עיבוד במהירויות גבוהות

1. מכללת אורט בראודה - כרמיאל עיבוד במהירויות גבוהות מגישים: נתן איסקייב אלכסיי קלימוב י"ג – בניית מכונות – תשס"א

2. מבוא ועקרונות יסוד המונח “עיבוד במהירויות גבוהות” אמור לייצג טכנולוגיה המאפשרת מעין “קפיצת מדרגה” בקצב הייצור בתהליכי עיבוד שבבי, תוך שמירת והעלאת איכות התהליך ורווחיות הייצור. הגדרת המושג “עיבוד במהירויות גבוהות”היא טכנית-כלכלית ויחסית. מבחינה טכנית מסכימים בדרך כלל כי מדובר בעיבוד במהירות חיתוך קווית גדולה פי 5 עד 10 מ”מהירויות מקובלות” בתחום עמקי שיבוב קטנים ובינוניים, בעומס שבב (קדמה לסיבוב בחריטה, קדמה לשן בכרסום) נמוך עד בינוני. מובן כי ההגדרה היחסית של התנאים יוצרת גבול שאינו חד-ערכי עבור תחום העיבוד ב”מהירות גבוהה” והוא תלוי בגורמים אחדים: א. חומרי העובד והכלי, הקובעים את תנאי השיבוב האפשריים וקצב הסרת החומר, באורך חיי הכלי נתון בתנאים בסיסיים (מערכת קשיחה, ללא הגבלת דיוק מידות ודרישות טיב פני שטח). ראה ציור 1 : ציור 1

3. ב. פעולת השיבוב, אופי כוחות השיבוב ומחזור העמסה התרמי . ומנגד ,תכונות מכניות של המערכת: עובד-מתקן דפינה-כלי-תפסנית-מכונה., הקובעות את תגובתה לערור של כוחות השיבוב, ושל האינרציה בתנועת הסרק. ג. דרישות הביצוע של פעולה: מידות וסיבולות, טיב פני שטח, סיבולות גיאומטריות וכו’. כל זה אמור בתחום הטכני. תחום זה משתלב בהיבט החשוב, כי העיבוד במהירות גבוהה הינו מטרה בפני עצמה. ניתן להציע הגדרה לתחום המהירות הגבוהה: זהו תחום אשר בו אנו חייבים להביא בחשבון תופעות אשר השפעתן ניתן היה להזניח בעיבוד קונבנציונלי. material ציור 2 Work-piece tools process machine tools

4. בציור 2 (בעמוד הקודם) נראים ההיבטים השונים של הטכנולוגיה המדוברת: כלי העיבוד, תכונות חומר העובד והטיפול בעובד, מכונת הכלים והאלמנטים המרכיבים אותה, ותהליך העיבוד בשלבים השונים. כל הנושאים חייבים להיות מטופלים ברמה נאותה כדי לאפשר עיבוד כלכלי בבצועים גבוהים. ניתן גם להציג זאת בצורה הפוכה: ההתפתחות המהירה והבו-זמנית בכל התחומים הללו מאפשרת התקדמות כה מהירה בקצב העיבוד תוך שמירת הרווחיות. עיבוד רציף בתנאים קבועים: בעבודות תיאורטיות וניסיוניות רבות נמצא, כי בעיבוד רציף (חריטה וקדיחה) בתנאים קבועים ובזמן (חומר עובד וכלי, מהירות חיתוך, קידמה, ועומק שיבוב), הרי שמכניזם יצירת השבב והחוקים השולטים בבעיה אינם משתנים עקרונית העיבוד במהירויות גבוהות. יחד עם זאת, בצירופי תנאים מיוחדים, תופעות שונות משפיעות בצורה חזקה יותר מאשר במהירויות בינוניות, כוחות השיבוב: זווית הגזירה ועיצוב השבב תלויים בעיקר בתכונות חומר העובד, בגיאומטרית הכלי, בעומס השבב , במקדמי חיכוך, ובמצב הכלי. יש ירידת מה בכוחות השיבוב עם עליית מהירות החיתוך, אך לא ירידה דרסטית. טמפרטורת אזור השיבוב:עולה עם המהירות ומהווה גורם מכריע בקביעת אורך חיי הכלי בציור 3 (ראה ציור זה בעמוד הבא). פיזור החום- נוטה יותר לכיוון השבב והכלי ופחות אל העובד, עקב התנועה המהירה. אורך חיי הכלי: במונחי זמן, יורד בצורה דרסטית. במונחי “מרחק חיתוך בחומר” (Cutting length) או “מספר מעברים”. משך חיי הכלי עשוי לעלות. צירוף גורמים אלו והשפעתם על תוצאות העיבוד מתוארים בציור 4.

5. ציור 3 ציור 4 בעיבוד רציף ,בשלב העיבוד הסופי, עומק השבב נמוך ממילא, ומופיעות דרישות מידות דיוק, דרישות גיאומטריות, ודרישות טיב פני שטח, המגבילות את הקידמה. השיפור העיקרי בשלב זה , הוא דרך שיפור הכלים (עלייה במהירות החיתוך), ובמידה מסוימת , על ידי שיפור גיאומטרית קצה הכלי. בשלב הסרת חומר ,השגת עלייה בקצב הייצור בצורה כלכלית טמונה בעיקר בשיפור חומרי הכלים וגיאמטריית הכלים ובמידה מוגבלת מאוד ,בחלוקה למעברים רבים בעומק שיבוב קטן. עיבוד מקוטע- פעולות כירסום: בפעולות כרסום המצב מסובך בהרבה, מכיוון שתהליך השיבוב הוא מקוטע, העומס המכני והתרמי הוא מחזורי אמנם ,אך משתנה בזמן במידה רבה, וכל שן נתונה בעומס רק חלק מזמן הסיבוב, בהתאם לעומק השיבוב הרדיאלי וזווית המגע (ראה ציור 5 ).

6. ציור 5 בעיבוד בצירוף התנאים הבאים (ראה ציור 6 -ימין ): עומק שיבוב קטן, מהירות חיתוך גבוה, קידמה לשן בינונית- הרי העלייה בטמפרטורת אזור השיבוב,עם עליית מהירות החיתוך מתמתנת בהרבה, שלא כמו בעיבוד רציף המתואר בציור 3. כתוצאה מכך , משך חיי- במונחי זמן חיתוך נטו- הכלי יורד רק במעט , ובמונחי מרחק תנועת הכלי, משך חיי הכלי עשוי אף לעלות. ציור 6

7. בציור 6 ימין אפקט זה נראה היטב בתוצאות הניסוי: בעומק עיבוד 4 מ”מ (זווית מגע כ-41 מ’) חתך החומר המוסר הוא כ-20000 מ”מ מרובע. בעומק עיבוד 2 מ”מ (זווית מגע כ-29 מ’) חתך החומר המוסר הוא כ-32000 מ”מ מרובע. בציור 6 שמאל נראית אותה תופעה ,ובנוסף ניתן לראות: שבכל עומק שיבוב קיים אופטימום לקידמה לשן (הקובעת את עובי השבב כוחות השיבוב) שמעליו אורך חיי הכלי יורד באופן דרסטי. מבחינת תהליך השיבוב ,הניגוד העיקרי הוא בין קצב הסרת החומר לבין אורך חיי הכלי. קיימת אפשרות להשגת קצב ייצור גבוה תוך שמירת הרווחיות ,על ידי ביצע העיבוד בצרוף התנאים הבאים: א) מהירות שיבוב גבוהה ככל האפשר- מביטה לעליית קצב העיבוד ,לירידת מה בכוחות העיבוד ,במחיר של ירידה באורך חיי הכלי. ב) עומק שבב קטן- מצמצם את הירידה בזמן אורך חיי הכלי. ג) קידמה- בינונית, בערכים אופטימליים ,שאותם יש לחפש בכל מקרה ספציפי. במקרים רבים, על ידי צירוף תנאים נאות ניתן להגיע לקצב ייצור גובה מאוד ,תוך הקטנת כוחות השיבוב, שמירת דיוק העובד, הימנעות מתופעות רעידות ,ושמירת אורך חיי הכלי כזה שהופך את העניין לכדאי, זאת כמובן בתנאי שיש בידינו המכונה וכלי השיבוב המתאימים.

8. תחומי יישום טכנולוגי: בטבלה 1 (בעמוד הבא) נראים יתרונות טכנולוגיית העיבוד במהירויות גבוהות, סוגי פעולות השיבוב ,וסוגי תעשיות אשר נהנים מהיתרונות כבר היום, וצפויים ליהנות יותר משיפור התהליך, במיוחד בכרסום אך גם בפעולות חריטה. טבלה 1

9. כלי השיבוב והתפיסה: חומרי כלים מפותחים במגוון רחב ביותר והם מהווים מפתח עיקרי לעלייה בתנאי עיבוד. נצביע בקצרה על מספר משפחות של חומרי כלים רלוונטיים: א. ציפויים רב שכבתיים לכלי מתק”ש מגוף מלא וכלים בעלי שימות חליפות , המבוצעים בטכניקות שונות. ב. חומרי מתק”ש בעלי גודל גרעין זעיר המשלבים קשיות ועמידה טובה בטמפרטורה עם קשיחות גבוהה ועמידה במכות. ג. מגוון חומרים קרמיים לעיבוד חומרי עובד ספציפיים במהירויות שיבוב של אלפי מטרים לדקה. ד. יש התעוררות מסוימת בתחום החומרים הקשים ביותר , המיוצרים כשכבה בעובי של כ- 0.5 מ”מ על מצע מתק” ש המולחם אל וגף הכלי. כלים אלו ,הגם שעמידתם גבוהה ביותר ,מתקשים לתפוס נצח בשוק עקב קשיי ייצור , מגבלות עיצוב הגיאומטריה, ולוגיסטיקה מסורבלת של השחזות חוזרות. עקב כך ניכר מאמץ לפיתוח ציפויי יהלום ובורון- ניטריד בעובי של מיקרונים שיענו על בעיות אלו. כלים מסחריים כאלו עדיין לא הופיעו בשוק. חידוש מעניין הוא ניסיון פיתוח של מקדחים משכבות היקפיות, המשתנות בתכונותיהן לאורך רדיוס המקדח, בהתאם לתנאים הקיימים בכל נקודה בציור 7. ציור 7

10. מבנה הכלים וכלי התפיסה: נעשים מאמצים לאופטימיזציה של גיאומטריית קצה הכלי, ושל נקודת מגע הכלי בעובד בעיקר על ידי הטיית הכלי או העובד בפעולות כרסום (ציור 8). בכלים סובבים בעלי לוחיות מתחלפות- נעשה תכנון מחדש לבטיחות ומניעת השתחררות לוחיות במהירות גבוהה. בכלים סובבים במהירויות גבוהות אין להזניח עוד את כפיפת הכלי. אי איזון סטטי ודינמי של הכלי עצמו, ושל התפסנית, ושגיאת התפיסה, יוצרים כוחות ,ועקב גמישות המערכת נוצרת כפיפה משמעותית, עד כדי מצב בלתי יציב. ציור 8 מאמץ ניכר מושקע בבפיתוח כלי תפיסה קשיחים ומאוזנים על בסיס תפסניות קפיציות הידראוליות, התכווצות אלסטית בציור 9 (בעמוד הבא) ואף התכווצות תרמית.

11. ציור 9 תכנון ואופטימיזציה של התהליך: בעיבוד סופי: (במיוחד בכרסום) עומק העיבוד קטן, כוחות השיבוב נמוכים , בעיית אורך החיים פחות חמורה, ישנן דרישות דיוק מידה וטיב שטח. במקרה זה ,אין מחלוקת בדבר הצורך במהירות חיתך ובקדמה גבוהות ככל האפשר. האופטימיזציה מתבטאת בתכנון מסלול לחיסכון בזמן ולהשגת מגע טוב כלי- עובד בציור 10 (בעמוד הבא) וכן בשינוי קידמה באזורים שונים, לפי בצועי המכונה והערכת כוחות שיבוב. ברוב המקרים, ניתן לבצע זאת באופן ידני על סמך ידע כללי בעיבוד שבבי ולהשיג תוצאות לא רעות. תוכנות התיב”ם הקיימות ,מאפשרות השוואת זמני עיבוד בין האפשרויות השונות שמציע המתכנן.

12. ציור 10 בעיבוד מוקדם להסרת חומר: תהליך האופטימיזציה הוא מורכב יותר , וכולל תכנון חלוקת המעברים ,תכנון מסלול ,מהירויות עיבוד, וקידמה.שיקולי אורך חיים וכוחות עיבוד הם יותר משמעותיים. במקרה זה לא תמיד יש יתרון לעיבוד במהירות גבוהה, וכל פעולת הייצור נידונה לגופה גורם מכריע הוא חומר העובד ותכונותיו, ויש צורך בבסיס מידע על כוחות והספקי עיבוד, ובמיוחד על משך חיי כלים. עבודות לאיסוף אינפורמציה זו ולפיתוח שיטות מתקדמות לשם כך, מתבצעות כל הזמן, ובמיוחד בעיבוד מתכות מיוחדות, קשות לעיבוד, או במצב קשיות גבוהה מכונות כלים: מבחינת המשתמש, ביצועי המכונה הם נתונים, והם ניתנים לשיקול רב בשלב רכישת מכונה , שהיא סודייה בפני עצמה. כמודגם בציור 2 (בעמודים בקודמים) כל מערכות המכונה הן מטרה למאמצי שיפור מהותי למען העלאת הביצועים.

13. הכוש: הכושים קונבנציונליים ,בעלי הנעה אינטגרלית ,ומיסבי כדוריים קרמיים שולטים בתחום בינתיים. הם מגיעים למהירות סיבוב של 60 אלף סל”ד ויותר, וקשיחות מספקת. משך חייהם מוגבל, אך החלפת כוש קלה ונוהל שיפוץ מאפשרים עבודה נאותה. הידע הרב קיים במסבים כדוריים ,והשיפור המתמיד במנועים. קיימים כושים ממוסבים הידראולית, בעלי ביצועים טכניים טובים הנתקלים, עם זאת, בקשיי שילוב במערכות ייצור ,יתרונותיהם העיקריים הם דיוק ,קשיחות, ואורך חיים הגדול. כושים בעלי מיסבים אלקטרומגנטיים החלו להופיע בשימוש במכונות כלים. יתרונותיהם רבים: קשיחות, דיוק ,אורך חיים, ואפשרות פיצוי שגיאה אקטיבי. ומגבלה לפי שעה היא המחיר, אך נראה כי העתיד שייך להם.מערכות הנעה: מערכות ההנעה הקונבנציונליות ,המבוססות על בורג מוליך ואום כדורי, עדיין שולטות בתחום. מכונות כלים חם הנעת גררות באמצעות מנועים ליניאריים מתחילות להופיע בצורה מסחרית ותעשייתית, ראה ציור 11 (בעמוד הבא) . מערכות אלו מגיעות למהירויות תנועה גבוהות, עד 80 m/min ותאוצות עד 25 m/sec2 . הבעיות הקשורות בהן, הן יצירת כמות חום גבוהה המחייבת טיפול בנושא השגיאות עקב התחממות ,ושילוב מערכות קירור מיוחדות. גם פיתוח חוגי בקרה לפיקוד על מערכות אלו עדיין רחוק משלמות. מבני מכונה: מופיעים מבני מכונה מיוחדים ,בציור 12 (בעמוד הבא), המשלבים קשיחות גבוהה עם דרגות חופש מרובות. מערכות בקרה: מתנהל מאמץ מתמיד להעלאת ביצועי בקרה בטכניקות שונות, להשגת השליטה בתנועות מורכבות, במהירות גבוהה, בדיוק הנדרש.

14. ציור 11 ציור 12

15. סוף