חישוב עומסי כלים ועומס עבודה במכונות CNC

בעולם העיבוד השבבי המודרני, אחד הגורמים העיקריים לכשל ייצורי, בלאי מהיר של כלים וזמני השבתה יקרים הוא חוסר התאמה בין עומסי החיתוך בפועל לבין היכולת של הכלי, הספינדל והמכונה. במפעלים ישראליים בתחומי ההייטק, הביטחון, הרפואה והתעופה, שבהם משתמשים בחומרים קשים כמו טיטנים Ti-6AI-4V, נירוסטה 17-4PH ו-Inconel 718, טעות בחישוב עומס יכולה להפוך סדרה שלמה לפסולת של עשרות אלפי שקלים תוך דקות.

מאמר זה יספק לכם כלים פרקטיים ומדויקים לחישוב שלושת סוגי העומסים העיקריים:

• עומס חיתוך (Cutting Force – Fc)
• עומס צידי/כיפוף (Radial / Bending Load)
• עומס דינמי ורעידות (Dynamic Load & Chatter)

כמו כן, נלמד כיצד להתאים פרמטרים (Cutting Parameters) כדי להגיע ל-MRR (קצב הסרת חומר) גבוה ובו זמנית לחיי כלים ארוכים בתהליך בטוח.

עומס החיתוך הבסיסי

עומס החיתוך הוא הכוח הנובע מהתנגדות החומר להסרה. הנוסחה הבסיסית והמוכחת ביותר בתעשייה היא נוסחת  Kienzle-Victor: Fc = Kc × ap × fz × z
או בצורה מלאה יותר: Fc [N] = Kc1.1 × hm^1.1 × ap × f × z
כאשר:

• Kc1.1: שבב של החומר ב-1 מ"מ² (Specific Cutting Resistance)
• hm: עובי שבב ממוצע (Mean Chip Thickness)
• ap: עומק חיתוך צירי (Depth of Cut)
• f: Feed per Tooth
• z: מספר שיניים פעילות

דוגמאות ערכי Kc1.1 נפוצים:

• אלומיניום 6061: N/mm² 750-550
• פלדה 1.7225 (42CrMo4): 1800-2200 N/mm²
• נירוסטה 316L: 2100-2600 N/mm²
• טיטניום Ti-6AI-4V: 2400-3200 N/mm²
• Inconel 718: 3200-4200 N/mm²

עומס צידי וכיפוף הכלי

בכרסום, הכוח הרדיאלי Fr יכול להגיע ל-30%-70% מהכוח החיתוך Fc (תלוי בזווית הכניסה של הכלי).

כאשר משתמשים בכלי ארוך (L/D > 5), הכיפוף (Deflection) הופך לגורם קריטי.

נוסחת כיפוף קלאסית של קורה קונזולית: δ = (Fr × L³) / (3 × E × I) כאשר:

• δ : סטייה בקצה הכלי (מקסימום מומלץ 0.01-0.02 מ"מ)
• L: אורך בולט של הכלי
• E: מודול האלסטיות של הכלי (לקרביד: 210,000 N/mm²)
•  I: מומנט ההתמדה של החתך

דוגמה:
כרסום קרביד מלא Ø12 מ"מ, L=60 מ"מ (L/D=5), 4 שיניים, ap=6 מ"מ, fz=0.12 מ"מ, חומר 1.2344 (H13).
Kc ≈ 2,600 N/mm² → Fc ≈ 1,900 N → Fr ≈ 950 N (50%)
סטייה מחושבת ≈ 0.045 מ"מ → גבוה מדי!
פתרון: קיצור הכלי ל-L=40 מ"מ או שימוש בכלי עם חריצי שבב משתנים (Variable Helix) כמו סדרת OKUMA Monster Mill.
 

עומס דינמי ורעידות

רעידות (Chatter) נוצרות כאשר תדירות ההתנגשות של השיניים עם החומר מתקרבת לתדירות הטבעית של מערכת "ספינדל-מחזיק-כלי-חלק".
התוצאה: גימור גרוע, שבר כלי מהיר פי 5-10, ולעיתים שבר קטסטרופלי.

כדי לחזות ולמנוע Chatter משתמשים היום בשתי שיטות עיקריות:

1. Stability Lobe Diagram (SLD) - תוכנות כמו OKUMA OSP Control מובנה או Machining Navigator של Doosan בונות גרף המציג אזורים יציבים (ירוקים) ואזורים לא יציבים (אדומים) לפי סל"ד ועומק חיתוך.
2. חישוב מהיר בשטח: כלל אצבע ישראלי מוכח – עומק חיתוך יציב מקסימלי ≈ (3–4) × קוטר הכלי בחומרים רכים, ורק (0.8–1.2) × קוטר בחומרים קשים כמו טיטניום ו-Inconel.
   בנוסף, שימוש בכלים עם זוויות הליקס משתנות 35°/38° או 41°/43° (כמו OKUMA) מעלה את הגבול היציב ב-40%-80%.

התאמת פרמטרים מעשית

שלבי עבודה מומלצים במפעל:

1. קבעו את Kc של החומר הספציפי מהקטלוג של יצרן הכלי.
2. חשבו את ה-MRR הרצוי (סמ"ק/דקה) לפי זמן מחזור יעד.
3. בחרו כלי עם קשיחות מספקת (קצר ככל האפשר, מחזיק הידראולי או Shrink Fit).
4. חשבו Fc ו-Fr ובדקו מול קטלוג הספינדל (לדוגמה: OKUMA MB-56VA, מומנט מרבי Nm 420, כוח צירי kN 18).
5. בצעו Tap Test קצר עם מיקרופון או אקסלרומטר כדי לבנות SLD.
   1. Tap Test - (או בשמו המלא Impact Testing או Hammer Test) הוא בדיקה פשוטה ומקובלת בתעשיית העיבוד השבבי כדי לאפיין את הדינמיקה של מערכת החיתוך, כלומר, את התדרים הטבעיים (Natural Frequencies) והתנהגות הרעידות של השילוב בין הספינדל, מחזיק הכלי, הכלי עצמו והמכונה. הבדיקה מתבצעת על ידי "הקשה" קלה (Tap) בעזרת פטיש מיוחד (Instrumented Hammer) על קצה הכלי או החלק הרלוונטי, בעוד שחיישן (כמו אקסלרומטר, Accelerometer, או מיקרופון) קולט את התנודות הנוצרות.
      המטרה העיקרית היא למדוד את פונקציית התגובה בתדר (FRF), שכוללת את העוצמה והפאזה של הרעידות בכל תדר. נתונים אלה משמשים כבסיס לבניית דיאגרמות יציבות או לזיהוי בעיות כמו רעידות (Chatter) במהלך החיתוך. הבדיקה אורכת דקות ספורות בלבד, ולכן היא נקראת "קצרה", והיא חיונית במיוחד במכונות CNC מתקדמות כמו אלו של OKUMA או Doosan, שבהן יש מערכות מובנות כמו Collision Avoidance System שמאפשרות אינטגרציה עם כלים כאלה.
   2. SLD - ראשי תיבות של Stability Lobe Diagram, והיא דיאגרמה גרפית שמציגה את אזורי היציבות (Stable Zones) והלא-יציבות (Unstable Zones) בתהליך החיתוך, כפונקציה של שני פרמטרים עיקריים: סל"ד הספינדל (Spindle Speed) ועומק החיתוך הצירי. הדיאגרמה נראית כמו סדרה של "לובות" (Lobes), כלומר אזורים מעוגלים, שבהם האזורים הירוקים (יציבים) מאפשרים הסרת חומר גבוהה (High MRR) ללא רעידות, בעוד האזורים האדומים גורמים ל-Chatter, שפוגע בגימור, בדיוק ובחיי הכלי.
      ה-SLD מבוססת על מודל מתמטי שמשלב את נתוני ה-FRF מה-Tap Test עם מאפייני החומר, הכלי והגיאומטריה. היא מאפשרת למתכנת CNC לבחור פרמטרים אופטימליים: למשל, העלאת סל"ד כדי "לקפוץ" מעל אזור לא יציב, או הפחתת עומק חיתוך כדי להישאר באזור בטוח. בתוכנות כמו Machining Navigator של OKUMA או תוכנות חיצוניות כמו MetalMAX, בונים SLD אוטומטית על סמך הבדיקה.
      למעשה, Tap Test הוא השלב האמפירי שמספק את הנתונים, ו-SLD הוא הכלי האנליטי שמתרגם אותם להנחיות מעשיו. מדובר בשילוב שחוסך זמן וכסף בכל פרויקט CNC. 
6. התחילו עם 70% מעומק החיתוך המומלץ בקטלוג, העלו בהדרגה תוך האזנה לקול המכונה.
7. הפעילו Trochoidal Milling או High Feed Constant בעומסים גבוהים (זמין בכל בקר OKUMA OSP-P500 החדש).

דוגמאות מהשטח

במפעל ביטחוני בצפון הארץ שעבר למכונת OKUMA Multus U3000 עם ספינדל 12,000 סל"ד, חישוב עומס נכון איפשר כרסום כיסים עמוקים ב-Ti-6Al-4V בעומק ap=18 מ"מ (1.5×D) עם כרס Ø12 מ"מ במהירות 90 מ'/דקה ו-fz=0.09 מ"מ במקום ap=4 מ"מ בלבד קודם לכן – קיצור זמן מחזור ב-68%.

במפעל רפואי במרכז, שימוש בכלים עם ציפוי AlTiN + גיאומטריה חיובית + חישוב דינמי מדויק הביא להארכת חיי כלי פי 4.5 בעיבוד נירוסטה 17-4PH H900.

----------------------

חישובי עומסי כלים אינם תיאוריה אקדמית, הם הכלי החזק ביותר שיש לכם להגדלת הפריון ב-30%-100% מבלי לקנות מכונה חדשה או כלים יקרים יותר. הכלל הפשוט הוא:
התחילו תמיד ב-70% מהנתונים של יצרן הכלי, מדדו את הכוחות בפועל (גם עם אפליקציה פשוטה בטלפון כמו Vibration Analyzer), והעלו פרמטרים בהדרגה עד שתשמעו את הנקודה המיוחלת, כלומר, אותו קול שקט ויציב של המכונה כשהיא עובדת באזור הירוק של דיאגרמת ה-Stability Lobe.

כאשר תטמיעו את השלבים הבאים כנהלים קבועים במחלקת התכנות וההרצה, תראו ירידה דרמטית של 60%-90% בשברי כלים, קפיצה בחיי כלי פי 2-4 ובעיקר: זמן מחזור קצר יותר ופחות תיקונים יקרים באמצע סדרה:

• חישוב Dc ו-Fr ראשוני בכל תוכנית חדשה (5 דקות עבודה)
• ביצוע Tap Test קצר פעם בחודש לכל ספינדל וקומבינציית מחזיק
• שמירת טבלאות Kc ונתוני Chatter פנימיות לחומרים שאתם מעבדים הכי הרבה
• שימוש ב-Trochoidal או Constant Engagement Angle בכל כיס עמוק או חומר קשה

התוצאה הסופית היא לא רק חיסכון בכסף, אלא יכולת אמיתית להתחייב ללקוחות על אספקות קצרות יותר, דיוק גבוה יותר ותמחור תחרותי יותר, בדיוק מה שהתעשייה הישראלית צריכה כדי להישאר מובילה עולמית.

יישום נכון של חישובי עומסים הופך את מכונת ה-CNC שלכם ממכונת ייצור למכונת רווח. תתחילו מחר – ותראו את ההבדל כבר בסדרה הבאה.