תופעות שלמות פני שטח בעיבוד מכני

תופעות שלמות פני השטח (באנגלית: Surface integrity) הוא מצב פני השטח של חומר המעובד לאחר העיבוד שבוצע בחומר בתהליך הייצור. המונח נטבע על ידי מייקל פילד וג'ון פ. קאלס בשנת 1964. הטיפול בתופעות שלמות פני שטח החל על ידי מעבדות חיל האוויר בארצות הברית בשנת 1964. זאת בעקבות אירועים קשים של שבר בחלקים קריטיים במטוסי קרב. לאחר חקירה התברר שהשבר היה תוצאה של התעייפות החומר והשברים נגרמו כתוצאה ממיקרו סדקים אשר התגלו בפני השטח. בבדיקות מקיפות שנערכו התברר שלסדקים יש גורמים מרכזיים שנבעו מתהליך הייצור. בקרה ותכנון נכון של פרמטרים אלה מהווה שיקול מרכזי בתכנון הייצור. לתופעות שלמות פני השטח יכולה להיות השפעה רבה על תפקוד החלקים. במחקרים התברר שהבעיה העיקרית מתמקדת בחומרים קשים במיוחד כמו פלדה SAE 4340M אחרי טיפול טרמי עם קושי של מעל 56Rc או סגסוגות עילית כמו Inconel 718 בקושי גבוה. בקבוצות החומרים האלה עלולים להיגרם נזקים לפני השטח עקב מאמצים שאריתיים, הגורמים למיקרו סדקים בפני השטח בעת עיבוד החלקים בהשחזה חריטה כרסום או EDM. ישנם שני היבטים לתופעת שלמות פני השטח: מאפייני הטופוגרפיה ומאפייני שכבת פני השטח. מאפייני הטופוגרפיה תלויים בחספוס פני השטח, בגליות, בטעויות צורה ופגמים. מאפייני שכבת פני שטח תלויים ב: דפורמציה פלסטית, מאמצים שיוריים, סדקים, וקשיות, כאשר משתמשים בתהליך ייצור מסורתי, כגון עיבוד שבבי, שכבת פני השטח שומרת על עיוות פלסטי מקומי. התעייפות החומר מוגדרת כנזק שנגרם לחלק עקב עומס מחזורי שמוגדר במספר המחזורים ובערכי העומס. לחומר הגלם בתחילת עיבודו יש אנרגיה מינימלית בפני השטח .כל פעילות עיבוד שבבי או חימום מעלים את האנרגיה בפני השטח. וזו היא הסיבה העיקרית לנזקים בפני השטח. מאמצים שאריתיים גורמים לסדקים אשר מתפתחים לשברי התעייפות. את התהליכים המשפיעים על תופעות שלמות פני השטח ניתן לחלק לשלוש קבוצות: תהליכים קונבנציונליים, תהליכים לא קונבנציונליים, ותהליכי גימור. מוגדרים כתהליכים שבהם הכלי יוצר קשר עם משטח העבודה; לדוגמה: השחזה חריטה ועיבוד שבבי אחר.שמוגדרים תהליכי ייצור מכני תהליכים אלה עלולים לפגוע בתופעות שלמות השטח אם נעשה שימוש בפרמטרים לא תקינים, כמו כלים לא מושחזים, מהירויות עיבוד גבוהות מדי, נוזל קירור או שימון לא תקינים, או פרמטרים לא נכונים של אופן ההשחזה. חימום קריטי יגרום נזקים לפני השטח אשר לעיתים ניתן יהיה לזהות אותם כשינוי צבע החלק לגוונים של כחול או אדום. מוגדרים כתהליכים שבהם הכלי אינו יוצר מגע ישיר עם העובד. לדוגמה EDM, עיבוד אלקטרוכימי, וכרסום כימי. תהליכים אלה עלולים לגרום למאמצים שאריתיים ומסוכנים בפני השטח. יגרמו לתופעות פני שטח שונים בהתאם לאופן שליטת התהליכים; למשל, הם יכולים להשאיר משטח נטול לחץ, משטח מחודש או חספוס פני שטח מוגזם. מוגדרים כתהליכים המשפרים את שלמות פני השטח. ניתן לשפר את המאמצים בפני השטח באמצעות SHOT Peening או roller burnishing או שניתן להסיר את השכבה המחודשת שהשאירה EDMing באמצעות כרסום כימי chemical milling. תהליכי גימור יכולים להשפיע על פני השטח של החלקים במגוון רחב של שיטות. חלקם לניקוי או להסרת פגמים, שריטות, ונקבוביות, תהליכים אחרים משפרים או משנים את מראה פני השטח על ידי שיפור טיב השטח, המרקם או הצבע. הם יכולים גם לשפר את העמידות בפני קורוזיה, העמידות בפני שחיקה או להפחית חיכוך. ציפויים הם תהליך נוסף של גימור שנותן מרקם חיצוני איכותי על חומר גלם רגיל. לתהליכי הייצור חמישה משתנים עיקריים המשפיעים על תופעות פני השטח: חומר העובד, כלי החיתוך, המכונה, תנאי הסביבה והפרמטרים השונים שניתנים לכיול בתהליכים. הקפדה על תפעול נכון של משתנים אלה יכולה לשפר את תופעת שלמות פני השטח ולמנוע נזקי התעייפות ושבר. טמפרטורות גבוהות הכרוכות בתהליכי עיבוד שונים. דפורמציה פלסטית בחומר העובד (מאמצים שאריתיים). גאומטרית פני השטח (חספוס, סדקים, עיוות). תגובות כימיות, בעיקר בין הכלי לחומר העבודה. Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4. עמוס אהרונוף, תופעות פני שטח בהשחזת מתק"ש, חיפה: הטכניון חיפה, 1976 Dr. Michael Field, נבדק ב-2009-08-28 Field, Michael, John F. Kahles, נבדק ב-2009-08-28 Degarmo, Black & Kohser 2003. Degarmo, Black & Kohser 2003, p. 779. Degarmo, Black & Kohser 2003 Degarmo, Black & Kohser 2003 Degarmo, Black & Kohser 2003, p. 779 amos aharonof, Surface Integrity in Grinding, חיפה: טכניון חיפה, 1976 Hughes f, coolant additives and diamond wheel efficiency -de beers, Diamond Information l-11 Malkin s, Thermal aspects of grinding-energy partition, The university of texas magazin 1971 Degarmo, Black & Kohser 2003, p. 780