระดับของการเคลื่อนที่ (Degree of Freedom) ทำให้ขอบเขตพิกัดความคลาดเคลื่อนสามารถเปลี่ยนตำแหน่งเข้าหาระนาบกลางได้ทั้งการขยับ (Translation) และการหมุน (Rotation) ดังแสดงในภาพที่ 5-7

การควบคุมความราบในสภาวะที่ไม่คำนึงถึงเนื้อวัสดุ (Flatness Control with RFS)

เมื่อมีการควบคุมความราบของระนาบกลาง (Median Plane) ด้วยสัญลักษณ์ GD&T ความราบ กฎข้อที่ 1 จะถูกยกเลิก ซึ่งส่งผลให้พื้นผิวของชิ้นงานสามารถเหลื่อมล้ำออกนอกหรือเหลื่อมล้ำเข้าไปในขอบเขตสภาวะเนื้อวัสดุมากสุดที่มีความสมบูรณ์ทางด้านรูปทรง (Perfect Form at MMC) เมื่อชิ้นงานอยู่ในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (MMC) และเกิดความความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) มากที่สุดจะทำให้ขอบเขตในสภาวะเสมือนประกอบ (VC) ที่มีขนาดไม่เท่ากับขอบเขตสภาวะเนื้อวัสดุมากสุดที่มีความสมบูรณ์ทางด้านรูปทรง 

ภาพที่ 5-8 แสดงให้เห็นถึงขนาดในสภาวะเสมือนประกอบ (VC) ซึ่งเป็นผลกระทบระหว่างขนาดและค่าความเบี่ยงเบนของความราบ เช่น กรณีของกล่องที่มีขนาดในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (MMC) เท่ากับ 20.3 มม. และมีค่าความราบของระนาบกลางมากที่สุดเท่ากับ 0.1 จะทำให้ขนาดของกล่องในสภาวะเสมือนประกอบ (VC) มีค่าเท่ากับ 20.4 มม. ส่วนกรณีของร่องที่มีขนาดในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (MMC) เท่ากับ 19.7 มม. และมีค่าความราบของระนาบกลางมากที่สุดเท่ากับ 0.1 จะทำให้ขนาดของร่องในสภาวะเสมือนประกอบ (VC) มีค่าเท่ากับ 19.6 มม.

การควบคุมความราบของระนาบกลางของพื้นผิวด้านนอก (External Feature) จะส่งผลให้ขนาดในสภาวะประกอบที่ไม่อ้างอิงดาตั้ม (U-AME) มีขนาดโตขึ้น โดยขนาดที่โตขึ้นนี้เป็นผลกระทบจากขนาดที่เกิดขึ้นจริง (ALS) กับค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) เช่น กล่องมีขนาดที่เกิดขึ้นจริงเท่ากับ 20.2 มม. และมีค่าความราบของระนาบกลางเท่ากับ 0.05 จะทำให้ขนาดในสภาวะประกอบที่ไม่อ้างอิงดาตั้มมีค่าเท่ากับ 20.25 มม. ดังแสดงในภาพที่ 5-9

ถ้าเป็นการควบคุมความราบของระนาบกลางของพื้นผิวด้านใน (Internal Feature) จะส่งผลให้ขนาดในสภาวะประกอบที่ไม่อ้างอิงดาตั้ม (U-AME) มีขนาดเล็กลง โดยขนาดที่เล็กลงนี้เป็นผลกระทบจากขนาดที่เกิดขึ้นจริง (ALS) กับค่าความเบี่ยงเบนของความราบ (Flatness Deviation) เช่น ร่องมีขนาดที่เกิดขึ้นจริงเท่ากับ 19.9 มม. และมีค่าความราบของระนาบกลางเท่ากับ 0.05 จะทำให้ขนาดในสภาวะประกอบที่ไม่อ้างอิงดาตั้มมีค่าเท่ากับ 19.85 มม. ดังแสดงในภาพที่ 5-10

เมื่อมีการควบคุมความราบของแกนกลางหรือระนาบกลาง (Feature of Size) ทำให้มีการยกเลิกกฎข้อที่ 1 ซึ่งจะส่งผลให้แต่ละจุดบนพื้นผิวของชิ้นงานสามารถเหลื่อมล้ำออกนอกหรือเหลื่อมล้ำเข้าไปในขอบเขตสภาวะเนื้อวัสดุมากสุดที่มีความสมบูรณ์ทางด้านรูปทรงได้นั้น พื้นผิวจะถูกควบคุมให้อยู่ในขอบเขตของข้อกำหนดทางด้านขนาด (Size) และข้อกำหนดทางด้านรูปทรง (Form) เท่านั้น ซึ่งขนาดและรูปทรงของชิ้นงานที่ผลิตได้จริงจะต้องสอดคล้องตามข้อกำหนดในแบบงานทุกข้อ ผู้ตรวจสอบจึงจะสามารถยอมรับ (Accept) ชิ้นงานชิ้นนั้นได้ 

ภาพที่ 5-11 เป็นตัวอย่างแสดงการวิเคราะห์ขนาดในสภาวะการประกอบที่ไม่อ้างอิงดาตั้ม (U-AME) ของการควบคุมความราบในสภาวะที่ไม่คำนึงถึงเนื้อวัสดุ (RFS) ของเพลาและรู

การควบคุมความราบในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (Flatness Control with MMC)

เมื่อมีการควบคุมความราบของระนาบกลาง (Median Plane) ด้วยสัญลักษณ์ GD&T ความราบ (Flatness) และมีการกำหนดสัญลักษณ์ปรับปรุง (Modifier) Ì สภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (Maximum Material Condition, MMC) ในส่วนของค่าพิกัดความคลาดเคลื่อน (Tolerance Value Compartment) จะส่งผลให้ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวม (Total Tolerance) ของชิ้นงานมีค่ามากกว่าค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนที่กำหนดในแบบงาน (Stated Tolerance) และจะมีค่าเปลี่ยนไปตามขนาดจริง (Actual Size) ของชิ้นงาน โดยจะเกิดค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น (Bonus Tolerance) ซึ่งมีค่าเท่ากับผลต่างระหว่างขนาดที่เกิดขึ้นจริงกับขนาดในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด ดังแสดงในภาพที่ 5-12 ถึงแม้ว่าค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวมของชิ้นงานจะมีค่าเปลี่ยนไปตามขนาดของชิ้นงานแต่พื้นผิวของชิ้นงานจะไม่เหลื่อมล้ำออกนอกหรือเหลื่อมล้ำเข้าไปในขอบเขตสภาวะเสมือนประกอบ (VC)

ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น (Bonus Tolerance) มีค่าเท่ากับผลต่างระหว่างขนาดในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (Maximum Material Condition, MMC) กับขนาดจริงของชิ้นงานที่ผลิตได้ (Actual Size) ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Bonus Tolerance = | MMC - Actual Size |

ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวมของความราบ (Total Tolerance) มีค่าเท่ากับผลรวมของค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนของความราบที่กำหนดในแบบงาน (Stated Tolerance) กับค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น (Bonus Tolerance) ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Total Tolerance = Stated Tolerance + Bonus Tolerance

หรือสามารถคำนวณหาค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวมของความราบ (Total Tolerance) ได้จากผลต่างระหว่างขนาดในสภาวะเสมือนประกอบ (Virtual Condition Boundary, VC) กับขนาดของชิ้นงานจริงที่ผลิตได้ (Actual Size) ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Total Tolerance = | VC - Actual Size |

แบบงานในภาพที่ 5-13 เป็นตัวอย่างของการวิเคราะห์ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนของการควบคุมความราบในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด จากการวิเคราะห์แบบงาน พบว่าขนาดในสภาวะเนื้อวัสดุมากสุด (MMC Size) มีค่าเท่ากับ 20.3 มม. ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนที่กำหนดในแบบงาน (Stated Tolerance) มีค่าเท่ากับ 0.1 มม. และขนาดในสภาวะเสมือนประกอบ (VC Size) มีค่าเท่ากับ 20.4 มม. โดยขนาดจริง (Actual Size) ของชิ้นงานที่ผลิตได้มีค่าเท่ากับ 20.0 มม. จากข้อมูลดังกล่าว สามารถคำนวณหาค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนต่างๆ ได้ดังนี้

Bonus Tolerance = | MMC - Actual Size | = | 20.3 - 20.0 | = 0.3

Total Tolerance = Stated Tolerance + Bonus Tolerance = 0.1 + 0.3 = 0.4

ดังนั้นเมื่อชิ้นงานมีขนาด 20.0 มม. ค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวมจึงมีค่าเท่ากับ 0.4

ในกรณีที่ต้องการคำนวณหาค่าพิกัดความคลาดเคลื่อนโดยรวมโดยใช้ขนาดสภาวะเสมือนประกอบ (VC) ในการวิเคราะห์ สามารถคำนวณได้ดังนี้

ตัวอย่างการตรวจสอบความราบ (Example of Flatness Inspection)

ภาพที่ 5-15 เป็นตัวอย่างของการตรวจสอบความราบด้วยเครื่องมือวัดพื้นฐาน ได้แก่ โต๊ะระดับ (Surface Plate) แท่นรองที่สามารถปรับระยะความสูงได้ (Adjustable Support) และไดอัลเกจ (Dial Gauge)

ปรับตั้งค่าชิ้นงาน โดยการวางชิ้นงานบนแท่นรองที่สามารถปรับระยะความสูงได้ ให้ชิ้นงานวางบนแท่นรองอย่างมั่นคง นำชุดไดอัลเกจแตะที่ตำแหน่งปลายด้านใดด้านหนึ่งของพื้นผิวที่ต้องการตรวจสอบความราบ แล้วเลื่อนไปแตะที่ตำแหน่งปลายอีกด้านหนึ่ง ถ้าค่าของไดอัลเกจของทั้งสองด้านแตกต่างกันให้ปรับความสูงของแท่นรองจนค่าของไดอัลเกจของตำแหน่งปลายทั้งสองมีค่าเท่ากัน เช่น ถ้าตำแหน่งปลายด้านหนึ่งได้ค่าวัดจากไดอัลเกจเท่ากับ 0.10 ตำแหน่งปลายอีกด้านก็ต้องอ่านค่าได้ 0.10 เช่นกัน หลังจากนั้นให้เลื่อนชุดไดอัลเกจไปแตะที่ตำแหน่งจุดปลายในด้านที่ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกับสองตำแหน่งแรก ปรับความสูงของแท่นรองจนค่าของไดอัลเกจที่ตำแหน่งนั้นมีค่าเท่ากับค่าของสองตำแหน่งแรก เช่น ถ้าสองตำแหน่งแรกอ่านค่าได้ 0.10 ตำแหน่งที่สามก็ต้องถูกปรับระยะจนได้ค่า 0.10 เช่นกัน

ตรวจสอบค่าความเบี่ยงเบนของความราบ โดยการลากไดอัลเกจให้ครอบคลุมทั่วทั้งพื้นผิวที่ต้องการตรวจสอบความราบ เก็บค่ามากที่สุดและน้อยที่สุดที่สามารถอ่านค่าได้จากไดอัลเกจในขณะทำการตรวจสอบ เช่น อ่านค่าวัดมากที่สุดจากไดอัลเกจได้เท่ากับ 0.19 และอ่านค่าวัดน้อยสุดได้เท่ากับ 0.03

วิเคราะห์ผลการตรวจสอบ โดยค่าความเบี่ยงเบนของความราบที่ทำการตรวจสอบ คือ ผลต่างระหว่างค่าที่มากที่สุดและค่าที่น้อยที่สุดที่อ่านได้จากไดอัลเกจ เช่น ค่าของไดอัลเกจในขณะทำการวัดอ่านค่าได้มากที่สุดเท่ากับ 0.19 อ่านค่าได้น้อยที่สุดเท่ากับ 0.03 ดังนั้น ค่าความเบี่ยงเบนของความราบที่ทำการตรวจสอบจะมีค่าเท่ากับ 0.16

สรุปผลการตรวจสอบ โดยค่าความเบี่ยงเบนของความราบของพื้นผิวนี้จะมีค่าเท่ากับ 0.16