Metalliosien pinnan nikkelöinti: Miten pinnoitus vaikuttaa mittatarkkuuteen ja kierteisiin?

Tekninen opas: Pintakäsittely & Toleranssit

Tarkkuuskoneistetun metallikomponentin valmistuksessa viimeistelyvaihe määrittää usein sen, toimiiko kokoonpano moitteettomasti vai leikkaako kierre kiinni asennusvaiheessa. Kun koneistettuun teräs-, kupari- tai alumiiniosaan kasvatetaan suojakerros, kappaleen ulkomitat muuttuvat väistämättä. Metalliosien pinnan nikkelöinti tarjoaa erinomaisen korroosionkeston ja kulutuskestävyyden, mutta sen tuoma kerrospaksuus vaatii tarkkaa ennakointia jo koneistuksen suunnitteluvaiheessa.

Hienomekaniikassa ja teollisuuskokoonpanoissa toleranssialueet liikkuvat usein mikrometriluokassa. Tällöin pinnoitteen paksuus vaikuttaa suoraan osien yhteensopivuuteen. Jos pinnoitekerroksen vaikutusta ei lasketa koneistusmittoihin etukäteen, liitospinnat menettävät sovitteensa ja hienokierteet lakkaavat toimimasta. Eri nikkelöintimenetelmät vaikuttavat kappaleen geometriaan eri tavoin, joten kierteet ja sovitteet on mitoitettava oikein ennen pintakäsittelyä.

Pinnoitteen kasvatuksen vaikutus kappaleen toleransseihin


Jokainen nikkelöinnissä kasvatettava mikrometri lisää kappaleen ulkomittoja ja pienentää sisäreikiä. Sylinterimäisen akselin halkaisija kasvaa kaksi kertaa kerrospaksuuden verran. Jos akselille kasvatetaan 10 µm nikkelikerros, sen ulkohalkaisija suurenee 20 µm. Vastaavasti reiän sisähalkaisija pienenee 20 µm. Jos suunniteltu sovitesuhde on H7/g6, pinnoitus muuttaa liitoksen ahdistussovitteeksi ilman oikeaa esimitoitusta.

Valittu nikkelöintimenetelmä määrittää sen, kuinka tasaisesti kerros muodostuu kappaleen eri kohdille. Elektrolyyttisessä nikkelöinnissä sähkökentän tiheys jakautuu epätasaisesti. Virta keskittyy ulkokulmiin, teräviin reunoihin ja ulkonemiin. Pinnoite kasvaa näissä kohdissa huomattavasti paksummaksi kuin tasaisilla pinnoilla tai koverissa syvennyksissä. Kotelomaisten osien sisäpinnat voivat jäädä lähes ilman pinnoitetta, kun taas ulkokulmien kerrospaksuus saattaa olla kaksin- tai kolminkertainen keskiarvoon verrattuna.

Kun kappaleen mittatarkkuusvaatimus on tiukka kautta linjan, kemiallinen eli autokatalyyttinen nikkelöinti on varma valinta. Kemiallisessa prosessissa nikkeli pelkistyy pinnalle ilman ulkoista sähkövirtaa. Pinnoitteen kasvu on tasaista riippumatta kappaleen muodosta, sisäpuolisista kanavista tai sokeista rei'istä. Tällöin 10 µm nimellispaksuus tekee täsmälleen 10 µm kerroksen kappaleen kaikille pinnoille.

Menetelmä Elektrolyyttinen vs. Kemiallinen
Paksuusjakauma Epätasainen (reunakasvu) vs. Täysin tasainen (1:1)
Tyypillinen kerrospaksuus 5 – 25 µm käyttökohteen mukaan
Toleranssivaatimus CNC-vaiheessa Esimitoitus lasketaan kerrospaksuuden mukaan

Kierteiden mitoitus ennen nikkelöintiä: Toleranssien ja mittamuutosten hallinta


Kierteet ovat metallikomponenttien herkin kohta pintakäsittelyssä. Koska metrisen ISO-kierteen kylkikulma on 60 astetta, kierteeseen kerrostuva pinnoite muuttaa kierteen kylkihalkaisijaa selvästi enemmän kuin tasopintaa.

Geometrian vuoksi kierteeseen muodostuva pinnoitekerros paksuudella t kasvattaa ulkokierteen tai pienentää sisäkierteen kylkihalkaisijaa kertoimella 4. Pinnoite muodostuu molemmille kyljille 30 asteen kulmassa suhteessa keskilinjaan. Tämä aiheuttaa seuraavan mittamuutoksen:

Kierteen kylkihalkaisijan muutoskaava

Kylkihalkaisijan muutos = 4 × Pinnoitteen kerrospaksuus (t)

Esimerkki: Jos pinnan nikkelöinti tehdään 5 µm kerrospaksuudella, kierteen kylkihalkaisija muuttuu 20 µm (0,020 mm). Jos kerrospaksuus on 10 µm, kylkihalkaisijan muutos on 40 µm (0,040 mm).

Nelinkertainen kerroin selittää sen, miksi standardikierteet leikkaavat helposti kiinni pinnoituksen jälkeen, jos niitä ei ole koneistettu ennakkoon vastaavalla alituksella tai ylityksellä. Normaalissa koneistuksessa käytettävät standardit toleranssiluokat, kuten ulkokierteille 6g ja sisäkierteille 6H, on suunniteltu käsittelemättömille pinnoille tai ohuelle korroosiosuojaukselle.

Kierteiden toimivuus varmistetaan valitsemalla koneistusvaiheessa oikeat toleranssialueen poikkeamat:

Ulkokierteet (Uroskierteet)
Koneistus toleranssialitukseen (esim. 6e tai 6f)
Ulkokierre koneistetaan nimellismittaa pienemmäksi. Kasvatettava nikkelikerros täyttää vapautetun tilan, jolloin kierre päätyy pinnoituksen jälkeen standardiin 6h-mittaan.
Sisäkierteet (Naaraskierteet)
Koneistus toleranssiylitykseen (esim. 6G)
Sisäkierre tapitetaan tai jyrsitään nimellismittaa suuremmaksi. Näin reiän sisään kasvava nikkelikerros ei pienennä kierrettä liikaa, ja vastakappale kiertyy paikalleen esteettä.

Mitoituksen hallinta vaatii pintakäsittelyn aiheuttamien muutosten vahvistamista ennen sarjavalmistuksen aloitusta. Kun koneistamo ja pintakäsittelijä tekevät tiivistä yhteistyötä, mittatarkkuudet varmistetaan tulkeilla ennen pintakäsittelyä ja sen jälkeen.

Liitospintojen maskaus ja jälkikoneistus


Vaativissa teollisuuskomponenteissa kaikkia pintoja ei kannata pinnoittaa. Esimerkiksi tiukat laakeripesät, ahdistussovitteet ja maadoituskontaktipinnat vaativat usein mikrometriluokan mittatarkkuutta tai puhdasta metallikontaktia, jossa nikkelöinnin tuoma paksunnos haittaa kokoonpanon toimintaa tai muuttaa sähköisiä ominaisuuksia.

Suojaus eli maskaus toteutetaan siihen kehitetyillä silikonitulpilla, lämpöä ja kemikaaleja kestävillä suojateipeillä tai peitelakoilla. Maskauksella varmistetaan, ettei nikkeli kerrostu alueille, joiden mittatarkkuus on koneistettu lopulliseen toleranssiinsa ennen pintakäsittelyä. Suojauksen suunnittelu vaatii tarkkuutta, sillä maskausaineen raja-alueelle muodostuu aina pieni pykälä eli kynnys.

Jos mittatarkkuusvaatimus on alle ±0,005 mm tai pinnalta vaaditaan matalaa Ra-arvoa, hionta tai jatkokoneistus tehdään vasta pinnoituksen jälkeen. Kemiallinen nikkelikerros voidaan hioa ja kiillottaa haluttuun mittaan, jolloin ulkopinnat saavat korroosiosuojan ja sovitepinnat tarkan mitan.

Pintojen suojausmenetelmät

Silikonitulpat ja -hatut: Suojaavat sokeat reiät ja ulkopuoliset kierteet pinnoituskylvyn aikana.
Tekniset suojateipit: Estävät liuoksen pääsyn laajoille tasapinnoille ja laakeripesiin.
Pinnoituksen jälkeinen hionta: Käytetään, kun toleranssiluokka vaatii mikrometrikohtaisen tarkkuuden ilman maskausrajoja.

Koneistuksen ja pintakäsittelyn integrointi laadunvarmistuksessa


Eri alihankkijoilta hankittava koneistus ja pintakäsittely voivat aiheuttaa epäselvyyksiä mittamuutosten vastuunjaossa. Jos kierre leikkaa kiinni pinnoituksen jälkeen, syyn selvittäminen koneistusmittojen ja kerrospaksuuksien välillä viivästyttää tuotantoa. Luotettava lopputulos edellyttää selkeää laadunvalvontaa valmistuksen alusta lopputarkastukseen.

Toleranssien hallinta helpottuu, kun lastuavan työstön ja pinnan nikkelöinnin toteuttaa sama kumppani selkeän prosessiohjauksen alaisuudessa. Tällöin CAM-ohjelmoija, CNC-koneistaja ja pintakäsittelijä työskentelevät saman valmistussuunnitelman mukaisesti.

Vaihe 01
Koneistus ja esimitoitus
Komponentit koneistetaan laskettuihin esimittoihin tuleva kerrospaksuus huomioiden. Kierteet tarkistetaan esimittaustulkeilla ennen siirtoa pinnoitukseen.
Vaihe 02
Prosessiohjattu nikkelöinti
Pinnoite kasvatetaan vakioiduissa prosessiolosuhteissa. Kerrospaksuutta seurataan näytepaloilla ja mittalaitteilla prosessin aikana.
Vaihe 03
Lopputarkastus ja dokumentointi
Valmiit pinnat ja kierteet tarkistetaan standardinmukaisilla tulkeilla ja 3D-koordinaattimittauslaitteilla. Osat toimitetaan kokoonpanovalmiina.

Onnistunut mittatarkka pinnoitus vaatii saumatonta yhteistyötä suunnittelun, koneistuksen ja pintakäsittelyn välillä. Kun kerrospaksuudet, muodot ja kierteiden nelinkertainen mittamuutos otetaan huomioon jo piirustuksissa, vältetään viivästykset tuotannossa ja varmistetaan osien toiminta käyttökohteessa.

Kokonaispalvelu koneistuksesta pinnoitukseen

Varmista komponenttiesi mittatarkkuus Valtimo Componentsin avulla

Valtimo Components Oyj tarjoaa CNC-koneistuksen, tekniset pinnoitukset sekä mekaniikan ja elektroniikan kokoonpanot luotettavasti samalta katolta. ISO 9001:2015 -sertifioitu laatujärjestelmämme ja prosessiosaamisemme takaavat, että kierteet ja sovitteet toimivat täsmällisesti myös pintakäsittelyn jälkeen.

Tutustu nikkelöintipalveluihimme ja pyydä tarjous
Seuraava
Seuraava

Koneistuksen sarjavalmistus: Mitä hyötyä puskurivarastoinnista ja vuosisopimuksesta on tilaajalle?