מעבדת עיבוד שבבי 1.סוגי עיבוד שבבי והגדרות

Transcript

1 מעבדת עיבוד שבבי 1.סוגי עיבוד שבבי והגדרות העיבוד השבבי הינו צורת עיבוד חומרי גלם לצורתם הסופית. בעיבוד שבבי, שלא כמו בעיצוב פלסטי, הקניית הצורה מתבצעת ע"י הסרה מוחלטת של חומר משטחים נתונים ע"ג העובד. למרות אופיו הבזבזני, כביכול, תהליך זה היינו הנפוץ ביותר והפשוט ביותר להקניית צורה סופית, באיכות טיב שטח טובה, בדיוק רב וגיאומטריות מורכבות. למעשה, קרוב ל- 80% מהמוצרים עוברים, בשלב זה או אחר, צורה מסוימת של עיבוד שבבי (כמעט כל עיצוב פלסטי מחייב הסרת חומר להשלמת העיצוב). העיבוד השבבי לרוב יהווה תהליך מסדר שני לאחר עיבוד פלסטי או יציקה. קיימים סוגים רבים של עיבוד שבבי הנבדלים באופן החיתוך (מכאני, לייזר וכו'), גיאומטריית העובד (גלילי או אחר), סוג העיבוד הנדרש (קדח, שגם וכו') ומספר רב של פרמטרים שונים. במעבדה זו נסקור 3 שיטות עיקריות המהוות את הבסיס לכל שאר הטכניקות: כרסום, חריטה וקידוח. כרסום (Milling) יצרת פני שטח חדשים ע"י יצירת שבבים והסרתם, באמצעות הזנת חומר גלם לסכין חיתוך מסתובבת בניצב לציר הסיבוב. לעיתים חומר הגלם מעוגן וסכין החיתוך מבצעת תנועה יחסית אליו. איור :1 milling Tool-work relationships in peripheral and face

2 חריטה (Turning) הסרת שבבים מחומר גלם בעל חתך קוני, המסתובב במהירות גבוהה ומוזן אנכית לתוך סכין קבוע. איור :2 turning Tool-work relationships in קידוח (Drilling) יצירת חור ע"י הנעת סכין המסתובבת במהירות גבוהה לתוך חומר גלם הנמצא בניצב לכין. הסכין הינה לרוב בעלת 2 להבים לפחות. איור :3 lengths Effects of improper drill grinding: (left)angles of the two lips are different; (right) of the lips are not equal 2. המכניקה של העיבוד השבבי

3 במודל פשוט של חיתוך בניצב (שיבוב דו מימדי) ע"י כלי חיתוך בעל נק' אחת ניתן לתאר את אופן יצירת השבב והפרמטרים העיקריים המשפיעים עליו. Schematic of some common machining operations. (a) Turning on a lathe; (b) borimg; (c) shaping; (d) slab milling איור 4: שבב הינו תוצר של דפורמציה גזירה מקומית היוצרת כשלון וניתוק של השבב מהעובד (חומר הגלם) לאחר המגע עם הסכין. התנועה היחסית בין העובד ובין הסכין במהלך התהליך יוצרת דחיסה של חומר באזור הסכין לאחריה גזירה מקומית. מעוות הגזירה מתרחש לאורך מישור מוגדר, מישור הגזירה, המשתרע מקצה כלי החיתוך ועד לפני שטח העובד. בתמונה להלן נין לראות כי כלי חיתוך המתקדם במהירות V ובעל זווית כניסה α (הזוית שבין הסכין לבין האנך למישור העובד), יוצר כוח דחיסה בכיוון התקדמותו וגורם לגזירה לאורך מישור AO ובזוית Ф הנקראת זווית הגזירה. בכך הופך חומר גלם בעל עובי t c המחליק לאורך כלי החיתוך. התקדמות הגזירה הינה אנלוגית לחפיסת קלפים פרוסה: בכל פעם נגזר מישור אחד ונערך מעט מעל המישור הבא אחריו ובמהלך ההתקדמות נוצר חפיפה בין המישורים בדומה לערימת קלפים. איור 5: מאמץ גזירה ממוצע בעיבוד שבבי. לצורה זו של הסרת חומר יש משמעויות רבות:

4 מאמץ הגזירה בתהליך נדרש להיות גבוה מחוזק החומר בנק' המגע. לפיכך, תהליך זה יוצר עומס רב גם על העובד וגם על כלי החיתוך. הגזירה וההפרדה של השבבים התהליך יוצר עיוות של פני שטח העובד עובדה אותה יש לקחת בחשבון יוצרים פני שטח גבשושיים יחסית, ביישומים טכנולוגיים שונים. עקב אנרגיות ההפרדה וחלקו (75%) רובו במהלך התהליך נוצר חום רב, (25%) כתוצאה מחיכוך. חום זה עשוי לגרום להתכת השבב, פגיעה בתכונות העובד ופגיעה בכלי החיתוך. 3. גורמים המשפיעים על תהליך השיבוב 3.1 תנאי השיבוב קיימים מספר פרמטרים בסיסיים שהם בעלי השפעה כמעט בכל תהליכי העיבוד השבבי: צורת הסכין ומיקומו, מהירות חיתוך, עומק החתך והיגש (feed). איור :6 motion Work-Tool מהירות חיתוך Speed) (Cutting המהירות היחסית שבין הסכין והעובד. הואיל והמהירות יחסית אין חשיבות למי מבצע את התנועה. יבוטא ביחידות של מרחק לשניה (sps). עומק חיתוך Cut) (Depth of העומק שבו קצה כלי החיתוך הבא במגע עם העובד (יחידות מרחק). היגש (Feed) גודל לינארי אשר בנוסף לעומק המגדיר את שטח החיתוך, כפועל יוצא ממרווח כלי החיתוך. בכל צורת שיבוב גודל זה יווצר בצורה שונה, אך בכל השיטות גודל זה מציין את כמות החיתוך המבוצעת במעבר סכין אחד (יחידות של מרחק /מעבר סכין).

5 שכלי החיתוך עובר בכיוון המקביל לציר (מ"מ) ההיגש שווה למרחק בחריטה, 0.8 ההיגש בציור שווה ל- במשך סיבוב אחד של העובד. הסיבוב של העובד, מ"מ/סיבוב. שכלי החיתוך עובר בכיוון המקביל לציר (מ"מ) ההיגש שווה למרחק בקידוח, הסיבוב של המקדח, במשך סיבוב אחד של המקדח. במעבר בין שן אחת לשנייה של כלי - התקדמות העובד למרחק (מ"מ) בכרסום החיתוך. איור 7: חריטה בהיגש של 0.8 מ"מ. השילוב של עומק החיתוך וההיגש יוצרים את שטח החיתוך הקשור באופן ישיר ובסדר ראשון לכוח הנדרש לחיתוך. עבור כלי חיתוך בודד, הכפלת השטח במהירות יקבע את קצב הסרת נפח של חומר לשניה. עבור שטח נתון, יחס גדול בין העומק וההיגד נותן יעילות גבוהה יותר של תהליך החיתוך ומתאפיין בגימור גבוה הואיל וסימני ההיגש צפופים יותר. למהירות החיתוך ישנה השפעה קטנה יחסית על כוחות השיבוב, אך ישנה השפעה מכרעת על אורך חיי כלי החיתוך. זווית החיתוך המושקעים. Angle) (Rake קובעת הן את כמות החומר המוסר והן את הכוחות כפי שניתן לראות בתמונה, שינוי הזוית בשילוב היגש גבוה יותר יצרו כמות חומר מוסרת גבוהה יותר למעבר אחד, אולם בשל הגדלת החלק בסכין היוצר את החיתוך וההספק הנדרש הוא גבוהה יותר.

6 איור 8: השינוי בעובי השבב עם זווית ה cutting-edge 4. בחירת חומרים כלי חיתוך בחירה נבונה של סכיני החיתוך הינה אחד הגורמים למיצוי פוטנציאל השיבוב כמעט בכל היבט. כלי החיתוך נבדלים מהחומרים שמהם הם יוצרו, כל סכין ושימושיה. להלן מספר עקרונות מנחים לבחירת כלים: פלדות כלים מבוססות על פלדות פחמן עם כ- 1 אחוז פחמן ולאחר טיפול תרמי מגיעות ללקושי, חסינות וחוזק מספיקים. יתרונן הוא במחיר הנמוך יחסית, אולם בשל אמינות נמוכה (איבוד תכונות בטמפ' גבוהה) ונחיתות תכונות לעומת הכלים האחרים הוחלפו וכמעט ולא נמצאות בשימוש. פלדות Tool) (High Speed קיימים מספר סוגים פלדות HSS הנבדלים ביסודות הסגסוג העיקריים, טונגסטן, מוליבדן וקובלט ויחסי הסגסוג ביניהם. פלדות אלה משמשות בעיקר לשימושים הבאים: שיבוב נפחים גדולים במהירות נמוכה (למשל ברגים), כלי חיתוך בגיאומטריה מסובכת ובעיקר למקדחות.

7 קרבידים כלים אלה מיוצרים בסינטור מאבקות ונפוצים בעיקר כלי טונגסטן קרביד עם קובלט המשמש כמקשר בשיעור של 13-5 אחוז. קיימים כלים העשויים מיקרומבנה מעודן מאוד היוצרים סבילות שבר גבוהה ואורך חיים ארוך יותר לכלים קיימות סגסוגות שבהם נעשה שימוש בטיטניום טנטלום וקולומביום במקום הטונגסטן. כלים אלה מצטיינים בקושי גבוה מאוד (כ- 93) ועומדים במהירויות שיבוב שלפי R c 200 עד 500 מ-.HSS בנוסף לכך נעשה שימוש נרחב בציפוי כלים בשכבות דקות של טיטניום קרביד או טיטניום ניטריד לשיפור העמידות בשחיקה או הסיכוך. כיום כלים אלה הם הנפוצים ביותר כמעט לכל שימוש בתעשייה. קרמיקה מבוססים ברובם על אלומינה או צרמטים מבוססי אלומינה. כלים אלה מצטיינים במהירויות שיבוב גבוהות במיוחד (פי 3 מקרבידים), אורך חיים ארוך יותר, אינם דורשים קירור ומאפשרים גימור גבוה של פני השטח. למרות יתרונם, כלים אלה משמשים ליישומים מיוחדים ולא נמצאים בתפוצה נרחבת בשל המורכבות הטכנולוגית שבשימוש בהם. יהלום החומר הקשה ביותר משמש ככלי חיתוך מצויין בעל דיוק גבוה כלים אלה משמשים בשל מחירם, ומהירויות חיתוך הגבוהות ביותר. ליישומים מיוחדים בלבד. בשל השימוש הרציף בכלים, עשויה להתרחש ירידה בתכונות הכלים מה שעלול לגרום לירידה בדיוק השיבוב, חספוס פני השטח, השקעת עודף כוח שבירת כלים או כל הגורמים יחדיו. הזמן לפני הכשלון מוגדר כאורך חיים של כלי החיתוך (לרוב יבוטא בדקות). כשלון של כלי יגרום להחלפתו והשחזתו מה שגוזל זמן שיבוב ועלות בהתאם. בתמונה להלן ניתן לראות גרף שחיקה אופייני המתאר את התקצרות קצה נק' המגע כפונ' של זמן העבודה. ניתן לראות כי בשלב I ישנה שבירה של החוד ויצירת מישור שחיקה. לאחר מכן בשלב II קיימת שחיקה לינארית של הסכין. בשלב III מתרחשת שחיקה מוגברת.

8 איור 9: עקומת שחיקה אופיינית לכלי חיתוך הגורם המרכזי בקביעת אורך חיי הכלים הוא מהירות החיתוך, כפי שבא לידי ביטוי בנוסחא: Vt n =const n t כאשר V מהירות השיבוב, אורך חיי הכלי ו- הוא קבוע האופייני לחומר ממנו עשוי הכלי (0.1 ל-,HSS 0.2 לקרבידים ו- 0.4 לקרמיקות). 5.נוזלי חיתוך נוזלי חיתוך מגדילים את היעילות ומקטינים עלויות בכך שהם מאפשרים שימוש במהירויות שיבוב גבוהות, הישגים גבוהים ועומקי שיבוב עמוקים יותר. כמו-כן הנוזלים משפיעים גם על אורך חיי כלי החיתוך, דיוק פני השטח, ומפחיתים את ההספק הנדרש לעובדה נתונה. התפקידים העיקריים של נוזלי החיתוך הם: קירור הסכין, העובד והשבב. סיכוך והפחתת החיכוך. סיוע בפינוי חומר שהוסר. הגנה בפני קורוזיה בקרה על הווצרות. Build Up Edge BUE קיימים סוגים רבים של נוזלים על בסיס שמנים אורגניים, מים וגזים. 6. השפעת תכונות חומר העובד

9 לתכונות החומר ממנו עשוי העובד ישנם השפעות על אופן השיבוב בהיבט מהירות השיבוב, הכוח וכו'. לדוגמא, לשיבוב חומר בחוזק גבוה ידרשו כוחות חזקים ולפיכך הספק רב יותר, טמפ' גבוהה יותר הפסדי חיכוך ועוד. התכונות העיקריות המשפיעות על כושר העיבוד הן: משיכות,(Ductility) חוזק לגזירה, קושי, הקשיית מעוותים ומקדם החיכוך. למשיכות יש את התפקיד העיקרי בהשפעה על השיבוב. חומרים בעלי משיכות גבוהה מאפשרים דפורמציה פלסטית רבה של השבב לפני הסרתו, אשר מגדילים את העבודה המושקעת והחום הנוצר. בנוסף לכך, נוצר שבב רציף הנשאר במגע עם הכלי זמן רב ויוצר חום נוסף עקב החיכוך הנוצר. לעומתם, חומרים פריכים נגזרים במישור הגזירה באופן פריך מה מיותר פני שטח מחוספסים ושבבים לא רציפים ושבורים. תופעה נוספת הקשורה במשיכות היינה היווצרות קצה, BUE) (Edge Build Up הנוצרת בחומרים משיכים. הטמפ' המקומית הגבוהה והלחץ הגבוה המופעלים על קצה הכלי גורמים להצטברות של חומר וריתוכו לסכין החיתוך. תופעה זו גורמת לטיב פני שטח לא אחיד וגרוע. לרוב ניתן למנוע מצב זה ע"י שימוש בעומקי חיתוך קטנים יותר או מהירות גבוהה. איור 10 מתאר את שלושת צורות האופייניות של השבבים. איור 10: צורות האופייניות של השבבים (משמאל לימין): שבב פריך, שבב משיך, ושבב משיך עם היווצרות קצה.(Build Up Edge)

10 7. השפעת המיקרומבנה על כושר העיבוד יציקות ברזל למיקרומבנה של יציקות הברזל ישנה השפעה על אורך חיי כלי השיבוב ולפיכך ע"פ המיקרומבנה תיקבע מהירות החיתוך. קיימת התאמה טובה בין כושר השיבוב של הפלדות לעומת הקושי שלהן: פלדות בעלות ערכי קושי נמוכים יותר מאפשרות שיבוב במהירות גבוהה יותר. מיקרו מבנה המכיל קרבידים ירום לשחיקה מוגברת של הכלים, המיועדות לשיבוב יתאפיינו באחוז קרבידים נמוך יותר. ולכן פלדות פלדות כמו היצקות, גם בפלדות ישנה חשיבות למיקרומבנה וניתן התאמה בין אורך חיי הכלים לעומת קושי חומר הגלם. איור :11 steels V30 versus hardness in turning wrought

11 (ferrit) עולה בפלדות אורך חיי הכלים עולה ככל שריכוז הפריט ככלל, מורפות. תוספות של סולפיד או עופרת משפרים את יכולת השיבוב על חשבון התכונות המכניות. מתאפיינות ( אחוז) פלדות חוזק על בעלות שיעור פרליט גבוה בשחיקת כלים מוגברת. נתכי אלומניום רוב נתכי אלומיניום קלים לעיבוד וניתנים לעיבוד שביבי במהירויות גבוהות מאוד, מאחר ומדובר בנתכים רכים יחסית, לכן אורך חיי כלי החיתוך איננו גורם מגביל משמעותי. בכל זאת, ישנם נתכי אלומיניום יוצאי דופן, כגון: נתכים מסוגסגים בכמות גבוהה של סיליקון (נתך 380 Si 8.5% ונתך 390 Si 17%). במקרומבנה של נתכים אלו סיליקון מופיע בצורת מחטים וגורם לשחיקת כלי החיתוך. למניעת תופעה הנ"ל ולעידון המיקרומבנה, הנתך מוסגסג ביסוד מייצב כגון ברזל ב- 0.85% ומטופל בנתרן ע"מ לשבור את מחטי הסיליקון לחלקים קטנים עדינים יותר. ביבליוגרפיה 1. Metals Handbook, Volume 16, "Machining" from page Dieter G. G., in Mechanical Metallurgy, Third Edition McGraw Hill publishing co. inc. 1986, from page DeGarmo. E.P., in Materials & Processes in Manufacturing Fourth Edition, Macmillan publishing co., Inc., New York, 1974, from page ו.א.ג'. צ'פמן, הטכנולוגיה של המתכות, ע"מ ,