תכנון הייצור

אנחנו לא נוכל להפוך מומחים בכל אחד מתהליכי הייצור המעניינים הללו. בספר זה לא נעסוק כלל בתהליכי חיבור, וגם לא בתהליכים שכוללים הוספת חומר ובתהליכי עיבוד בלתי שבבי. בפורטל חומרי הלימוד, בלשונית ספרי לימוד, תמצאו הפניות לספרי לימוד בתחום של עיבוד בלתי שבבי, ריתוך וכן ספר חדש הדפסה תלת-מימדית.

בפרק זה נתמקד בפרק זה בתהליכי הסרת חומר ובמיוחד בתהליכי כרסום, חריטה, וקידוח.

כלומר, שכאשר מתכננים מערכת, נדרש להתייחס למגוון רחב מאוד של היבטים כפי שהתחלנו לפרט בפרק א. כעת אנחנו מבינים שכבר בשלב התכנון רצוי שנחשוב על אפשרויות הייצור שלנו. הכרה של תהליכי ייצור עשויה להשפיע גם על תכנון החלק בשלב המידול (CAD) ובוודאי שתשפיע על שלב הייצור עצמו (פרק ד).

תהליכי הסרת חומר - עיבוד שבבי

תהליכי הסרת חומר באמצעות עיבוד שבבי מתחלקים למספר סוגים עיקריים:

הברזה – התאמת קדח מכין לתבריג פנימי המאפשר להבריג ברגים.

קידוד – התאמת קדח לטיב פני שטח מעולה במיוחד המתאים להרכבת חלקים באפיצות מדחק.

השחזה – עיבוד גמר שמביא את פני חומר הגלם לטיב פני שטח מעולה (חלק מאוד).

תהליך הכרסום

תהליכי עיקריים המתבצעים בכרסומת

קיימים ארבעה תהליכי עיבוד עיקריים:

תהליכי עיבוד בכירסום

כירסום מצח - Face Milling

כירסום היקף - Contour Milling

כירסום כיס - Pocket Milling

כירסום חריץ - Slot Milling

כירסום פאזה - Chamfer Milling

כירסום פינה - Fillet Milling

קידוח - Drilling

קידוח רצף של קדחי מירכוז

כלי עיבוד

קיים מבחר עשיר ביותר של כלי עיבוד הניתנים לשימוש בכרסומת (Milling Machine), אנחנו נציג כאן את השימושיים ביותר:

כרסומי אצבע – כרסומי קצה: כרסומים שיש להם 2 או 4 להבי חיתוך.

2. כרסום מצח (Face Mill)

בכרסומי מצח מוקנות שימות שניתן להחליפן כאשר הן בלויות (מהמילה בלייה, שחיקה). לכרסומים אלו יש עד 8 להבי (שימות) חיתוך.

כרסומי מצח מסוגלים להוריד שכבות חומר בעומקי עיבוד גדולים (שבב גדול יותר) במהירויות עיבוד גבוהות יותר מאשר כרסומים אחרים.

עומק העיבוד (ציר z), תנועת הצירים x ו/או y ומהירות הסיבוב של הכוש משפיעים על טיב השטח. ככל שמהירות צירי x ו/או y גבוהה יותר העיבוד גס יותר. ככל שעומק העיבוד גדול יותר טיב פני השטח המתקבל גס יותר. טיב פני השטח הוא המינוח המקובל למידת החלקות (עד כמה השטח חלק). ניתן לקבל טיב פני שטח מעולה עד כדי כך שעומק החריצים המזעריים שהתקבלו בעיבוד הוא קטן ממיקרון (אלפית המילימטר).

3. כלי עיבוד פינה (Corner Rounding tools)

כרסומים אלו משמשים לעיבוד פינות (Fillet) בפינות החיצוניות של החלק.

4. כלי עיבוד לכיסים וחריצים (Pockets & Slots)

להלן תמונה של שלושת הכרסומים הנפוצים:

תהליך הקידוח

5. כלי קידוח (Drill)

קיימים מספר סוגי מקדחים, נתמקד כאן במקדחי מרכוז ובמקדחים "רגילים" (מקדחי פיתול)

מקדחי מירכוז:

מקדחי פיתול: יש להם תעלה המתפתלת לאורך קנה הבורג כדי לפנות את השבבים שנוצרים מקידוח עומק).

טבלה 3.1: תנאי שיבוב בקידוח במקדחי H.S.S.

המעבר מקידמה לסיבוב לקדמה במ"מ היא לפי הנוסחה הבאה: f = f_rev × n

6. מברזים (Tap)

בעת ביצוע פעולת הברזה, באמצעות מברז ידני, יש להקפיד שציר המברז נמצא ב-90 מעלות לפני החלק. מומלץ להשתמש בשמן על המברז. כאשר מבצעים את פעולת ההברזה מפעילים מומנט פיתול על קנה המברז. כדי לא לגרום לכניעה של חומר הקנה של המברז יש לסובב בכיוון הפוך לכיוון ההברזה מידי פעם (בערך כל שני סיבובי הברזה).

כדי להשתמש במברז חייבים לקדוח קדח מכין. להלן טבלה (חלקית) של מידות לקדחים המתאימים להברזה לפי תקן מטרי.

7. מקדד (Reamer)

במקדד משתמשים כדי להפוך קדח, שנקדח על-ידי מקדח פיתול, למדויק מאוד ובעל טיב פני שטח מעולה.

אחד השימושים הנפוצים במקדד הוא ליצור קדח כל-כך מדויק שניתן יהיה להכניס אליו בלחץ מיסב (Bearing). כך המיסב יושב בתוך הקדח מבלי יכולת לזוז. הגל (הציר) שממוקם בתוך המיסב נע בחופשיות. על התאמה (Fit) בין חלקים נרחיב את הדיבור בהמשך.

היסודות של כלי עיבוד

כיוון הסיבוב:

כל הכלים המותקנים בכרסומת מסתובבים בכיוון השעון.

היווצרות שבבים:

כלי חיתוך מסירים שבבי חומר באמצעות גזירת פיסות קטנות של חומר הנקראים שבבים. למשל בחיתוך עץ לשבבים קוראים נסורת (אותה ניתן למחזר לצרכים שונים).

עומס השבב (Chip Load)

עובי השבב הנגזר מהחומר על-ידי כל להב (או שן) של הכרסום נקרא גם קידמה לשן. השבב שעף (או נופל) בעת העיבוד נושא עימו חלק מהחום שנוצר כתוצאה מהחיכוך הגדול שיש בין כלי העיבוד לחומר הגלם המעובד. זהירות: השבבים יכולים להיות חמים מאוד. זאת הסיבה שבכרסומות CNC ולעיתים גם כרסומות רגילות משתמשים בנוזל קירור.

בהמשך הפרק נראה כיצד ניתן לחשב את מהירות העיבוד והקידמה. אנשי ייצור מנוסים הם "אמנים" (Masters). הם יכולים לקבוע את מהירות העיבוד והקידמה רק לפי הגודל, הצורה והצבע של השבבים.

בכרסומות CNC משתמשים בשיטה שנקראת כרסום עולה (Climb Milling), כלומר נכנסים לעיבוד ראשוני עם עומק שבב מקסימלי שמותר ולעת לאט מקטינים את עומק השבב כדי לקבל טיב פני שטח טוב יותר.

בכרסומות ידניות משתמשים בשיטה הקונבנציונלית בה נכנסים עם עומק שבב קטן ובכל מחזור מעמיקים את השבב.

הנוסחאות של מהירויות חיתוך וקידמה

מהירות הסיבוב של כוש הכרסומת (גם המחרטה) מוגדר בסיבובים לדקה (מהירות סיבובית) ואילו הקדמה מוגדרת כמילימטרים לדקה (מהירות קווית). קביעת המהירות בכרסום או חריטה במכונות CNC היא הרבה יותר קריטית, משום שבעיבוד קונבנציונלי המפעיל יכול לחוש את החומר, לראות את השבבים ולהתאים בקלות את מהירויות העיבור (סיבוב וקידמה).

מקור המידע הטוב ביותר הוא כמובן יצרני הכלים שקובעים את המהירויות המומלצות. מקור נוסף של מידע קיים בתוך המאגרים של תוכנות ה- CAD-CAM. כפי שכבר הזכרתי הופכים כבר כיום לתכנה אחת שנקראת תיב"מ: תכנון ייצור בעזרת מחשב.

אז מדוע צריך ללמוד את הנוסחאות? כי הנוסחאות פעמים רבות מלמדות אותנו על הגורמים המעורבים בתהליך.

קידמה ומהירות סיבוב

קוטר הכלי מסומן באות d ותנועת המשטח המעובד יחסית לכרסום מסומנת באות v.

חישוב מהירות חיתוך בכירסום: v = n × f_z × z

למדנו שתנועה סיבובית קשורה לתנועה קווית: f = π ∙ D ∙ n ולכן:

בכירסום מתייחסים לקידמה כאל תנועת חומר הגלם יחסית לכלי העיבוד:

SFM: Surface Feet per Minute, בטבלה 3.2 עמודה זו היא עמודת היצרן ויתר העמודות מחושבות.

להלן טבלת מהירויות עיבוד לכירסום מצח, שמחשבת את מהירות סיבוב הכרסום (r.p.m.) כתלות בקידמה (מטר/דקה) וקוטר הכרסום (מ"מ), עבור חומרי גלם נפוצים:

טבלה 3.2: מהירות סיבוב הכרסום כתלות בקידמה ובקוטר הכרסום:

דוגמא 1:

חשב את מהירות החיתוך הסיבובית של כרסום HSS בקוטר 12 מ"מ הדרושה לכירסום אלומיניום.

כוחות והספקים בכרסום

כלל החוקים לגבי בחירת הכלי לשיבוב על אותם חומרים.

חישוב מהירות סיבוב הכרסום

מהלך עבודה וחישוב זמן עיבוד ישיר

היחס בין רכיבי כוח השיבוב תלויים בגאומטריה של כל כלי וכלי. ברוב המקרים היחסים הממוצעים מתקיים: P_Y=0.35∙P_{Z השיניים של השיפוע זווית}P_X=P_Z∙tanϕ

טבלת 3.3: ערכים עבור v_c [m/min] ו- f_T [mm] לכרסום מתק"ש.

טבלת 3.4: הגדלת קידמה מומלצת לשן f_Tooth בכירסום חריצים כתלות בעומק החיתוך a

טבלת 3.5: נתוני שיבוב לכרסומי H.S.S.:

חישוב הכוח המשיקי

טבלה 3.6: התנגדות סגולית לשיבוב בכירסום לקידמה 0.2 [mm/tooth]

דיאגרמת התנגדות סגולית לפי מקדם תיקון C

הספק בכרסום

חישוב ההספק

קצב התקדמות השולחן

במכונת הכרסום חומר הגלם מהודק למלחציים הממוקמות על גבי שולחן המכונה והוא מזין את החומר לכלי העבודה.

לכן כחלק מפעולת המכונה עליינו להתחשב בקצב התקדמות השולחן.

תרגילים בחישובי כירסום:

שאלה 1, אביב תשע"ח.

באיור לשאלה זו משורטט חלק העזוי פלדה. מאמץ השבר של הפלדה הוא: s_B=1000MPa. והצפיפות של הפלדה היא 7.8 ג"ר לסמ"ק. יש לייצר את החלק הסדרות. בכל סידרה 100 יחידות, מחומר גלם בעל חתך עגול שאורכו 115 מ"מ וקוטרו 45 מ"מ.

א. היעזר בטבלה 3.5 וקבע לצורך כירסום המשטח הישר את הערכים הבאים: מהירות חיתוך, קידמה לשן והיגש.

ב. חשב את הקידמה לסיבוב, f, בהתחשב בכך שהכירסום יתבצע באמצעות כרסום אצבע בעל ארבע שיניים העשוי מפלדת H.S.S.. רשום את הערכים שקבעת ואת הערך שחישבת.

טבלה 3.7 תנאי שיבוב בכירסום עם כרסומים שהקנה שלהם עשוי מ- H.S.S.

טבלה 3.8 תנאי שיבוב בכירסום עם כרסומי מתק"ש