Polerowanie stali na formy

Dlaczego ważne jest bardzo
dobre wykończenie
powierzchni?

Wzrastające zapotrzebowanie na produkty

z tworzyw sztucznych spowodowało większe
zainteresowanie lustrzanym wykończeniem powierz-
chni form. Najwyższe wymagania odnośnie wykoń-
czenia powierzchni stawiane są w przypadku form w
przemyśle optycznym, gdzie istnieją bardzo wysokie
wymagania odnośnie polerowalności.
Oprócz tego bardzo dobre wykończenie powierzchni
daje następujące korzyści, a mianowicie:
•

•

•

•

•

•

Łatwiejsze wyrzucanie detali wykonanych

z tworzyw sztucznych z formy (dotyczy
większości tworzyw sztucznych)
Mniejsze ryzyko lokalnej korozji
Mniejsze ryzyko pęknięcia lub pęknięcia
całkowitego wskutek czasowego przeciążenia lub
zwykłego zmęczenia.

Niniejsza broszura opisuje czynniki wpływające na
polerowalność stali na formy oraz przedstawia
zalecenia odnośnie ekonomicznego uzyskiwania
wymaganego wykończenia powierzchni w przypadku
większości gatunków stali. Zalecenia poniższe
uwzględniają fakt, że umiejętności, doświadczenie i
technika polerowacza odgrywają niezwykle ważną
rolę w uzyskiwaniu żądanego wykończenia powierz-
chni.

Ocena wykończenia
powierzchni

Dwa czynniki mają ogromne znaczenie podczas oceny
powierzchni formy. Powierzchnia ta po pierwsze musi
posiadać odpowiedni kształt geometryczny, bez
jakichkolwiek makropofałdowań. Makrokształt to w
większości przypadków pozostałość po wcześniej-
szych fazach szlifowania i wstępnego polerowania.

Po drugie, lustrzane wykończenie powierzchni formy
musi być wolne od rys, porów, efektu skórki
pomarańczowej, wżerów (niewielkich porów), itp.
Wykończenie powierzchni można zwykle ocenić
gołym okiem. Jednakże istnieją pewne trudności
związane z oceną wizualną. „Płaska” powierzchnia
może wyglądać doskonale mimo, iż geometrycznie
nie jest zupełnie płaska. W ten sposób oko może
zostać „oszukane”.
W bardziej skomplikowanych przypadkach,
wykończenie powierzchni może być oceniane za
pomocą specjalnych metod, takich jak techniki
interferencji optycznej.

Czynniki wpływające na
polerowalność

Gładkość powierzchni, którą można uzyskać poprzez
polerowanie stali zależy od:

Jakości stali narzędziowej
Obróbki cieplnej
Techniki polerowania.

Ogólnie można stwierdzić, iż najważniejszym
czynnikiem jest technika polerowania. Jeśli zastosuje
się odpowiednią technikę polerowania, prawie zawsze
można uzyskać zadowalające rezultaty, pod
warunkiem, iż zastosuje się stal narzędziową dobrej
jakości po poprawnie przeprowadzonej obróbce
cieplnej.

Natomiast nieodpowiednia technika

polerowania może spowodować zniszczenie nawet
najlepszej stali.

JAKOŚĆ STALI NARZĘDZIOWEJ

Cząsteczki lub obszary powierzchni stali różniące się
od matrycy twardością bądź innymi właściwościami
mogą powodować problemy podczas polerowania.
Różne wtrącenia żużlowe oraz porowatość to
przykłady niepożądanych zjawisk. W celu poprawy
właściwości polerowania, firma Uddeholm stosuje
techniki odgazowania próżniowego i przetopu
elektrożużlowego (ESR) podczas produkcji gatunków
stali na formy.

Forma do produkcji obiektywów charakteryzująca się wysokimi wymogami odnośnie polerowalności.
Wybrany materiał to stal STAVAX ESR.

1

Odgazowanie próżniowe ogranicza ryzyko wtrąceń
żużlowych i kruchości wodorowej, zapewniając
większą jednorodność materiału.
Przetop elektrożużlowy znacznie poprawia
polerowalność, zapewniając lepsze właściwości niż
w przypadku odgazowania próżniowego. Obróbka
w procesie przetopu elektrożużlowego zmniejsza ilość
wtrąceń żużlowych w stali i zapewnia, iż pozostałe
wtrącenia żużlowe, których nie można uniknąć są
małe i równomiernie rozłożone w matrycy, tak jak
pokazano na rysunku 1.
Nierdzewne stale na formy STAVAX ESR oraz
OPTIMAX produkowane w oparciu o technologię
przetopu elektrożużlowego nadają się na formy

o najwyższych wymaganiach odnośnie wykończenia
powierzchni, np. na obiektywy.

Rysunek 1. Typowy obraz wtrąceń w przypadku stali
konwencjonalnej i po przetopie elektrożużlowym.
(„Obraz wtrąceń” wykonano z 70 nałożonych fotografii
wykonanych przy dużym powiększeniu.)

OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna może wpłynąć na polerowalność na
wiele sposobów. Stal do nawęglania, która została
nadmiernie nawęglona będzie prawdopodobnie
posiadała strukturę nie nadającą się do polerowania.
Wynika to z powstawania niewielkich cząstek tlenków
pod powierzchnią stali, które powodują problemy z
polerowaniem. Odwęglenie lub ponowne nawęglenie
stali podczas obróbki cieplnej może również
powodować różnice twardości, prowadząc do
trudności z polerowaniem.

TECHNIKA POLEROWANIA

Wpływ różnych gatunków stali

na techniki polerowania

Większość stali na formy Uddeholm przy jednakowej
twardości charakteryzuje się zbliżonym czasem
polerowania w przypadku stosowania standardowych
technik polerowania. Wyjątkami są nierdzewne stale
na formy STAVAX ESR oraz OPTIMAX. Gatunki te
umożliwiają osiągnięcie najwyższej jakości
wykończenia powierzchni, ale wielu producentów
form stosuje różne techniki polerowania w celu
uzyskania takiego efektu. Ważne jest, aby już w
procesie szlifowania uzyskać najlepsze możliwe
wykończenie powierzchni, zanim rozpocznie się

polerowanie. Należy pamiętać o konieczności
zakończenia polerowania natychmiast po usunięciu
ostatniej rysy pochodzącej z poprzedniego rozmiaru
ziarna.

Wpływ różnych twardości

na techniki polerowania

Wyższa twardość utrudnia szlifowanie stali na formy,
ale umożliwia uzyskanie lepszej gładkości
powierzchni po polerowaniu. Jednakże, stale na formy
o większej twardości wymagają nieco dłuższego czasu
polerowania w celu uzyskania lepszego wykończenia
powierzchni. Przy wyższej twardości, przepolero-
wanie nie powinno stanowić problemu.
Zależność pomiędzy wzrastającą twardością, szlifo-
walnością i polerowalnością pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2.

Szlifowanie i wstępne
polerowanie form

WSKAZÓWKI PRAKTYCZNE

Wgłębienia form uzyskuje się za pomocą frezowania,
obróbki elektroiskrowej lub frezowania obwied-
niowego. Jeżeli chcemy uzyskać bardzo gładką
powierzchnię, należy zastosować następującą sekwen-
cję:
Po frezowaniu: obróbka zgrubna, szlifowanie
precyzyjne i polerowanie.
Po obróbce elektroiskrowej: szlifowanie precyzyjne
i polerowanie.
Po frezowaniu obwiedniowym: jednokrotne
polerowanie po obróbce cieplnej.
Należy podkreślić, że szlifowanie stanowi podstawę
szybkiego i pomyślnego polerowania. Rysy pozosta-
wione podczas obróbki zgrubnej są usuwane za
pomocą szlifowania i uzyskiwana jest czysta i
geometrycznie równa powierzchnia metaliczna.
Należy przestrzegać pewnych zasad w celu ułatwienia
pracy i zapewnienia dobrych wyników. Dotyczy to
zarówno szlifowania mechanicznego jak i wstępnego
polerowania ręcznego.
• Szlifowanie nie powinno generować nadmiernej

temperatury i ciśnienia, gdyż wpływa to na
strukturę i twardość materiału. Należy stosować
dużo chłodziwa.

Polerowanie stali na formy

•

•

•

•

•

•

Należy używać wyłącznie czystych i auto-
matowych narzędzi szlifierskich z miękkim
kamieniem do twardych powierzchni.
Po każdej zmianie rozmiaru ziarna, należy
oczyścić element obrabiany i ręce, aby uniknąć
przeniesienia cząstek ściernych i kurzu do
następnej fazy obróbki przy zastosowaniu
drobniejszego ziarna.
Im drobniejsze ziarno, tym ważniejsza jest
operacja oczyszczenia przy każdorazowej zmianie
rozmiaru ziarna.
Przy przejściu do następnego, jeszcze bardziej
drobnego rozmiaru ziarna, szlifować pod kątem
45° do osi poprzedniego kierunku szlifowania, aż
na powierzchni widoczne będą rysy tylko

z obecnej fazy szlifowania. Po usunięciu rys
z poprzedniej fazy, kontynuować szlifowanie
przez około 25% dłuższy czas zanim nastąpi
zmiana na nowy rozmiar ziarna (z wyjątkiem stali
STAVAX ESR i OPTIMAX). Pozwoli to usunąć
„odkształconą” warstwę powierzchniową powsta-
łą wskutek naprężeń mechanicznych wywołanych
podczas poprzednich operacji szlifowania.
Zmiana kierunku szlifowania jest również ważna,
aby uniknąć powstawania nieregularności i
zaskoków.
Podczas szlifowania dużych, płaskich
powierzchni form, należy unikać stosowania
ręcznych ściernic. Użycie kamienia ogranicza
ryzyko dużych nieregularności kształtów.

Polerowanie form

WSKAZÓWKI PRAKTYCZNE

Pasta diamentowa jest najczęściej wykorzystywanym
materiałem polerskim.
Optymalne wyniki uzyskiwane są w przypadku użycia
dobrej pasty do odpowiedniego narzędzia polerskiego.
Najczęściej stosowane narzędzia polerskie to drążki,
poduszki i bloki do użytku ręcznego oraz ciężarki,
szczotki i tarcze do urządzeń.
Narzędzia polerskie są wykonywane z materiałów o
różnej twardości od metali przez różnego rodzaju
włókna (np. drewno, włókno syntetyczne) po miękki
filc. Twardość narzędzia polerskiego wpływa na
odsłonięcie ziaren diamentu oraz tempo usuwania
materiału. Taką zależność pokazano na poniższym
rysunku:

Pracochłonne i kosztowne polerowanie można skrócić
przestrzegając pewnych zasad. Przede wszystkim
należy pamiętać o tym, że ogromne znaczenie ma
czystość na każdym etapie polerowania.
•

•

•

•

•

•

•

•

Polerowanie należy prowadzić w pomie-
szczeniach wolnych od kurzu i przeciągów.
Twarde cząstki kurzu mogą z łatwością
zanieczyścić materiał ścierny i zniszczyć prawie
wykończoną powierzchnię.
Każde narzędzie polerskie powinno być
wykorzystywane z jednym gatunkiem pasty

i przechowywane w pojemnikach pyłoszczelnych.
Narzędzia polerskie z czasem ulegają
„impregnacji”, a ich parametry ulegają poprawie
w użytkowaniu.
Ręce i element obrabiany powinny być starannie
oczyszczane pomiędzy każdorazową zmianą
pasty, przy czym element obrabiany należy
czyścić rozpuszczalnikiem, a ręce mydłem.
W przypadku polerowania ręcznego pasta
powinna być nakładana na narzędzie polerskie,
natomiast w przypadku polerowania
maszynowego pasta powinna być nakładana na
obrabiany element.
Nacisk polerowania powinien zostać dostosowany
do twardości narzędzia polerskiego i rodzaju
pasty. W przypadku bardzo drobnych ziaren,
nacisk powinien być równy wadze narzędzia
polerskiego.
Znaczne usuwanie materiału wymaga
zastosowania twardych narzędzi polerskich oraz
gruboziarnistej pasty.
Polerowanie wykańczające form do tworzyw
sztucznych powinno być prowadzone

w spowolnieniu kierunkowym.

•

•

Polerowanie należy rozpoczynać w narożnikach,
krawędziach i zaokrągleniach lub innych
trudnych częściach formy.
Należy uważać, aby nie zaokrąglić ostrych
narożników i krawędzi. Najlepiej używać
twardych narzędzi polerskich.

Polerowanie formy do produkcji elementów
z tworzyw sztucznych.

3

Typowe sekwencje polerowania

Przykłady łączenia narzędzia polerskiego i wielkości
ziarna materiału ściernego.

Dobór sekwencji szlifowania i polerowania zależy od
doświadczenia operatora i posiadanego sprzętu.
Właściwości materiału mogą również wpłynąć na
sekwencję.

Twardość

narzędzia

Materiał

Wielkość w

mikronach

Bardzo
twarde

Stal
Nylon zbrojony

Diament 45, 15, 6, 3

Twarde

Nylon
powlekany

Diament 9, 6, 3

Twarde

Nylon
powlekany

Diament 9, 6, 3

Twarde

Jedwab

Diament 15, 6, 3, 1
Tlenki glinu

Twarde

Papier

Diament 15, 6, 3
Tlenki glinu

Miękkie

Wełna

Diament 6, 3, 1

Miękkie

Gęsty welur

Diament 3

Bardzo
miękkie

Aksamit

Diament 1 i mniejszy
Tlenki glinu
MgO
OP-S

Istnieją dwie metody polerowania. W przypadku
pierwszej metody, dobiera się pastę o konkretnej
wielkości ziarna oraz wstępnie twarde narzędzie
polerskie, a następnie stosuje się coraz bardziej
miękkie narzędzia polerskie. W przypadku drugiej
metody, dobiera się średnio-twarde narzędzie
polerskie i wstępnie pastę gruboziarnistą. Następnie
redukowana jest wielkość ziarna pasty, stopniowo aż
do najbardziej drobnego. Można zalecić połączenie
obydwu tych metod.
Przykład sekwencji:
-

Rozpocząć polerowanie przy użyciu twardego
narzędzia polerskiego i pasty gruboziarnistej.

-

Następnie dobrać bardziej miękkie narzędzie
polerskie i taką samą pastę.

-

Następnie użyć średnio-twardego narzędzia
polerskiego i średnioziarnistej pasty.

-

Potem zastosować miękkie narzędzie polerskie
i taką samą pastę.

-

Ostatecznie użyć miękkiego narzędzia
polerskiego i pasty drobnoziarnistej.

Powyższy schemat pokazuje
przykład doboru sekwencji
polerowania.

Polerowanie stali na formy

Tabela konwersji wielkości ziarna

Stan powierzchni po szlifowaniu. Powiększenie x300

Wielkość ziarna

90-75 µm

27-24 µm

16-14 µm

Śr. arytm. w mikrocalach

8

2,8

1,2

Stan powierzchni po użyciu pasty diamentowej na szmatce nylonowej. Powiększenie x300

Wielkość ziarna

30µm

7µm

1µm

Śr. arytm. w mikrocalach

2,4

0,4

0,24

5

Różne parametry powierzchni
przed polerowaniem

Powierzchnie po obróbce elektroiskrowej są
trudniejsze do szlifowania niż powierzchnie po
konwencjonalnej obróbce skrawaniem lub obróbce
cieplnej. Proces obróbki elektroiskrowej powinien
zostać zakończony w fazie precyzyjnej obróbki
elektroiskrowej. Jeżeli ta faza obróbki zostanie
przeprowadzona poprawnie, to nie pojawią się żadne
trudności. W przeciwnym wypadku na powierzchni
pozostanie cienka utwardzona warstwa. Taka warstwa
jest znacznie twardsza niż podłoże i musi zostać
usunięta.
Powierzchnia po azotowaniu lub nawęglaniu jest
trudniejsza do szlifowania niż materiał podstawowy,
ale zapewnia dobre wykończenie powierzchni po
polerowaniu. Jednakże, niewielkie defekty powstałe w
warstwie powierzchniowej nie zawsze umożliwiają
osiągnięcie precyzyjnego wykończenia powierzchni.
Forma po hartowaniu płomieniowym lub naprawach
za pomocą spawania często posiada miękką strefę
pomiędzy obrabianym fragmentem a materiałem
podstawowym. Aby nie dopuścić do powstawania
wgłębień wzdłuż miękkiej strefy należy użyć
szerokiego kamienia.

Chropowatość powierzchni po
różnych rodzajach obróbki
cieplnej

Wielu producentów narzędzi zadaje pytanie: „Jakie
fazy szlifowania wykonać przed rozpoczęciem
obróbki cieplnej?”
Należy pamiętać, iż pewne zmiany wymiarowe mogą
wystąpić podczas obróbki cieplnej, co może wymagać
końcowej operacji wykończenia powierzchni.
Ponadto, wykończenie powierzchni formy może
zależeć od sposobu obróbki cieplnej. Dlatego nie ma
sensu polerowania w formie ostatecznego
wykończenia przed obróbką cieplną, jeżeli zmiany
wymiarów / kształtu i/lub pogorszenie stanu
powierzchni sprawiają, iż konieczne staje się
przeprowadzenie końcowej operacji.

Istnieją rozwiązania problemów
polerowania

Głównym problemem polerowania jest tzw.
„przepolerowanie”. Przepolerowanie to termin stoso-
wany w przypadku, gdy stan powierzchni po
polerowaniu pogarsza się w miarę dalszego polero-
wania. Istnieją dwa podstawowe zjawiska występujące
w razie przepolerowania: „skórka pomarańczy” oraz
wżery (pory). Należy podkreślić, iż przepolerowanie
często występuje w przypadku polerowania
maszynowego.

EFEKT „SKÓRKI POMARAŃCZY”

Pojawienie się nieregularnej, szorstkiej powierzchni,
określanej zwykle terminem „skórka pomarańczy”
może wynikać z szeregu różnych przyczyn.
Najczęstszą jest przegrzanie lub nadmierne
nawęglenie podczas obróbki cieplnej w połączeniu z
wysokim ciśnieniem i zbyt długim polerowaniem.
Twardszy materiał lepiej wytrzymuje duży nacisk
polerowania, bardziej miękkie stale łatwiej ulegają
przepolerowaniu. Badania wykazały, iż efekt
przepolerowania występuje przy różnych czasach
polerowania dla różnych twardości materiału.

Normalną reakcją po stwierdzeniu pogorszenia się
stanu powierzchni jest zwiększenie nacisku i
kontynuowanie polerowania. Takie działanie z
pewnością spowoduje dalsze pogorszenie stanu
powierzchni.
W celu poprawy stanu powierzchni można zastosować
jedno z poniższych rozwiązań:
Alt 1

Usunąć gorszą warstwę powierzchni

powtarzając przedostatnią fazę
szlifowania sprzed polerowania.
Ponownie rozpocząć ostatnią fazę
szlifowania. Zastosować mniej-szy
nacisk podczas polerowania.

Alt 2 Odprężyć w temperaturze około 25°C (45°F)

niższej od ostatniej temperatury odpuszczania.
Przeszlifować powtarzając ostatnią fazę
szlifowania sprzed polerowania, aż do
uzyskania zadowalającego stanu powierzchni.
Ponownie rozpocząć polerowanie, przy
mniejszym nacisku niż przedtem.

Jeżeli rezultat nie jest dalej zadowalający, należy
zwiększyć twardość. Istnieje szereg sposobów:
•

•

Zwiększyć twardość powierzchni stali za pomocą
azotowania lub węgloazotowania.
Zwiększyć twardość narzędzia za pomocą
obróbki cieplnej.

Polerowanie stali na formy

WŻERY

Bardzo małe pory występujące na wypolerowanej
powierzchni zwykle powstają w związku z
wtrąceniami żużlowymi (niemetalicznymi) w formie
twardych, kruchych tlenków, które zostały wyrwane z
powierzchni podczas polerowania. Najważniejsze
przyczyny to:
•

•

•

•

•

•

•

Czas i nacisk polerowania.
Czystość stali, szczególnie pod względem
twardych wtrąceń żużlowych.
Narzędzie polerskie.
Materiał ścierny.

Jednym z powodów powstawania wżerów jest różnica
twardości pomiędzy podłożem a wtrąceniami
żużlowymi. Podczas polerowania materiał podłoża
będzie usuwany szybciej niż twarde cząstki żużlu.
Polerowanie stopniowo „podważy” cząstkę żużlu, aż
ta zostanie wyrwana z materiału podczas dalszego
polerowania. To spowoduje powstawanie porów.
Problem ten często występuje w przypadku wielkości
ziarna pasty poniżej 10 µm i miękkich narzędzi
polerskich (np. filcu).
Sposobem ograniczenia ryzyka wżerów jest dobór
stali na formy o wysokiej czystości, które zostały
poddane odgazowaniu próżniowemu lub przetopowi
elektrożużlowemu podczas procesu produkcji.
Jeżeli mimo to występują wżery należy zastosować
następujące środki:

Przeszlifować starannie powierzchnię powtarza-
jąc przedostatnią fazę szlifowania sprzed polero-
wania. Użyć miękkiego kamienia automatowego.
Następnie powtórzyć ostatnią fazę szlifowania
i polerowanie.
W przypadku wielkości ziarna 10 µm

i mniejszych, unikać stosowania miękkich
narzędzi polerskich.
Polerować jak najkrócej i przy najniższym
możliwym nacisku.

7