תהליכי ייצור מכני

ייצור מכני הוא שם כולל לתהליכי ייצור לצורך עיבוד חומרי גלם לחלקים המשמשים לבניית מוצרים ומערכות. המוצרים מיוצרים מחומרי גלם שונים כגון מתכת, פלסטיק, עץ, גומי וזכוכית ותהליכי הייצור השונים מותאמים לדרישות התכנון של כל פריט. תהליכי הייצור מאפשרים לממש בתעשייה את הייצור וההרכבה של מערכות ומנגנונים כגון מטוסים, מכוניות, תכשיטים, כלי נשק ומכונות לייצור מזון. עם פיתוח טכנולוגיות חדשות הפך תהליך הייצור לממוחשב, יעיל, ונותן מענה לצרכינו בתחומים השונים. לעיבוד חומרי הגלם והתאמתם למוצר הנידרש, משקל רב בהיסטוריה האנושית, כשידע זה יצר אימפריות וגרם לקריסתן, וכן היווה גורם מכריע בהתהוותן של תרבויות. בממצאים ארכאולוגיים התגלו כלים תכשיטים מטבעות כלי מלחמה ומוצרים לבית שיוצרו מחומרים שונים כגון עץ, אבן, עצם ומתכות. בתקופת האבן ובתקופות קודמות יותר תהליכי הייצור היו מבוססים על חיתוך ועיצוב באמצעות כלים מהחומרים הקשים שהיו זמינים. ועם גילוי היכולת לניצול המתכות, הפכו המתכות השונות ובעיקר הברזל לשמש אמצעי לייצור כלים ומוצרים. גילוי חומרים מסגסגים ופיתוח סגסוגות אשר שיפרו את תכונות חומרי הגלם כגון, פחמן שהוסיף לברזל קושי חוזק, ולחומרים כגון זהב חוזק כדי שצורתם תישמר. בייצור המתכות השתמשו בתנורים וכבשנים למתן הצורה הראשונית ואחר כך מתן צורה סופית באמצעות כלי ריקוע. בשלב הבא השתמשו ביציקת חומרים מתכתיים לתוך תבניות, ניתן היה לקבל מוצרים מדויקים יותר. בתקופה זו החלו להשתמש בסגסוגות. פיתוח כבשנים ליציקת מתכת (תקופת הברונזה, תקופת הברזל)אפשר את העיבוד של המתכות. עם גילוי תכונות החמצן עלה הנושא ונחקר במדעי הכימיה והמטלורגיה. ביסוס הידע הכימי אפשר את שכלול תהליכי הייצור ואת המטלורגיה לקביעת תכונות הסגסוגת והיכולת ליצור פלדה ומתכות שונות. פיתוח כלי הפצירה המתכתית הראשונה פרץ דרך ויכולת לשיבוב מתכת בצורה עדינה וזהו הבסיס לעיבוד שבבי, שהוא עיבוד מתכת על ידי הסרת חומר. אם בעבר המכונות שהאדם בנה התבססו על גלגלי עץ (כגון טחנת מים), פתוח יכולת יצירת שיניים ותהליכי הקשיית מתכת אפשרו יצירת גלגלי שיניים מתכתיים ויצירת מנגנונים מכניים ממתכת. עם יצירת התנועה הסיבובית נוצר הבסיס למכונות עיבוד שבבי כגון כרסומת ומחרטה ומשחזת. מיכון-המהפכה התעשייתית, שהגורם המרכזי להתרחשותה הוא המצאת מנוע הקיטור, תרמה להפיכת תהליכי העבודה מתהליכים ידניים בעיקרם לשימוש במכונות. המהפכה התעשייתית השנייה, שכללה פיתוח מנוע הבעירה הפנימית והדיזל והתפתחות ההידראוליקה והפנאומטיקה ושכלול שיטות ריתוך, הובילו למיכון תחום עיבוד המתכת וליצירת שיטות ייצור חדשות שאפשרו לייצר חלקים מורכבים יותר, חזקים יותר בפחות זמן. המצאת ה-CNC וכניסת המחשוב לתחום ושיפור דיוק המכונות. חריטה - LATHE היא מכונה לעיבוד שבבי, אשר משתמשים בה לעיבוד חלקים ציריים סימטריים. החומרים המעובדים יכולים להיות מתכות, עץ וחומרים פלסטיים. פעולת המחרטה, הנקראת "חריטה" () היא הורדת חומר בעזרת סכין חריטה, על ידי עיבוד סיבובי מסביב לעוּבָּד (חומר הגלם העובר עיבוד). הפעלת המחרטה יכולה להיות ידנית או ממוחשבת - CNC. כרסום - בתעשייה נהוג להבחין בין שני סוגי מכונות: 1. מכונות כרסום קונבנציונליות - מכונות שחלק ניכר מהפעלתן מתבצע ידנית. 2. מכונות כרסום בעלות בקרה ספרתית (NC/CNC) - מכונות שהפעולות בהן מבוצעות ללא מעורבות העובד. הפיתוח של מכונות אלה החל בשנות ה-50 של המאה ה-20, לאחר מלחמת העולם השנייה. בשוק קיימות מכונות CNC המסוגלות לעבד גם בארבעה וחמישה צירים. בפעולת הכירסום CNC דפון החלק על מיתקן המוצב על שולחן המכונה. למכונה יש עשרות כלים המתחלפים לפי תיכנות המכונה, והכלים מבצעים פעולות כירסום קידוח ותיברוז. קידוח וקידוח עמוק DHD - פעולת הקידוח היא בסיס חיוני בפעולות השיבוב. טווח המידות לקידוח כיום נע בין 0.01 מ"מ ועד לקידוח מינהרות בקטרים של 10 מטר ויותר. הקידוח הקלאסי מבוצע על ידי מקדח ספירלי. כאשר יש צורך לקידוח בעומק גדול מ-10 פעמים קוטר הקדח נקרא התהליך קידוח עמוק DHD, בקידוח עמוק נותנים מענה לקירור ולשימון אזורהחיתוך וגם נותנים פתרון לסילוק השבבים. דוגמה לקידוח כזה הוא ייצור קנה תותח. השחזה -בתהליך ההשחזהמבוצעת פעילות עיבוד שבבי על מוצר מדויק. אופן ההשחזה מכיל חלקיקי אברזיב אשר כל גרגר משמש ככלי חותך. בתהליך ההשחזה ניתן לקבל דיוק מידה של 0.01 מ"מ בטיב שטח נידרש. ההשחזה מבוצעת עם זרימה של נוזל קירור שמשמש לקירור ולשימון אזור החיתוך. קיימות משחזות מבוקרות מחשב לביצוע חלקים מורכבים בדפינה אחת. לפינג - LAPPING כלי הלפינג בנוי מציר פלדה עם קונוס ועליו שרוול של ברזל יציקה שמסוגל לשנות את הקוטר החיצוני. הפעולה מבוצעת בנוכחות שמן חיתוך. ניתן להגיע לטולרנסים ולדיוק של 2 מיקרון. הונינג - HONING MACHINE - תהליך הונינג מיועד לליטוש קדחים לטולרנסים של 0.010 מ"מ ובטיב שטח מעולה. כלי ההונינג בנוי מציר פלדה עליו מורכבים סגמנטים של אבני השחזה שמסוגל לשנות את הקוטר החיצוני. הפעולה מבוצעת בנוכחות שמן חיתוך. ניסור - SAWING - תהליך הניסור מבוצע על ידי מסורית מתכת קשה אשר לכל אורכה יש שיניים. במכונות גדולות מנגנון ההזנה מופעל בצורה פנאומטית או הידראולית. המפעיל שולט על קצב ההזנה. עיקר השימוש במכונות הניסור הוא בחיתוך חומרי גלם. חומר הגלם בתעשייה מגיע בדרך כלל במוטות ארוכים 4–6 מטר כדי לספק את החומר לתהליכי הייצור עובר המוט ניסור למידות הנידרשות.יש מכונות ניסור עם תנועה אופקית הלוך ושוב או מכונות עם סרט ניסור ארוך ומרותך בקצוות לצורת מעגל שמורכב על שני גלגלים ומבצע חיתוך אנכי. ניקוב וכיפוף פח - בתעשייה כיום יש ביקוש רב לחלקים מפח אשר מהווים מארזים למערכות, כמו מערכות אלקטרוניקה. בתהליך זה מבוצע התכנון תוך ביצוע פריסה של הפח שלאחר הכיפוף יהיה המוצר הסופי. הפריסה מוזנת למכונת ניקוב CNC ובמכונה זו יש כלי ניקוב וחיתוך רבים ומגוונים. חיתוך בקרן לייזר או בסילון מים מהווים אלטרנטיבה לתהליך זה. חיטוט - בתהליך זה מבוצע תהליך החיתוך על מכונה הדוחפת או מושכת כלי ארוך בתוך קדח מוביל. למשל ביצוע חור מרובע בתוך חלק, השן הראשונה של הכלי עגולה בקוטר המעגל החסום ושאר 20–30 שיניים חודרות ויוצרות מרובע כאשר לשן האחרונה יש את צורת המרובע הסופי.או ביצוע חריץ שגם בתוך קדח עגול. כלי החיתוך בצורת צילינדר ארוך עם שורות שיניים רבות, שכל אחת מהן מעט גדולה יותר מקודמתה. הם נועדו לייצר צורות פשוטות או מורכבות במהירות, בדרך כלל במעבר אחד, ברמת דיוק חוזרת ואמינה. כאשר הכלי עובר על פני החלק המעובד כל שן משבבת שבב נוסף עד שהשן העליונה (האחרונה) נותנת את הצורה הסופית. EDM - עיבוד בהתפרקות חשמלית.-עיקרון התהליך הוא קירוב אלקטרודה מגרפיט או נחושת, אל החומר המעובד שחייב להיות מוליך. עם ההתקרבות מתפרק ניצוץ בין האלקטרודה לחומר המעובד וגורם לאיכול העובד. אם נקרב לדוגמה אלקטרודה בצורת מוט מרובע אל המשטח, נקבל בגמר התהליך חור מרובע. הפעולה מתבצעת ללא השפעת קושי החלק המעובד. התהליך מבוצע בתוך אמבט עם נוזל אלקטרוליטי. תהליך זה משמש למשל לייצור תבניות לתעשיית הפלסטיק. במקום לעבד את מתכת התבנית שהיא בעלת קושי גבוה, באמצעים מכניים כקידוח או כרסום. כרסום כימי - תהליך זה משמש למתן צורה לחומר המעובד על ידי איכול כימי. בתהליך זה יוצרים על משטחים בחלק מיסוך של חומר עמיד בחומצות, ובכל שאר המשטחים יתבצע איכול כימי. האיכול יימשך כל זמן שהיית החלק באמבט החומצה. עיבוד אלקטרוכימי -עיבוד אלקטרוכימי (ECM) היא שיטה להסרת מתכת בתהליך אלקטרוכימי. השימוש בו מוגבל לחומרים מוליכים חשמליים. ECM יכול לחתוך זוויות קטנות או צורות מוזרות, קווי מתאר או חללים מורכבים במתכות קשות ואקזוטיות, כגון טיטניום אלומיניום, וסגסוגות עילית כגון ניקל, קובלט ] ניתן לבצע עיבוד של גאומטריות חיצוניות ופנימיות כאחד. תהליך זה דומה לעיבוד בארוזיה חשמלית (EDM) בכך שזרם גבוה מועבר בין אלקטרודה לחלק, דרך תהליך הסרת חומר אלקטרוליטי שיש לו אלקטרודה טעונה שלילית (אנודה), נוזל מוליך (אלקטרוליט) ו עובד מוליך (קתודה); עם זאת, ב- ECM אין בלאי כלים. כלי החיתוך של ECM מודרך בדרך הרצויה קרוב לעבודה אך מבלי לגעת בעובד. בניגוד ל- EDM, כאן לא נוצרים ניצוצות. עיבוד בקרן לייזר - עיבוד בקרני לייזר (LBM) הוא תהליך ייצור עיבוד שבבי לא קונבנציונלי, תהליך זה משתמש באנרגיה תרמית כדי להסיר חומר ממשטחים מתכתיים או לא מתכתיים. התדירות הגבוהה של אור מונוכרומטי תיפול על פני השטח ואז החימום, יגרום להיתוך ולאידוי של החומר. עיבוד קרני לייזר מתאים ביותר לחומרים בעלי מוליכות נמוכה או ללא מוליכות כלל. השימוש העיקרי בתעשייה כיום הוא קידוח בחומרים שונים. וכן חיתוך בעזרת אקדח לייזר המותקן על מכונת CNC, השימוש הנפוץ כיום הוא חיתוך צורתי של פחים או של משטחי עץ פלסטיק וכו'. עיבוד אולטרה סוני - תהליך עיבוד שמסיר חומר מפני השטח של החלק המעובד על ידי תנודות שנוצרות מתדר על קולי. רעידת האלקטרודה מבוצעת מול משטח החומר המעובד, בנוכחות חלקיקים אברזיביים הנמצאים בנוזל. הכלי נע אנכית או אורתוגונלית לפני השטח של החלק במשרעת של 0.05 עד 0.125 מ"מ (0.002 עד 0.005 אינץ'). גרגרי השחיקה העדינים מעורבים במים יוצרים משחה אברזיבית שנמצאת בין החלק וקצה הכלי. גודל הגרעין של החומר השוחק, קובע את איכות טיב השטח המתקבל. תהליך זה משמש בדרך כלל על חומרים שבירים וגם על חומרים בעלי קושי גבוה. חיתוך בסילון מים - בתהליך זה מבוצע החיתוך על ידי סילון מים בלחץ של כ־60,000 PSI, תהליך זה הוא אמצעי תעשייתי המסוגל לחתוך מגוון רחב של חומרים באמצעות סילון מים בלחץ גבוה מאוד, או תערובת של מים וחומר שוחק. ניתן לחתוך לוח פלדה בעובי 50 מ"מ. המונח סילון שוחק מתייחס באופן ספציפי לשימוש בתערובת של מים וגרגרי שחיקה לחתוך חומרים קשים כמו מתכת או גרניט, ואילו המונחים הזרקת מים טהורים וחיתוך מים בלבד מתייחסים לחיתוך במים ללא שימוש בחומרים שוחקים נוספים, המשמשים לעיתים קרובות ל חומרים רכים יותר כמו עץ או גומי. שימוש רחב יש לתהליך זה גם בקידוח תעלות בקרקע. שימוש קלאסי הוא להעברת כבל חשמל מתחת לכביש או לחצר, הכלי מוכנס לבור ומתחיל בקידוח אופקי. כוון מסלול הכלי מבוצע בשליטה מרחוק. חיתוך בהזרקת מים משמש לעיתים קרובות בייצור חלקי מכונה. זוהי שיטה מועדפת כאשר החומרים שנחתכים רגישים לטמפרטורות הגבוהות הנוצרות בעת השיבוב. השחזה אלקטרוכימית - תהליך ההשחזה האלקטרוכימית משלב תהליכי השחזה מכנית ואיכול אלקטרוכימי מסורתי, להסרת חומר מהחלק המעובד. אופן ההשחזה משמש ככלי חיתוך וכקתודה והעובד הוא האנודה. במהלך התהליך מוזרמים נוזלים אלקטרוליטיים, לחלל שבין חומר העבודה לאופן ההשחזה. איכול בסביבת חומרים אלקרוליטיים גורם לאיכול אלקטרוכימי על פני השטח של המעובד. התהליך זה נוצר חימצון בפני השטח. שכבות חימצון אלו מוסרות על ידי אופן ההשחזה. ריתוך בקרן אלקטרונים - הוא תהליך ריתוך היתוך בו מכוונת קרן של אלקטרונים במהירות גבוהה על שני החלקים שאותם יש לחבר. חלקי העובד נמסים יחד כאשר האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הופכת לחום בעת הפגיעה באזור המרותך. EBW מבוצע לרוב בתא ואקום כדי למנוע פיזור של קרן האלקטרונים. לצורך ריתוך חלקים בעלי עובי דופן דק, יש צורך בכלי ריתוך מתאימים. הכנתם לריתוך מחייבת להבטיח מגע מושלם בין החלקים ולמנוע את תנועתם במהלך הריתוך. לא ניתן ליישם טכנולוגיה זו על חומרים, כמו אבץ, קדמיום, מגנזיום. ריתוך בקרן לייזר - הוא טכנולוגיית ריתוך המשמשת לחיבור חלקי מתכת באמצעות לייזר. הקרן מספקת מקור חום מרוכז, המאפשר ריתוכים צרים ועמוקים. התהליך משמש לעיתים קרובות ביישומים באוטומציה, כמו בתעשיית הרכב. לרתך פלדות פחמן, פלדות נירוסטה, אלומיניום וטיטניום. חישול - חישול במתכות, הוא תהליך עיצוב מתכת המבוצע על חומר מחומם בעזרת כלי צורתי. מכבשי החישול מפעילים לחץ הידראולי או מכני באמצעות מכה או לחיצה. לחץ החישול יכול להיות בין מאות טונות ועד 50000 טון. התהליך נפוץ בייצור חלקי מנועי מטוסים. תהליך החישול משפר את התכונות המכניות של המתכת על ידי שינוי מבנה החומר במהלך התהליך. ערגול - בעיבוד מתכת, ערגול הוא תהליך ייצור בו עובר חומר גלם דרך זוג גלילים כדי להקטין את עובי החומר או לתת לו צורה עם פרופיל קבוע. עיצוב פח בכבישה יציקת חול - "יציקה" היא תהליך ייצור שבו יוצקים חומר גלם מותך, כגון מתכת או פלסטיק, לתוך תבנית בעלת צורה רצויה, שבה הוא מתמצק ומקבל את צורת חלל התבנית. כשהחומר מתמצק מוציאים אותו על ידי הסרת התבנית או שבירתה. חומרי היציקה הם בדרך כלל מתכות, זכוכית, תהליך היציקה משמש לרוב ליצירת צורות מורכבות שקשה לייצר אותן בשיטות אחרות כגון עיבוד שבבי ייצור מחומרים מרוכבים ניתן להגדרה כשילוב מקרוסקופי של שני חומרים שונים או יותר, אשר קיימת התאמה בשטח הפנים שלהם. מכיוון שחומרים מרוכבים משמשים בעיקר ליישומים הנדסיים או מבניים, ניתן לצמצם את ההגדרה לחומרים המכילים משריינים כמו סיבים או חלקיקים, הנתמכים על ידי חומר מאגד - מטריצה. לדוגמה יריעות מסיבי גרפיט אפוקסי בשכבות רבות מודבקות בעזרת כלים צורתיים מיוחדים ויוצרים גוף הנדסי. המאפיין מוצר זה הוא חוזק גבוה עמידות בקורוזיה, משקל נמוך, ושקיפות למערכות מכ"ם. תכונות אלה הן המניע העיקרי לשימוש בחומר במערכות מוטסות כמו מטוסי נוסעים כמו בואינג 787 "הדרימליינר " או מטוסי קרב חדישים או מטוסים-ללא טייס מתקדמים שבנויים כבר ברובם מחומרים מרוכבים. חומרים מרוכבים על בסיס סיבי זכוכית משמשים כיום במגוון עצום של יישומים כולל יישומים לא יקרים כמו סירות, מוצרי צריכה כגון רהיטים, חלקי מכוניות ורכבות, חלקי מטוסים, מוצרי בניין, גשרים ועוד. סטריאוליתוגרפיה (Stereolithography): שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר. נמצאת בשימוש משנות ה-90 המוקדמות. הבסיס לשיטה זו הוא נוזל מסוג פוטופולימר ההופך למוצק בחשיפה לאור. ב-SLA משתמשים בקרן לייזר או במקרן DLP כדי למצק את הנוזל שיכבה אחר שיכבה. מתקבל מודל מדויק מאוד ובעל פרטים ברורים, כאשר התוצאה יכולה להיות גם שקופה. עם זאת, התכונות המכניות של המודל אינן טובות. הוא קשה, שביר ומושפע לאורך זמן מתנאי הסביבה, כגון לחות, חום ואור. במקביל יש המשך פיתוח של שיטות הדפסה נוספות ופיתוח חמרי גלם, אשר מאפשרים לקבל מוצרים ללא מגבלות של תכונות מכניות. ערך מורחב – הדפסה תלת-ממדית בשנות האלפיים, ניתן לייצר איברים להשתלה בבני אדם, ובתעשיית המתכת יש אפשרות להדפיס חלקים או הרכבות המכילים סוגים שונים של מתכות. בתעשיית האלקטרוניקה יש כבר יישומים של הדפסת מעגלים כאשר המעגל מכיל כבר גם סוגי רכיבים פשוטים. בתעשיית המזון יש כבר אפשרות להדפסת סוגי מזון לשימוש בני אדם. ביישומים בתעשיית המתכת, החלק המיוצר עובר תהליכי עיבוד שבבי וטיפולים טרמיים כנדרש. "מתכת קושיות", או בראשי תיבות מתק"ש, הוא חומר המשמש לייצור כלי חיתוך, המתק"ש מיוצר מתערובת אבקות מתכת כגון טונגסטן כחומר שוחק וקובלט כחומר מאחד. לאחר הכנת התערובת וכבישתה במכבש, ייצור המתק"ש מבוצע בתהליך סינטור שהוא "אפיית" הכלי בתנור ולסיום הייצור מבוצעת השחזה סופית. לשיפור התכונות המכניות של הכלי ולעמידתו בשחיקה ובמכות משתמשים בתהליכי ציפוי שונים עם חומרים כמו TIC טיטניום- קרבייד. הכלים המיוצרים יהיו מקדחים כרסומים וכו' כאשר כל גוף הכלי עשוי ממתק"ש. כלים רבים מבוססים על מחזיקי כלים אליהם מוצמדת בקצה לוחית שניתנת להחלפה לאחר שהתבלתה. בחלק מהכלים מוצמדת לוחית המתק"ש לכלי באמצעות הלחמה. "ישקר" היא חברה ישראלית בינלאומית לייצור מתק"ש וכלי חיתוך. High-speed steel - "פלדה מהירה - פלדה זו מיוצרת מפלדת פחמן מסוגסגת בחומרים כגון טונגסטן, וונדיום הפלדה עוברת טיפול טרמי לקושי של 60 HRC, החומר נפוץ כבר עשרות שנים והוא עדיין בשימוש נרחב, כאשר כיום הכלים עוברים ציפויים לעמידה בשחיקה. יהלום או "בורזון - חומרים מאוד קשים המשמשים לייצור אופני השחזה וכלי חיתוך לחריטה, כירסום ולתהליכים מיוחדים. היהלום נחשב לחומר בעל הקושי הגבוה ביותר בטבע. ולכן מסוגל לחתוך ולעבד חומרים קשים ביותר. לייצור כלי החיתוך משתמשים ביהלום טבעי ביהלום מלאכותי או בבורזון. היהלום מיוצר מגז פחמן בטמפרטורה ובלחץ גבוהים. לעומתו הבורזון מיוצר מהגז בורון ניטריד. ההבדל בין שני סוגי החומרים ניגזר מהשימושים בעיבוד שבבי. היהלום לא מתאים לעיבוד פלדות מאחר שבתהליך החיתוך יש ריאקציה בין הפחמן של הפלדה לפחמן של ביהלום. לכן בעיבוד פלדות משתמשים בבורזון. ובכל שאר החומרים ביהלום. בתהליכי עיבוד כמו חריטה כירסום השחזה ו-EDM יש סכנה להיווצרות סדקים בעת עיבוד החלקים. בעיבוד חומרים קשים סדקים אלה עלולים לגרום לשברי התעייפות ולכשל מערכות מכניות ותעופתיות. במחקרים רבים שפורסמו במסגרת תופעות שלמות פני שטח בעיבוד מכני יש הנחיות מפורטות לפרמטרים ולהנחיות העיבוד שיבטיחו את איכות החלקים המעובדים. חוזק חומרים עיבוד בהתפרקות חשמלית א' ברוכמן, טכנולוגיה של ייצור, תל אביב: אורט ישראל, 1983 פרופ' ישעיהו ירניצקי, מדריך לעיבודים שבביים, חיפה: מכלול, 1989 Forging | technology, Encyclopedia Britannica (באנגלית) rolling