Oppervlakteafwerking voor CNC-bewerkte onderdelen

Surface finishing is part of manufacturing, especially for CNC machined parts. It uses techniques specifically designed to modify the surface characteristics of a component to meet targeted functional, aesthetic, or performance-related needs. Surface finishing beautifies the part and enhances its performance characteristics, such as corrosion resistance, wear resistance, and overall surface finish quality by minimizing surface roughness.

Wat is oppervlakteafwerking?

Oppervlakteafwerking is het proces waarbij men het oppervlak van een bewerkt onderdeel verandert wat betreft textuur, uiterlijk en functionaliteit. Afhankelijk van het onderdeel kan de afwerking mechanisch, chemisch of elektrochemisch zijn.

CNC-bewerking leads to high accuracy and repeatability of a workpiece. However, the components may have features on their surface which impact both form and finish.

One common issue is tool marks—fine lines or grooves left by the cutting tool—which may affect both aesthetics and functionality. Left untreated, these raw tool marks may not be aesthetically desirable or functionally suitable. Techniques like polishing or secondary finishing can effectively address them.

Bewerkte kenmerken zoals bramen, opstaande randen, deeltjes of kleine ribbels die zich vormen op de grens van de kenmerken, maken ontbraambewerkingen noodzakelijk.

Kleine vlekken in de vorm van krassen op het oppervlak als gevolg van het bewerkingsproces, de behandeling of het transport zijn ongewenst vanuit esthetisch oogpunt. Ze kunnen later een bron zijn van verdere mechanische problemen.

Veelgebruikte technieken voor CNC-bewerkte oppervlakken

Oppervlakteafwerking speelt een vitale rol bij het bepalen van de kwaliteit en prestaties van CNC-bewerkte onderdelen. Hier bespreken we enkele standaard nabewerkingsprocessen in diverse industrieën.

Anodiseren

Anodiseren effectively improves the corrosion protection, mechanical properties, and appearance of products, especially in aluminum CNC machining. This procedure involves forming a robust and rust-proof oxide film on the surface of the metal. Anodizing forms an oxide layer, forming a coating around the metal. Not only does this improve the metal’s characteristics, but it also contributes to the aesthetic value of the final product.

Proces

1. Oppervlaktevoorbereiding: De onderdelen worden gereinigd voordat het anodisatieproces wordt toegepast. Grondig reinigen verwijdert olie en vuil. Operators kunnen mechanische of chemische voorbehandelingstechnieken gebruiken zoals polijsten of etsen.
2. Onderdompeling in elektrolytoplossing: After cleaning, technicians put the part in an electrolyte bath, often acidic, sulfuric, or chromic acid. This bath creates an electrolytic process, resulting in the formation of the oxide layer. In this process, the part itself forms the anode of the system. The cathode, typically made of aluminum or lead, is positioned opposite the anode.
3. Toepassing van elektrische stroom: Technici laten gelijkstroom (DC) door het onderdeel en de kathode lopen en er vindt een elektrochemisch proces plaats op het onderdeel. Ionen uit de elektrolyt reageren met de aluminiumatomen op het oppervlak van het onderdeel en produceren aluminiumoxide (Al₂O₃). Deze oxidelaag is eerst poreus en vergemakkelijkt de daaropvolgende stofbehandeling, zoals verven.
4. Kleuren en verzegelen: De geanodiseerde laag laat kleurstoffen door, waardoor het onderdeel gemakkelijk geverfd kan worden. Organische of anorganische kleurstoffen dringen de poriën binnen. Sealen is het laatste proces om de corrosiebescherming te verhogen en te voorkomen dat de kleur vervaagt. Hierbij wordt het onderdeel tot een kookpunt gebracht, waarbij het aluminiumoxide hydrateert en alle poriën afsluit. Andere soorten verzegeling omvatten chemicaliën zoals nikkelacetaat om het oppervlak verder te beschermen.

Soorten anodiseren

Chromic Acid Anodizing (Type I )

It uses Chromic acid as the electrolyte and forms a thin and smooth anodic layer. However, it has a lower abrasion resistance than the other coatings. It is most applicable in aerospace parts where the fundamental properties required are fatigue strength and high corrosion resistance.

Sulfuric Acid Anodizing (Type II)

Deze methode is bekend met een zwavelzuuroplossing als elektrolyt. De onderdelen in dit proces zijn dikker dan die in chroomzuur anodiseren. Type II anodiseren is gunstig voor het verven van het oppervlak en is geschikt voor esthetisch gebruik. Het is bekend voor de meeste kleine apparaten, autoaccessoires en gebouwen waar uiterlijk, matige roestbestendigheid en sterkte gewenst zijn.

Hard Anodizing using Sulfuric Acid at Lower Temperatures (Type III )

Comparable to Type II but at cooler temperatures and higher voltages. According to strict industry specifications like ASTM B580 Type A, this hard anodic coating typically ranges from 50 to 100 microns in thickness ^[1]. Furthermore, this dense ceramic layer achieves an exceptional microhardness equivalent to 60 to 70 HRC. This extraordinary hardness provides extreme abrasion resistance for heavily loaded moving parts.

Appropriate for demanding roles such as aerospace goods, military products, and industrial equipment. These applications require maximum durability of the surface or the whole device. Possible applications include pistons, gears, and other moving parts.

Parelstralen

Parelstralen is een andere methode van oppervlakteafwerking waarbij glasparels op basis van oxide onder hoge druk op het oppervlak van een materiaal worden gespoten. Door het proces aan te passen kunnen gladde en ruwe oppervlakken worden gemaakt met behulp van het straalmiddel. Het wordt vaak gebruikt voor verfraaiing, oppervlaktevoorbereiding of het verwijderen van oppervlakteverontreinigingen zoals roest of verf.

Proces

1. Oppervlaktevoorbereiding: Wassen om de achtergebleven oliën of andere gemakkelijk verwijderbare verontreinigingen te verwijderen.
2. Straalcabine of Machine Setup: Technici plaatsen het onderdeel in een straalkast of machineopstelling. De straalkast is een gesloten ruimte waar het stralen plaatsvindt en het straalmiddel niet wegvliegt.
3. Perslucht en schuurmiddelen: Operators gebruiken perslucht om het schuurmateriaal, meestal glasparels, tegen het oppervlak van het onderdeel te blazen. De mate van oppervlaktebehandeling hangt af van de luchtdruk en het soort materiaal dat in het proces wordt gebruikt.
4. Controlled Surface Finishing: De operator kan de hoeveelheid druk bepalen, de dichtheid van het oppervlak waarop het wordt aangebracht en de hoek waarin het medium wordt aangebracht. Dit is nodig voor volledige controle over de afwerking. Parelstralen is geschikt voor het bewerken van verschillende onderdelen op verschillende manieren, afhankelijk van de behoefte.
5. Reiniging na het stralen: De operators wassen het onderdeel na het stralen om straalmiddel of stofresten te verwijderen. Dit helpt storingen als gevolg van verontreiniging door andere elementen te voorkomen voordat het onderdeel bewerkingen moet ondergaan zoals coaten of assembleren.

Soorten parelstralen

Glasparelstralen

This specific blasting method employs spherical glass beads to create a uniform matte or satin finish. Unlike highly angular abrasive grit, these spherical particles impact the metal surface to create a microscopic peening effect rather than a cutting action ^[3]. This unique impact mechanism ensures that the precision CNC machined tolerances remain completely unaltered during the surface cleaning process. It is frequently helpful in household appliances, cars’ interiors and externals, furniture, light industry products, and other parts. In these applications, a smooth and beautiful look is essential.

Aluminiumoxide stralen

This method employs highly angular and aggressive aluminum oxide grit. Because this abrasive media is significantly harder and sharper, aluminum oxide significantly removes more material. Due to their hardness, aluminum oxide significantly removes more material from the surface than glass beads. It is useful where a slightly rougher surface or more excellent material removal is necessary.

Kunststofparelstralen

It employs plastic beads as the abrasive media, thus minimizing the rigorous treatment of the parts. Because plastic media is significantly softer than metal, it safely removes coatings and contaminants without altering or cutting into the underlying base material. The process offers a fine surface finish without adversely affecting the strength of the particular part. Plastic bead blasting is a suitable option for cleaning softer metals or delicate parts, often used in automotive parts manufacturing en aerospace components manufacturing.

Siliciumcarbide stralen

One of the most aggressive techniques involves using silicon carbide particles. Silicon carbide ranks among the hardest synthetic abrasive materials available in the manufacturing industry. Possessing a remarkable Mohs hardness ranging from 9.0 to 9.5, it aggressively cuts into extremely rigid metal surfaces ^[4]. Due to this extreme hardness, it rapidly removes deep tool marks and creates a highly textured profile ideal for subsequent heavy-duty coating adhesion. Some applications include cleaning turbine blades, castings, high-intensity parts, and many others that require a robust surface before further treatment.

Elektrolytisch polijsten

Electropolishing is a highly precise electrochemical process that dissolves a microscopic layer of material from the surface of metal parts. This technique is the opposite of electroplating and is more akin to dissolving, polishing, and smoothing. Electropolishing has main applications in iron-chromium, aluminum, titanium, and nickel alloys. Therefore, it is helpful for sectors that need high cleanliness and surface purity levels, like the food industry, medical equipment, and pharmaceuticals.

Proces

1. Oppervlaktevoorbereiding: Voor het elektrolytisch polijsten worden de metalen onderdelen gereinigd om ze te ontvetten. Het reinigen verwijdert alle stoffen die het elektrochemische proces kunnen belemmeren.
2. Onderdompeling in elektrolytisch bad: Operators dompelen het metalen onderdeel onder in een elektrolytbad. Het bad bestaat uit een zuuroplossing, meestal zwavelzuur en fosforzuur. In het elektrochemische deel van het systeem fungeert het ‘onderdeel’ als de anode, terwijl de kathode een inert materiaal is zoals roestvrij staal of lood.
3. Toepassing van elektrische stroom: Operators brengen een elektrische stroom aan tussen de anode en de kathode van het onderdeel. De stroom zorgt ervoor dat de oxidatielaag van het onderdeel oplost in een waterige oplossing. De materiaalverwijdering neemt snel toe voor de gebogen pieken op het kathodeoppervlak in plaats van voor de gebogen dalen. Deze selectieve verwijdering draagt bij aan het afvlakken van het oppervlak, waardoor het onderdeel kan worden gepolijst tot een glad oppervlak.
4. Materiële ontbinding: The electropolishing process precisely strips off a microscopic layer of base material, typically ranging from 0.0025 mm to 0.025 mm in depth. This electrochemical dissolution preferentially targets microscopic surface peaks over valleys. Consequently, the process can systematically reduce the overall surface roughness average (Ra) by up to 50 percent while simultaneously passivating the metal ^[2]. The final surface finish appears remarkably superior and highly refined compared to standard mechanical polishing.
5. Oppervlakte gladmaken en polijsten: Elektrolytisch polijsten maakt het oppervlak glad, glanzend en ‘helder’ in vergelijking met de oorspronkelijke staat. Naast het esthetische aspect minimaliseert het drastisch de ruwheid op microscopisch niveau en helpt het de kans op corrosie te verminderen.
6. Reiniging en inspectie na het polijsten: Na het elektrolytisch polijsten wordt het afwerkingsdeel gewassen in water om de elektrolytoplossing te verwijderen. Controle van het onderdeel voor oppervlaktebehandeling garandeert dat het geschikte materiaal is verwijderd.

Vergelijking van oppervlakteafwerkingsmethoden

The best surface finish for the CNC machined parts depends on features such as the type of material used, the application requirement, and the part’s working conditions. The most crucial decision is selecting the surface finishes as they regulate the performance, endurance, and, finally, the price of the part. All the materials under discussion react differently towards specific finishing procedures, and procedures such as anodizing are usually standard on aluminum. Likewise, it is necessary to consider the function of the part under discussion. For example, if extreme wear resistance is required, aluminum components should undergo hard anodizing (Type III).

On the other hand, electropolishing could benefit parts in incredibly sterile environments. Environmental exposure is also an essential factor, especially for those parts in corrosive environments, high or low temperatures, or chemicals. Aesthetics also affect the choice, mainly where industries such as customer electronics and automotive sectors, among others, use techniques such as polishing and anodizing. Budget considerations are essential in surface finish selection, directly impacting overall CNC bewerkingskosten, as more protective and visually appealing options often come at a higher cost. In this case, it is highly requisite to consider the performance requirements against the costs to make the right decision.

Tips: If you would like to learn more about the full range of surface finishing processes, click “More Surface Finishing Processes” to continue.

Conclusie

Surface finishing is an essential component of overall manufacturing within any professional machine shop when dealing with CNC machined parts, bearing a tight influence over functionality and appearance factors.

Anodiseren, parelstralen en elektrolytisch polijsten verbeteren eigenschappen zoals corrosie, slijtvastheid en oppervlakteafwerking en geven de onderdelen een esthetisch uiterlijk.

Elke afwerkingsmethode is gericht op eisen of problemen die te maken hebben met het materiaal van het onderdeel en het beoogde gebruik. De keuze van de juiste techniek voor oppervlakteafwerking heeft betrekking op de efficiëntie en duurzaamheid van de CNC-bewerkte onderdelen.

Andere kenmerken, waaronder exogene omstandigheden, beïnvloeden dit besluitvormingsproces vanwege de eisen die aan de productprestaties worden gesteld. Productiekosten zijn een andere essentiële factor.

Inzicht in de bijzonderheden van een bepaalde oppervlakteafwerkingsmethode is van vitaal belang om de juiste keuzes te maken voor hun individuele behoeften op basis van functionaliteit, kosten en esthetiek voor hun specifieke producten.

Referentie

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Standard Specification for Anodic Oxide Coatings on Aluminum. https://doi.org/10.1520/B0580-79R19

[2] ASTM International. (2018). ASTM B912-02(2018) Standard Specification for Passivation of Stainless Steels Using Electropolishing. https://doi.org/10.1520/B0912-02R18

[3] Dong, H. (Ed.). (2010). Surface Engineering of Light Alloys: Aluminium, Magnesium and Titanium Alloys. Woodhead Publishing (Elsevier). https://doi.org/10.1533/9781845699451

[4] Tretyakov, Y. D. (2007). Handbook of Ceramic Hard Materials. Wiley-VCH. https://doi.org/10.1002/9783527618217