Miksi hyvää pinnanlaatua tavoitellaan? Kiillotettavuuteen vaikuttavat tekijät. Pinnanlaadun arviointi. Työkaluteräksen laatu E 1 (7)

Transkriptio

1 1 (7) Sisältö Miksi hyvää pinnanlaatua tavoitellaan?... 1 Pinnanlaadun arviointi... 1 Kiillotettavuuteen vaikuttavat tekijät... 1 Työkaluteräksen laatu... 1 Lämpökäsittely... 2 Kiillotustekniikka... 2 Kiillotustekniikka määräytyy terästyypin mukaan 2 Teräksen kovuus vaikuttaa kiillotustekniikkaan... 2 Muottien hionta... 2 Hiontasuosituksia... 2 Muottien kiillotus... 3 Kiillotussuosituksia... 3 Kiillotusvaiheet... 4 Erot kiillotettavissa pinnoissa... 6 Pinnan karheus erityyppisten lämpökäsittelyjen jälkeen... 6 Kiillotusongelmat voidaan ratkaista... 6 Appelsiinipinta... 6 Neulanpistojäljet... 6 Miksi hyvää pinnanlaatua tavoitellaan? Muovituotteiden lisääntyneen käytön seurauksena muottiteräksiä kiillotetaan yhä yleisimmin peilipinnoiksi. Parasta pinnan laatua vaaditaan optisten linssien muoteilta, joissa laatuvaatimukset ovat todella korkeat. Hyvästä pinnanlaadusta on yleensä aina etua: muoviosa irtoaa muottityökalusta helpommin (koskee useimpia muoveja) paikallisen korroosion muodostuminen vähenee ajoittaisen ylikuormituksen tai väsymisen aiheuttamat murtumat tai halkeamat vähenevät Tässä julkaisussa on käsitelty muottiterästen kiillottamiseen vaikuttavia tekijöitä sekä annettu suosituksia tavallisimpien teräslaatujen taloudelliseen kiillotukseen vaatimuksia vastaaviksi. Hyvään lopputulokseen vaaditaan taitoa, kokemusta ja oikeaa kiillotustekniikkaa. Pinnanlaadun arviointi Muottipinnan arvionnissa on kaksi tärkeää kriteeriä. Pinnan muodon on oltava geometrisesti virheetön eikä siinä saa näkyä aikaisemmasta hionnasta tai kiillotuksesta peräisin olevia pitkiä aaltomaisia kuvioita. Toiseksi siinä ei saa olla naarmuja, huokosia, appelsiinipintaa, neulanpistojälkiä tms. Pinnanlaatua arvioidaan yleensä paljaalla silmällä. Silmämääräinen tarkastus voi kuitenkin olla epätarkka. Pinta, joka näyttää tasaiselta, ei olekaan geometrisesti täysin tasainen. Pinnanlaatu voidaan vaativissa käyttökohteissa tarkistaa mittalaitteiden avulla, esim. optisella interferenssitekniikalla. Kiillotettavuuteen vaikuttavat tekijät Pinnanlaatu, johon kiillottamalla on mahdollista päästä, riippuu työkaluteräksen laadusta lämpökäsittelystä kiillotustekniikasta. Yleisesti voi todeta, että kiillotustekniikan vaikutus on suurin. Oikein lämpökäsiteltyyn korkealaatuiseen teräkseen on lähes aina mahdollista saada hyvä pinnanlaatu. Sopimaton kiillotustekniikka voi sen sijaan pilata parhaankin teräksen. Työkaluteräksen laatu Teräksen pinnassa olevat partikkelit tai alueet, joiden kovuus tai muut ominaisuudet poikkeavat teräksen perusmassasta, saattavat hankaloittaa kiillotusta. Huokoset ja erityyppiset kuonasulkeumat ovat esimerkkejä haitallisista esiintymistä. Uddeholm käyttää muotti terästen valmistuksessa tyhjökäsittelyä sekä ESR (Electro Slag Remelting) ja VAR (Vacuum Arc Re melting) menetelmiä. Tyhjökäsittely vähentää suurten kuonasulkeumien määrää ja vetyhaurautta sekä parantaa materiaalin homogeenisuutta. ESR/VAR-käsittely parantaa kiillo tettavuutta vielä tyhjökäsittelyäkin enemmän. Se vähentää kuonasulkeumien määrää ja sen seurauksena ne vähäiset kuonasulkeumat, joita ei pystytä poistamaan, ovat pieniä ja tasaisesti levittäytyneinä matriisissa, kuten seuraava kuva osoittaa. Uddeholm Stavax ESR, Uddeholm Mirrax ESR ja Uddeholm Polmax ovat ruostumattomia ESR- ja/tai VARmenetelmällä valmistettuja muottiteräksiä, jotka soveltuvat muotteihin, joissa pinnan laatuvaatimukset ovat erittäin korkeat, esim. optisten linssien valmistukseen.

2 2 (7) Teräksen kovuus vaikuttaa kiillotustekniikkaan Suuret kovuudet vaikeuttavat muottiterästen hiontaa, mutta kiillotustulos on tasaisempi. Kovempia muotti teräksiä on kuitenkin kiillotettava hieman pidempään hyvän pinnanlaadun aikaansaamiseksi. Suuremmilla kovuuksilla ylikiillottuminen ei todennäköisesti muodostu ongelmaksi. Kovuuden, hiottavuuden ja kiillotettavuuden välista yhteyttä on kuvattu alla olevassa kuvassa. Kuonasulkeumat perinteisellä ja ESR-menetelmällä valmistetuissa teräksissä (kuvissa 70 suurennosta päällekkäin). Hiottavuus ja kiillotettavuus kovuuden kasvaessa. Muottien hionta Linssimuotti, joka vaatii erittäin hyvää kiillotettavuutta. Muotin materiaali on Uddeholm Stavax ESR. Lämpökäsittely Lämpökäsittely voi vaikuttaa kiillotettavuuteen monella avalla. Hiiletysteräs, joka on voimakkaasti hiilettynyt, on rakenteeltaan todennäköisesti kiillotukseen sopimaton. Tämä johtuu siitä, että teräksen pinnan alle on muodostunut pieniä oksidipartikkeleita, jotka vaikeuttavat kiillotusta. Lämpökäsittelyn seurauksena teräksen pinnalla tapahtuva hiilenkato tai hiilettyminen voi johtaa kovuuden vaihteluun ja vaikeuttaa kiillotusta. Kiillotustekniikka Kiillotustekniikka määräytyy terästyypin mukaan Useimpien Uddeholmin muottiterästen kiillottaminen tavanomaisella tekniikalla vie terästyypistä riippumatta saman ajan, jos terästen kovuudet ovat samat. Poikkeuksen tekevät ruostumattomat muottiteräkset Uddeholm Stavax ESR, Uddeholm Mirrax ESR ja Uddeholm Polmax. Näihin teräksiin saadaan paras pinnan laatu, mutta monet muotin valmistajat käyttävät hieman poikkeavaa tekniikkaa. Tärkeää on hioa pinnanlaatu mahdollisimman hyväksi ennen kiillotuksen aloittamista. Lisäksi kiillotus on lopettava heti, kun jäljet edellisestä kiillotusvaiheesta ovat hävinneet. Hiontasuosituksia Muottipesä valmistetaan yleensä jyrsimällä, kipinätyöstämällä tai korkomeistolla. Seuraavalla työ järjestyksellä saadaan erittäin tasainen pinta: Jyrsinnän jälkeen: karkeahionta, hienohionta ja kiillotus Kipinätyöstön jälkeen: hienohionta ja kiillotus Korkomeiston jälkeen: yksi kiillotus lämpökäsittelyn jälkeen. Nopean ja onnistuneen kiillotuksen perustana on aina huolellinen hionta. Hionnalla poistetaan rouhintatyöstön jättämät jäljet ja saadaan aikaan puhdas metallipinta sekä geometrisesti virheetön muoto. Työ sujuu vaivat to mammin ja kiillotustulos paranee, kun noudatetaan seuraavia suosituksia, jotka pätevät sekä kone- että käsinhiontaan: Hionnassa ei saa kehittyä niin paljon lämpöä ja painetta, että teräksen rakenne ja kovuus muuttuvat. Käytä runsaasti lastuamisnestettä! Käytä kovien pintojen työstöön ainoastaan puhtaita vapaasti leikkaavia ja pehmeitä hiontatyökaluja. Kädet ja kiillotettava työkappale on puhdistettava aina, kun hiontatyökalun raekokoa vaihdetaan. Tällöin karkeat hankaavat partikkelit ja pöly eivät kulkeudu seuraavaan työvaiheeseen, jossa käytetään hienompaa raekokoa. Mitä hienompaa raekokoa käytetään, sen tärkeämpää on puhdistus ennen raekoon vaihtamista. Kun on siirrytty hienompaan raekokoon, hionta suoritetaan n. 45 kulmassa edelliseen hiontasuuntaan nähden, kunnes pinnasta ovat hävinneet edellisen työvaiheen jäljet. Tämän jälkeen hion-

3 3 (7) taa jatketaan vielä n. 25 % kauemmin ennen kuin siirrytään seuraavaan raekokoon (poikkeuksina Uddeholm Stavax ESR, Uddeholm Mirrax ESR ja Uddeholm Polmax). Näin poistetaan edellisessä hionta vaiheessa mekaanisten jännitysten aiheuttama muokkautunut pintakerros. Vaihda hiontasuuntaa välillä, ettei pintaan ilmesty epätasaisuuksia tai kohokuvioita. Älä käytä käsihiomalaikkoja suuren, tasaisen muottipinnan hionnassa. Hiomakivellä ei synny niin helposti suuria muotovirheitä. Muottien kiillotus Kiillotussuosituksia Timanttitahna on yleisin kiillotuksessa käytetty hionta-aine. Paras tulos saadaan käyttämällä oikeanlaista tahnaa oikeassa kiillotustyökalussa. Yleisimpiä kiillotus työkaluja käsinkiillotuksessa ovat puikot, tyynyt, laatat ja konekiillotuksessa laikat ja harjat. Kiillotustyökalujen materiaalin kovuus vaihtelee metallista erityyppisten kuitujen kautta (esim. puu, synteettiset kuidut) pehmeään huopaan. Kiillotustyökalun kovuus määrää sen, miten suuri osa timanttirakeista on esillä työkalun pinnassa, ja vaikuttaa sitä kautta aineen poistoon (ks. kuva). Kädet ja työkappale on puhdistettava huolellisesti aina, kun tahnan raekokoa vaihdetaan. Puhdista työkappale rasvaa liuottavalla aineella ja pese kädet saippualla. Käsinkiillotuksessa tahna levitetään kiillotustyökaluun, konekiillotuksessa tahna annostellaan työkappaleeseen. Valitse kiillotuspaine kiillotustyökalun kovuuden ja tahnan raekoon mukaan. Pelkkä työkalun paino riittää hienolle raekoolle. Runsas materiaalin poisto vaatii kovia kiillotustyökaluja ja karkeaa tahnaa. Muovimuottien viimeistelykiillotus tehdään päästösuunnassa. Kiillotus aloitetaan muotin nurkista, reunoista, pyöristyksistä tai muista vaikeista kohdista. Teräviä nurkkia ja reunoja kiillotettaessa on varottava niiden pyöristymistä. Kovat kiillotustyökalut sopivat tähän tarkoitukseen. Muovimuotin kiillotus. Kiillotusaikaa ja -kustannuksia pystytään alentamaan tiettyjen ohjeiden avulla. Kaikkein tärkeintä on puhtaus jokaisessa kiillotusvaiheessa! Kiillotus on tehtävä pölyttömässä ja vedottomassa tilassa. Kovat pölypartikkelit voivat helposti liata hioma-aineen ja pilata lähes valmiin pinnan. Jokaisessa kiillotustyökalussa käytetään vain yhden raekoon pastaa ja työkalu säilytetään pölyltä suojattuna kotelossa. Kiillotustyökaluun imeytyy vähitellen kiillotusainetta, mikä parantaa sitä käytössä.

4 4 (7) Kiillotusvaiheet Hionta- ja kiillotusvaiheet määräytyvät työtä suorittavan henkilön kokemuksen ja käytettävissä olevan laitteiston mukaan. Myös materiaalin ominaisuudet saattavat vaikuttaa työvaiheisiin. Kiillotuksessa noudatetaan periaatteessa kahta menetelmää. Ensimmäisessä käytetään aluksi tietyn raekoon tahnaa ja kovaa työkalua. Sen jälkeen vaihdetaan yhä pehmeämpiin työkaluihin. Toisessa menetelmässä kiillotuksen alussa käytetään keskikovaa kiillotustyökalua ja karkeaa tahnaa. Sen jälkeen siirrytään vähitellen yhä hienompaan raekokoon. Me suosittelemme kiillotukseen näiden menetelmien yhdistelmää. Esim. Aloita kovalla työkalulla ja karkealla tahnalla. Vaihda sitten pehmeämpään työkaluun, mutta käytä samaa tahnaa. Siirry sen jälkeen keskikovaan työkaluun ja keski - karkeaan tahnaan. Vaihda pehmeämpään työkaluun, mutta käytä samaa tahnaa. Käytä lopuksi pehmeää työkalua ja hienojakoista tahnaa. Alla olevassa taulukossa on esitetty esimerkki kiillotustyökalujen ja hioma-aineen raekoon yhdistelmistä. Hiomatyökalu Kovuus Materiaali Hioma-aineen raekoko μm Erittäin kova teräs lujitettu nailon timantti 45, 15, 6, 3 pinnoitettu nailon timantti 9, 6, 3 Kova silkki paperi timantti 15, 6, 3, 1 alumiinioksidi timantti 15, 6, 3 alumiinioksidi Pehmeä villa timantti 6, 3, 1 tiheä nailonsametti timantti 3 Erittäin pehmeä sametti timantti 1 tai pienempi alumiinioksidi MgO OP-S Kuvassa on esimerkki kiillotuksen työvaiheista.

5 5 (7) Raekoko μm Kauppanimen raekoko FEPA-standardin mukainen raekoko (22) (40) F-sarja 200 D-sarja No. μm 220 No. μm ,0 ± ,3 ± ,5 ± ,5 ±1, ,2 ± ,4 ±1, ,2 ±1, ,2 ±1, ,5 ±1, ,0 ±1, ,0 ±1, ,2 ±1, ,2 ±1, ,3 ±1, ,75 ±1, ,6 ±1, ,8 ±1, ,8 ±0, ,3 ±1, ,6 ±0, ,2 ±1, Pinnankarheus hionnan jälkeen. Suurennos x 300. Raekoko μm μm μm Pinnankarheus timanttitahnalla ja nailonkankaalla kiillotuksen jälkeen. Suurennos x 300. Raekoko 30 μm 7 μm 1 μm

6 6 (7) Erot kiillotettavissa pinnoissa Kipinätyöstettyjä pintoja on vaikeampi hioa kuin perinteisin menetelmin työstettyjä tai lämpökäsiteltyjä pintoja. Kipinätyöstö pitäisi lopettaa oikeanlaisella hieno kipinöinnillä. Jos hienokipinointiä ei ole tehty oikein, pintaan jää ohut, uudelleenkarennut kerros. Kerros on huomattavasti kovempi kuin matriisi, ja se on poistettava. Typetetty tai hiiletetty pinta on hankalampi hioa kuin varsinainen perusaine, mutta kiillotettuna siihen syntyy hyvä pinta. Pintakerroksessa olevien pienten virheiden vuoksi ei aina päästä oikein hyvään pinnanlaatuun. Liekkikarkaistussa tai hitsaamalla korjatussa muotissa on usein pehmeä vyöhyke käsitellyn alueen ja perusaineen välillä. Leveällä kiillotustyökalulla pehmeään vyöhykkeeseen ei synny kuoppia. Pinnan karheus erityyppisten lämpökäsittelyjen jälkeen Muotin valmistajat esittävät usein kysymyksen: Miten monta hiontavaihetta tarvitaan ennen lämpökäsittelyä? On hyvä muistaa, että lämpökäsittelyssä tapahtuu todennäköisesti mittamuutoksia, joiden takia joudutaan tekemään lopullinen viimeistely. Lisäksi lämpökäsittelyssä käytettävä väliaine voi vaikuttaa muotin pinnanlaatuun. Ei siis ole järkevää kiillottaa muottiin erittäin hyvää pintaa ennen lämpökäsittelyä, jos mitta- tai muodonmuutokset ja/tai pinnanlaadun heikkeneminen joka tapauksessa vaativat viimeistelyä lämpökäsittelyn jälkeen. Kiillotusongelmat voidaan ratkaista Suurin hankaluus kiillotuksessa on ns. ylikiillottuminen. Ylikiillottuminen tarkoittaa sitä, että mitä kauemmin pintaa kiillotetaan, sen huonommaksi pinnanlaatu muuttuu. Jos pinta ylikiillotetaan, siihen voi ilmaantua kahden tyyppisiä virheitä: appelsiinipinta tai neulanpistojälkiä. Ylikiillottumista tapahtuu usein konekiillotuksessa. Appelsiinipinta Epäsäännöllisen ja karhean appelsiinipinnan syntymiseen on useita syitä. Yleisin on lämpökäsittelyssä tapahtunut ylikuumentaminen tai hiilettyminen yhdessä liian suuren kiillotuspaineen ja liian pitkän kiillotusajan kanssa. Kova materiaali kestää paremmin suurta kiillotuspainetta, pehmeät teräkset ylikiillottuvat helpommin. Tutkimuksissa on todettu, että eri kovuiset teräkset ylikiillottuvat eri ajassa. On tavallista, että kun pinnanlaadun heikkeneminen huomataan, siihen reagoidaan nostamalla kiillotus painetta ja jatkamalla kiillotusta. Seurauksena on, että pinnanlaatu heikkenee entisestään. Pinta voidaan kunnostaa jommalla kummalla alla olevista vaihtoehdoista. Poista vaurioitunut pintakerros hiomalla samoin kuin toiseksi viimeisessä hiontavaiheessa ennen edellistä kiillotusta. Suorita tämän jälkeen viimeinen hiontavaihe uudelleen. Käytä pienempää painetta kuin edellisessä kiillotuksessa. Päästä työkalu n. 25 C edellistä päästöä alhaisemmassa lämpötilassa. Hio pinta uudelleen samalla tavalla kuin edellisen kiillotuksen viimeisessä hiontavaiheessa, kunnes pinnanlaatu on tyydyttävä. Aloita kiillotus uudelleen, mutta pienemmällä paineella kuin edellisellä kerralla. Ellei tulos vieläkään ole hyvä, kovuutta on nostettava. Se voidaan tehdä esim. Nostamalla pintakovuutta typetyksellä tai hiilitypetyksellä. Lämpökäsittelemällä työkalu suurempaan kovuuteen. Neulanpistojäljet Pienet neulanpistoa muistuttavat jäljet kiillotetussa pinnassa ovat tavallisesti seurausta kovina, hauraina oksideina esiintyvistä (ei-metallisista) kuona sulkeumista, jotka repeytyvät kiillotuksessa. Tärkeimmät tekijät neulanpistojälkien muodostumisessa ovat: kiillotusaika ja -paine teräksen puhtaus, etenkin kovien kuonasulkeumien määrä kiillotustyökalu hionta-aine. Kiillotusaika, min

7 7 (7) Yksi syy neulanpistojälkiin on teräksen perusmassan ja kuonasulkeumien välinen kovuusero. Kiillotuksessa ainetta poistuu nopeammin matriisista kuin kovista kuonapartikkeleista. Vähitellen kiillotus kaivaa irti kuonapartikkelia, kunnes se työn edetessä repeytyy irti materiaalista ja jättää materiaaliin pistojäljen. Virhe syntyy useimmiten silloin, kun on käytetty alle 10 μm raekoon hioma-ainetta ja pehmeää työkalua (esim. huopaa). Eräs keino välttää virhe, on valita muottimateriaaliksi puhtaita teräksiä, joille on suoritettu tyhjö-, ESR- tai VAR-käsittely. Jos neulanpistojälkiä siitä huolimatta ilmestyy, pinta voidaan käsitellä seuraavasti: Hio pinta huolellisesti uudelleen samoin kuin toiseksi viimeisessä hiontavaiheessa ennen kiillotusta. Käytä pehmeää vapaasti leikkaavaa hiomakiveä. Aloita sitten viimeistelyhionta ja sen jälkeen kiillotus. Älä käytä pehmeimpiä työkaluja, kun kiillotusaineen raekoko on 10 μm tai pienempi. Kiillota mahdollisimman lyhyt aika mahdollisimman pienellä paineella.