עיבוד שבבי מדויק הוא תהליך להסרת חומר מחומר עבודה במהלך גימורים בעלי סבילות צמודה. למכונה המדויקת יש סוגים רבים, כולל כרסום, חריטה ועיבוד שבבי באמצעות פריקה חשמלית. מכונה מדויקת כיום נשלטת בדרך כלל באמצעות בקרה מספרית ממוחשבת (CNC).
כמעט כל מוצרי המתכת משתמשים בעיבוד שבבי מדויק, כמו גם חומרים רבים אחרים כמו פלסטיק ועץ. מכונות אלו מופעלות על ידי מכונאים מומחים ומיומנים. על מנת שכלי החיתוך יעשה את עבודתו, יש להזיז אותו בכיוונים שצוינו כדי לבצע את החיתוך הנכון. תנועה ראשונית זו נקראת "מהירות חיתוך". ניתן גם להזיז את חומר העבודה, המכונה תנועה משנית של "הזנה". יחד, תנועות אלו וחדות כלי החיתוך מאפשרות למכונה המדויקת לפעול.
עיבוד שבבי מדויק איכותי דורש את היכולת לעקוב אחר שרטוטים ספציפיים ביותר שנעשו על ידי תוכנות CAD (תכנון בעזרת מחשב) או CAM (ייצור בעזרת מחשב) כמו AutoCAD ו-TurboCAD. התוכנה יכולה לסייע ביצירת דיאגרמות או קווי מתאר מורכבים ותלת-ממדיים הדרושים לייצור כלי, מכונה או אובייקט. יש להקפיד על שרטוטים אלה בפירוט רב כדי להבטיח שהמוצר ישמור על שלמותו. בעוד שרוב חברות העיבוד השבבי המדויק עובדות עם צורה כלשהי של תוכנות CAD/CAM, הן עדיין עובדות לעתים קרובות עם סקיצות מצוירות ביד בשלבים הראשוניים של התכנון.
עיבוד שבבי מדויק משמש על מספר חומרים, כולל פלדה, ברונזה, גרפיט, זכוכית ופלסטיק, אם למנות רק כמה. בהתאם לגודל הפרויקט ולחומרים בהם יש להשתמש, ייעשה שימוש בכלי עיבוד שבבי מדויקים שונים. ניתן להשתמש בכל שילוב של מחרטות, מכונות כרסום, מקדחות, מסורים ומטחנות, ואפילו רובוטיקה במהירות גבוהה. תעשיית התעופה והחלל עשויה להשתמש בעיבוד שבבי במהירות גבוהה, בעוד שתעשיית ייצור כלי עץ עשויה להשתמש בתהליכי איכול וכרסום פוטוכימיים. עיבוד שבבי של רצף, או כמות ספציפית של כל פריט מסוים, יכול להגיע לאלפים, או להיות רק בודדים. עיבוד שבבי מדויק דורש לעתים קרובות תכנות של מכשירי CNC, מה שאומר שהם מבוקרים מספרית על ידי מחשב. מכשיר ה-CNC מאפשר מעקב אחר מידות מדויקות לאורך כל תהליך העיבוד של המוצר.
כרסום הוא תהליך עיבוד שבבי של שימוש בחותכים סיבוביים להסרת חומר מחומר עבודה על ידי קידום (או הזנת) החותך לתוך חומר העבודה בכיוון מסוים. ניתן גם להחזיק את החותך בזווית יחסית לציר הכלי. כרסום מכסה מגוון רחב של פעולות ומכונות שונות, בקני מידה החל מחלקים בודדים קטנים ועד פעולות כרסום גדולות וכבדות. זהו אחד התהליכים הנפוצים ביותר לעיבוד שבבי של חלקים בהתאמה אישית לפי סבולות מדויקות.
ניתן לבצע כרסום באמצעות מגוון רחב של מכונות. המחלקה המקורית של מכונות לכרסום הייתה מכונת הכרסום (המכונה לעתים קרובות טחנה). לאחר הופעת הבקרה המספרית הממוחשבת (CNC), מכונות הכרסום התפתחו למרכזי עיבוד שבבי: מכונות כרסום שהוגברו על ידי מחליפי כלים אוטומטיים, מחסניות כלים או קרוסלות, יכולות CNC, מערכות קירור ומארזים. מרכזי כרסום מסווגים בדרך כלל כמרכזי עיבוד שבבי אנכיים (VMCs) או מרכזי עיבוד שבבי אופקיים (HMCs).
שילוב הכרסום בסביבות חריטה, ולהיפך, החל עם כלי עבודה חיים עבור מחרטות ושימוש מדי פעם בכרסומות לצורך פעולות חריטה. זה הוביל לסוג חדש של מכונות כלים, מכונות רב-משימות (MTM), אשר בנויות במיוחד כדי להקל על כרסום וחריטה באותה מעטפת עבודה.
עבור מהנדסי תכנון, צוותי מחקר ופיתוח ויצרנים התלויים באספקת חלקים, עיבוד שבבי מדויק באמצעות CNC מאפשר יצירת חלקים מורכבים ללא עיבוד נוסף. למעשה, עיבוד שבבי מדויק באמצעות CNC מאפשר לעתים קרובות ייצור חלקים מוגמרים במכונה אחת.
תהליך העיבוד השבבי מסיר חומר ומשתמש במגוון רחב של כלי חיתוך כדי ליצור את העיצוב הסופי, ולעתים קרובות מורכב ביותר, של החלק. רמת הדיוק משופרת באמצעות שימוש בבקרה נומרית ממוחשבת (CNC), המשמשת לאוטומציה של השליטה בכלי העיבוד השבבי.
תפקיד ה-"CNC" בעיבוד שבבי מדויק
באמצעות הוראות תכנות מקודדות, עיבוד שבבי CNC מדויק מאפשר חיתוך ועיצוב של חומר עבודה לפי מפרטים ללא התערבות ידנית של מפעיל המכונה.
מכונאי מומחה משתמש במודל תכנון בעזרת מחשב (CAD) שסופק על ידי לקוח, ומשתמש בתוכנת ייצור בעזרת מחשב (CAM) כדי ליצור את ההוראות לעיבוד החלק. בהתבסס על מודל ה-CAD, התוכנה קובעת אילו נתיבי כלים נדרשים ומייצרת את קוד התכנות שאומר למכונה:
■ מהם הסל"ד וקצבי ההזנה הנכונים
■ מתי והיכן להזיז את הכלי ו/או את חומר העבודה
■ כמה עמוק לחתוך
■ מתי למרוח נוזל קירור
■ כל גורם אחר הקשור למהירות, קצב הזנה וקואורדינציה
בקר CNC משתמש בקוד התכנות כדי לשלוט, להפוך את תנועות המכונה לאוטומטית ולנטר אותן.
כיום, CNC הוא מאפיין מובנה של מגוון רחב של ציוד, החל ממחרטות, כרסומים ונתבים ועד מכונות EDM (עיבוד שבבי פריקה חשמלית), לייזר ופלזמה. בנוסף לאוטומציה של תהליך העיבוד השבבי ושיפור הדיוק, CNC מבטל משימות ידניות ומשחרר את המכונאים לפקח על מספר מכונות הפועלות בו זמנית.
בנוסף, לאחר שתוכנן נתיב כלי ומכונה מתוכנתת, היא יכולה להריץ חלק מספר בלתי מוגבל של פעמים. זה מספק רמת דיוק וחזרה גבוהה, מה שהופך את התהליך לחסכוני וניתן להרחבה.
חומרים שעוברים עיבוד שבבי
חלק מהמתכות הנפוצות לעיבוד כוללות אלומיניום, פליז, ברונזה, נחושת, פלדה, טיטניום ואבץ. בנוסף, ניתן לעבד גם עץ, קצף, פיברגלס ופלסטיק כמו פוליפרופילן.
למעשה, כמעט כל חומר ניתן להשתמש בו עם עיבוד שבבי CNC מדויק - כמובן, בהתאם ליישום ולדרישותיו.
כמה יתרונות של עיבוד שבבי CNC מדויק
עבור רבים מהחלקים והרכיבים הקטנים המשמשים במגוון רחב של מוצרים מיוצרים, עיבוד שבבי CNC מדויק הוא לעתים קרובות שיטת הייצור המועדפת.
כפי שקורה כמעט בכל שיטות החיתוך והעיבוד השבבי, חומרים שונים מתנהגים בצורה שונה, וגם לגודל ולצורה של רכיב יש השפעה גדולה על התהליך. עם זאת, באופן כללי, תהליך עיבוד שבבי מדויק של CNC מציע יתרונות על פני שיטות עיבוד שבבי אחרות.
הסיבה לכך היא שעיבוד שבבי CNC מסוגל לספק:
■ רמה גבוהה של מורכבות חלקים
■ סבולות מצומצמות, הנעות בדרך כלל בין ±0.0002 אינץ' (±0.00508 מ"מ) ל- ±0.0005 אינץ' (±0.0127 מ"מ)
■ גימורי משטח חלקים במיוחד, כולל גימורים בהתאמה אישית
■ חזרתיות, אפילו בנפחים גבוהים
בעוד שמכונאי מיומן יכול להשתמש במחרטה ידנית כדי לייצר חלק איכותי בכמויות של 10 או 100, מה קורה כשצריך 1,000 חלקים? 10,000 חלקים? 100,000 או מיליון חלקים?
בעזרת עיבוד שבבי CNC מדויק, ניתן להשיג את המדרגיות והמהירות הדרושות לסוג זה של ייצור בנפח גבוה. בנוסף, החזרתיות הגבוהה של עיבוד שבבי CNC מדויק מעניקה לכם חלקים זהים מתחילתו ועד סופו, לא משנה כמה חלקים אתם מייצרים.
ישנן כמה שיטות מיוחדות מאוד של עיבוד שבבי CNC, כולל עיבוד שבבי באמצעות חוט (Electrical Discharge Machinery), עיבוד שבבי באמצעות תוסף (Additive Machinery) והדפסת לייזר תלת-ממדית. לדוגמה, עיבוד שבבי באמצעות חוט משתמש בחומרים מוליכים - בדרך כלל מתכות - ובפריקות חשמליות כדי לשחוק חומר עבודה לצורות מורכבות.
עם זאת, כאן נתמקד בתהליכי הכרסום והחריטה - שתי שיטות חיסור הזמינות באופן נרחב ומשמשות לעתים קרובות לעיבוד שבבי CNC מדויק.
כרסום לעומת חריטה
כרסום הוא תהליך עיבוד שבבי המשתמש בכלי חיתוך גלילי מסתובב כדי להסיר חומר וליצור צורות. ציוד כרסום, המכונה טחנה או מרכז עיבוד שבבי, מבצע מגוון רחב של גיאומטריות מורכבות של חלקים על כמה מהעצמים הגדולים ביותר של מתכת מעובדת.
מאפיין חשוב של כרסום הוא שחומר העבודה נשאר נייח בעוד שכלי החיתוך מסתובב. במילים אחרות, בכרסום, כלי החיתוך המסתובב נע סביב חומר העבודה, אשר נשאר קבוע במקומו על גבי משטח.
חריטה היא תהליך של חיתוך או עיצוב חומר עבודה על ציוד הנקרא מחרטה. בדרך כלל, המחרטה מסובבת את חומר העבודה על ציר אנכי או אופקי בעוד שכלי חיתוך קבוע (שיכול להסתובב או לא להסתובב) נע לאורך הציר המתוכנת.
הכלי אינו יכול להקיף פיזית את החלק. החומר מסתובב, מה שמאפשר לכלי לבצע את הפעולות המתוכנתות. (ישנה תת-קבוצה של מחרטות שבהן הכלים מסתובבים סביב חוט המוזן על ידי סליל, אך זו אינה מכוסה כאן.)
בחריטה, בניגוד לכרסום, חומר העבודה מסתובב. חומר החלק מסתובב על ציר המחרטה וכלי החיתוך בא במגע עם חומר העבודה.
עיבוד ידני לעומת עיבוד שבבי CNC
בעוד שמכונות חריטה ומחרטות זמינות גם בדגמים ידניים, מכונות CNC מתאימות יותר למטרות ייצור חלקים קטנים - הן מציעות יכולת הרחבה וחזרה עבור יישומים הדורשים ייצור בנפח גבוה של חלקים בעלי סבילות צמודה.
בנוסף למכונות פשוטות בעלות שני צירים, בהן הכלי נע בצירי X ו-Z, ציוד CNC מדויק כולל דגמים מרובי צירים, בהם גם חומר העבודה יכול לנוע. זאת בניגוד למחרטה שבה חומר העבודה מוגבל לסיבוב והכלים ינועו כדי ליצור את הגיאומטריה הרצויה.
תצורות מרובות צירים אלו מאפשרות ייצור של גיאומטריות מורכבות יותר בפעולה אחת, מבלי לדרוש עבודה נוספת מצד מפעיל המכונה. זה לא רק מקל על ייצור חלקים מורכבים, אלא גם מפחית או מבטל את הסיכוי לטעות המפעיל.
בנוסף, השימוש בנוזל קירור בלחץ גבוה עם עיבוד שבבי CNC מדויק מבטיח ששבבים לא ייכנסו למפעל, גם בעת שימוש במכונה עם ציר אנכי.
כרסומי CNC
מכונות כרסום שונות נבדלות בגדלים שלהן, תצורות הצירים, קצב ההזנה, מהירות החיתוך, כיוון הזנת הכרסום ומאפיינים אחרים.
עם זאת, באופן כללי, כל מכונות CNC משתמשות בציר מסתובב כדי לחתוך חומר לא רצוי. הן משמשות לחיתוך מתכות קשות כמו פלדה וטיטניום, אך ניתן להשתמש בהן גם עם חומרים כמו פלסטיק ואלומיניום.
כרסומי CNC בנויות לחזרתיות וניתן להשתמש בהם לכל דבר, החל מבניית אב טיפוס ועד לייצור בנפח גבוה. כרסומי CNC מדויקים במיוחד משמשים לעתים קרובות לעבודות עם סבילות צמודות כגון כרסום תבניות ותבניות עדינות.
בעוד שכרסום CNC יכול לספק אספקה מהירה, גימור כמו-כרסום יוצר חלקים עם סימני כלי גלויים. הוא עשוי גם לייצר חלקים עם קצוות חדים וקצוות חרוטים, כך שייתכן שיידרשו תהליכים נוספים אם הקצוות והקצוות אינם מקובלים עבור מאפיינים אלה.
כמובן, כלי הסרת שבבים המתוכנתים ברצף יסירו שבבים, אם כי בדרך כלל משיגים לכל היותר 90% מהדרישה הסופית, ומשאירים חלק מהמאפיינים לגימור ידני סופי.
באשר לגימור פני השטח, ישנם כלים שייצרו לא רק גימור פני שטח מקובל, אלא גם גימור דמוי מראה על חלקים מתוצר העבודה.
סוגי כרסומי CNC
שני הסוגים הבסיסיים של מכונות כרסום ידועים כמרכזי עיבוד אנכיים ומרכזי עיבוד אופקיים, כאשר ההבדל העיקרי הוא בכיוון ציר המכונה.
מרכז עיבוד אנכי הוא כרסם שבו ציר הציר מיושר בכיוון ציר Z. ניתן לחלק את המכונות האנכיות הללו לשני סוגים נוספים:
■טחנות מיטה, שבהן הציר נע במקביל לציר שלו בעוד שהשולחן נע בניצב לציר הציר
■מכונות חיתוך בצריח, שבהן הציר נייח והשולחן זז כך שיהיה תמיד ניצב ומקביל לציר הציר במהלך פעולת החיתוך
במרכז עיבוד שבבי אופקי, ציר הציר של המכונה מיושר בכיוון ציר ה-Y. המבנה האופקי פירושו שמכונות אלו נוטות לתפוס יותר מקום בסדנת המכונות; הן גם בדרך כלל כבדות יותר במשקלן וחזקות יותר ממכונות אנכיות.
כרסם אופקי משמש לעתים קרובות כאשר נדרש גימור פני שטח טוב יותר; הסיבה לכך היא שכיוון הציר גורם לשבבי החיתוך ליפול באופן טבעי וניתנים להסרה בקלות. (כיתרון נוסף, הסרת שבבים יעילה מסייעת להאריך את חיי הכלי.)
באופן כללי, מרכזי עיבוד אנכיים נפוצים יותר מכיוון שהם יכולים להיות חזקים כמו מרכזי עיבוד אופקיים ויכולים להתמודד עם חלקים קטנים מאוד. בנוסף, למרכזים אנכיים יש טביעת רגל קטנה יותר מאשר למרכזי עיבוד אופקיים.
כרסומי CNC מרובי צירים
מרכזי כרסום CNC מדויקים זמינים עם צירים מרובים. כרסום בעל 3 צירים משתמש בצירי X, Y ו-Z למגוון רחב של עבודות. עם כרסום בעל 4 צירים, המכונה יכולה להסתובב על ציר אנכי ואופקי ולהזיז את חומר העבודה כדי לאפשר עיבוד רציף יותר.
למכבש בעל 5 צירים שלושה צירים מסורתיים ושני צירים סיבוביים נוספים, המאפשרים סיבוב של חומר העבודה כאשר ראש הציר נע סביבו. זה מאפשר לעבד חמישה צדדים של חומר העבודה מבלי להסיר את חומר העבודה ולאפס את המכונה.
מחרטות CNC
מחרטה - המכונה גם מרכז מפנה - כוללת ציר אחד או יותר, וצירי X ו-Z. המכונה משמשת לסיבוב חומר עבודה על צירו כדי לבצע פעולות חיתוך ועיצוב שונות, תוך שימוש במגוון רחב של כלים על חומר העבודה.
מחרטות CNC, הנקראות גם מחרטות חיתוך עם פעולה חיה, אידיאליות ליצירת חלקים גליליים או כדוריים סימטריים. בדומה למכונות חיתוך CNC, מחרטות CNC יכולות להתמודד עם פעולות קטנות יותר כמו יצירת אב טיפוס, אך ניתן גם להגדירן לחזרתיות גבוהה, התומכות בייצור בנפח גבוה.
ניתן גם להגדיר מחרטות CNC לייצור יחסית ללא שימוש בידיים, מה שהופך אותן לשימוש נרחב בתעשיות הרכב, האלקטרוניקה, התעופה והחלל, הרובוטיקה והמכשור הרפואי.
איך עובדת מחרטת CNC
בעזרת מחרטת CNC, מוט ריק של חומר מלא נטען לתוך הצ'אק של ציר המחרטה. צ'אק זה מחזיק את חומר העבודה במקומו בזמן שהציר מסתובב. כאשר הציר מגיע למהירות הנדרשת, כלי חיתוך נייח מובא במגע עם חומר העבודה כדי להסיר חומר ולהשיג את הגיאומטריה הנכונה.
מחרטת CNC יכולה לבצע מספר פעולות, כגון קידוח, הברגה, קידוח, חריטה, חיתוך שטחי וחריטה מחודדת. פעולות שונות דורשות החלפת כלים ויכולות להגדיל את העלות ואת זמן ההקמה.
לאחר השלמת כל פעולות העיבוד הנדרשות, החלק נחתך מהחומר לעיבוד נוסף, במידת הצורך. מחרטת ה-CNC מוכנה לאחר מכן לחזור על הפעולה, כאשר בדרך כלל נדרש זמן התקנה נוסף מועט, אם בכלל, בין לבין.
מחרטות CNC יכולות גם להכיל מגוון של מזיני מוטות אוטומטיים, מה שמפחית את כמות הטיפול הידני בחומרי גלם ומספק יתרונות כגון:
■ הפחתת הזמן והמאמץ הנדרשים ממפעיל המכונה
■ תמוך במוט כדי להפחית רעידות שעלולות להשפיע לרעה על הדיוק
■ אפשרו למכונה לפעול במהירויות ציר אופטימליות
■ צמצום זמני המעבר
■ צמצום בזבוז חומרים
סוגי מחרטות CNC
ישנם מספר סוגים שונים של מחרטות, אך הנפוצות ביותר הן מחרטות CNC בעלות 2 צירים ומחרטות אוטומטיות בסגנון סין.
רוב מחרטות ה-CNC הסיניות משתמשות בציר ראשי אחד או שניים בתוספת ציר אחורי אחד או שניים (או משני), כאשר העברה סיבובית אחראית לראשון. הציר הראשי מבצע את פעולת העיבוד העיקרית, בעזרת תותב מנחה.
בנוסף, חלק מהמחרטות בסגנון סין מגיעות מצוידות בראש כלי שני הפועל כמקדחת CNC.
עם מחרטה אוטומטית CNC בסגנון סין, חומר הגלם מוזן דרך ציר בעל ראש הזזה לתוך תותב מוביל. זה מאפשר לכלי לחתוך את החומר קרוב יותר לנקודה שבה החומר נתמך, מה שהופך את מכונת החרסינה למועילה במיוחד עבור חלקים ארוכים ודקים מחוררים ולמיקרו-עיבוד שבבי.
מרכזי חריטה CNC מרובי צירים ומחרטות בסגנון סין יכולים לבצע פעולות עיבוד מרובות באמצעות מכונה אחת. זה הופך אותם לאופציה חסכונית עבור גיאומטריות מורכבות שאחרת היו דורשות מכונות מרובות או החלפת כלים באמצעות ציוד כגון כרסום CNC מסורתי.