1.Charakterystyka EDM materiałów grafitowych.
1.1.Prędkość obróbki wyładowczej.
Grafit jest materiałem niemetalicznym o bardzo wysokiej temperaturze topnienia wynoszącej 3650 °C, podczas gdy miedź ma temperaturę topnienia wynoszącą 1083 °C, dzięki czemu elektroda grafitowa może wytrzymać większe warunki ustawienia prądu.
Im większa jest powierzchnia wyładowania i większa skala rozmiaru elektrody, tym bardziej oczywiste stają się zalety wydajnej obróbki zgrubnej materiału grafitowego.
Przewodność cieplna grafitu wynosi 1/3 przewodności cieplnej miedzi, a ciepło generowane podczas procesu rozładowywania może być wykorzystane do skuteczniejszego usuwania metali. Dlatego wydajność przetwarzania grafitu jest wyższa niż elektrody miedzianej w obróbce średniej i precyzyjnej.
Zgodnie z doświadczeniem w zakresie przetwarzania, prędkość rozładowania elektrody grafitowej jest 1,5–2 razy szybsza niż elektrody miedzianej, przy prawidłowych warunkach użytkowania.
1.2.Zużycie elektrod.
Elektroda grafitowa ma właściwości wytrzymujące warunki wysokiego prądu. Ponadto, przy odpowiednim ustawieniu obróbki zgrubnej, w tym obróbki elementów ze stali węglowej wykonanych podczas obróbki skrawaniem, usuwanie zawartości i płynu roboczego przy rozkładzie cząstek węgla w wysokiej temperaturze, efekt polaryzacji, pod wpływem częściowego usunięcia zawartości, cząstki węgla będą przylegać do powierzchni elektrody, tworząc warstwę ochronną, co zapewnia małą stratę elektrody grafitowej podczas obróbki zgrubnej, a nawet „zero odpadów”.
Główna strata elektrody w obróbce elektroerozyjnej (EDM) wynika z obróbki zgrubnej. Chociaż wskaźnik strat jest wysoki w warunkach obróbki wykańczającej, całkowita strata jest również niska ze względu na niewielki naddatek na obróbkę części.
Ogólnie rzecz biorąc, strata elektrody grafitowej jest mniejsza niż elektrody miedzianej podczas obróbki zgrubnej dużym natężeniem prądu i nieco większa niż elektrody miedzianej podczas obróbki wykańczającej. Strata elektrody grafitowej jest podobna.
1.3.Jakość powierzchni.
Średnica cząstek grafitu bezpośrednio wpływa na chropowatość powierzchni podczas obróbki elektroerozyjnej. Im mniejsza średnica, tym mniejsza chropowatość powierzchni.
Kilka lat temu, stosując materiał grafitowy o średnicy cząstek phi 5 mikronów, najlepszą powierzchnię można było uzyskać jedynie przy obróbce VDI18 EDM (Ra 0,8 mikrona), obecnie średnica ziaren materiałów grafitowych jest w stanie osiągnąć wartość phi w granicach 3 mikronów, najlepsza powierzchnia może osiągnąć stabilną obróbkę VDI12 EDM (Ra 0,4 µm) lub bardziej zaawansowany poziom, ale elektroda grafitowa nie jest lustrzanym odbiciem EDM.
Miedź charakteryzuje się niską rezystywnością i zwartą strukturą, co pozwala na stabilną obróbkę w trudnych warunkach. Chropowatość powierzchni może być mniejsza niż Ra0,1 m, a obróbka lustrzana jest możliwa.
Dlatego też, jeśli obróbka elektroerozyjna ma na celu uzyskanie wyjątkowo drobnej powierzchni, bardziej odpowiednie jest użycie jako elektrody miedzianej, co stanowi główną zaletę elektrody miedzianej w porównaniu z elektrodą grafitową.
Jednak w warunkach dużego natężenia prądu powierzchnia elektrody miedzianej łatwo staje się chropowata, pojawiają się nawet pęknięcia, a materiały grafitowe nie mają tego problemu. Wymagania dotyczące chropowatości powierzchni dla VDI26 (Ra 2,0 mikronów) w zakresie obróbki form, przy użyciu elektrody grafitowej można wykonywać obróbkę od zgrubnej do dokładnej, uzyskuje się jednolity efekt powierzchni, bez wad powierzchni.
Ponadto, ze względu na różną strukturę grafitu i miedzi, punkt korozji powierzchniowej elektrody grafitowej jest bardziej regularny niż elektrody miedzianej. Dlatego też, przy obróbce powierzchni o tej samej chropowatości VDI20 lub wyższej, ziarnistość powierzchni przedmiotu obrabianego elektrodą grafitową jest wyraźniejsza, a efekt powierzchniowy ziarna jest lepszy niż efekt powierzchniowy elektrody miedzianej.
1.4.Dokładność obróbki.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału grafitowego jest niewielki, natomiast współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału miedzianego jest czterokrotnie większy od współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału grafitowego, dlatego podczas obróbki wyładowczej elektroda grafitowa jest mniej podatna na odkształcenia niż elektroda miedziana, co pozwala uzyskać bardziej stabilną i niezawodną dokładność obróbki.
Zwłaszcza w przypadku obróbki głębokich i wąskich żeber, wysoka temperatura lokalna sprawia, że elektroda miedziana jest podatna na wyginanie, podczas gdy elektroda grafitowa nie ma takiego zjawiska.
W przypadku elektrod miedzianych o dużym stosunku głębokości do średnicy, należy podczas obróbki skrawaniem uwzględnić pewną wartość rozszerzalności cieplnej w celu skorygowania rozmiaru, natomiast elektroda grafitowa nie jest wymagana.
1.5.Masa elektrody.
Materiał grafitowy jest mniej gęsty niż miedź, a waga elektrody grafitowej o tej samej objętości stanowi zaledwie 1/5 wagi elektrody miedzianej.
Widać, że zastosowanie grafitu jest bardzo korzystne w przypadku elektrod o dużej objętości, co znacznie zmniejsza obciążenie wrzeciona obrabiarki EDM. Elektroda nie będzie sprawiać trudności w mocowaniu ze względu na swoją dużą masę, a także będzie powodować ugięcie podczas obróbki itp. Widać, że zastosowanie elektrody grafitowej ma ogromne znaczenie w obróbce form na dużą skalę.
1.6.Trudności w produkcji elektrod.
Właściwości obróbki grafitu są dobre. Opór skrawania wynosi zaledwie 1/4 oporu skrawania miedzi. W odpowiednich warunkach obróbki, wydajność frezowania elektrody grafitowej jest 2-3 razy większa niż elektrody miedzianej.
Elektrodę grafitową łatwo oczyścić pod kątem i można jej używać do obróbki przedmiotu, który powinien być wykończony wieloma elektrodami w jednej elektrodzie.
Unikalna struktura cząsteczkowa materiału grafitowego zapobiega powstawaniu zadziorów po frezowaniu i formowaniu elektrody, co pozwala na spełnienie wymagań użytkowych, gdy zadziory nie są łatwo usuwalne w złożonym modelowaniu, eliminując w ten sposób konieczność ręcznego polerowania elektrody i unikając zmiany kształtu i błędu rozmiaru spowodowanego polerowaniem.
Należy pamiętać, że ponieważ grafit pyli, jego mielenie wiąże się z powstawaniem dużej ilości pyłu, dlatego frezarka musi być wyposażona w uszczelnienie i urządzenie do zbierania pyłu.
Jeśli zachodzi konieczność użycia edM do obróbki elektrody grafitowej, jej wydajność przetwarzania nie jest tak dobra, jak w przypadku materiału miedzianego, prędkość cięcia jest o około 40% wolniejsza niż w przypadku miedzi.
1.7.Instalacja i użytkowanie elektrod.
Materiał grafitowy charakteryzuje się dobrymi właściwościami wiążącymi. Można go stosować do łączenia grafitu z osprzętem poprzez frezowanie elektrody i rozładowanie, co pozwala uniknąć obróbki otworów na śruby w materiale elektrody i skrócić czas pracy.
Materiał grafitowy jest stosunkowo kruchy, zwłaszcza mała, wąska i długa elektroda, która łatwo pęka, gdy jest poddawana działaniu siły zewnętrznej podczas użytkowania, ale od razu widać, że elektroda uległa uszkodzeniu.
Jeśli jest to elektroda miedziana, to ulegnie ona jedynie wygięciu, a nie pęknięciu, co jest bardzo niebezpieczne i trudne do wykrycia w trakcie użytkowania, a ponadto może łatwo doprowadzić do złomowania przedmiotu obrabianego.
1.8.Cena.
Miedź jest surowcem nieodnawialnym, jej ceny będą coraz wyższe, podczas gdy cena grafitu ma tendencję stabilizacyjną.
Ceny miedzi wzrosły w ostatnich latach, w związku z czym główni producenci grafitu, ulepszając proces produkcji grafitu, zyskują przewagę konkurencyjną. Obecnie, przy tej samej objętości, cena elektrod grafitowych i miedzianych jest dość korzystna, ale grafit pozwala na wydajniejsze przetwarzanie niż elektrody miedziane, co pozwala zaoszczędzić dużą liczbę godzin pracy, co przekłada się bezpośrednio na obniżenie kosztów produkcji.
Podsumowując, spośród 8 cech edM elektrody grafitowej, jej zalety są oczywiste: wydajność mielenia elektrody i obróbki wyładowczej jest znacznie lepsza niż w przypadku elektrody miedzianej; duża elektroda ma małą wagę, dobrą stabilność wymiarową, cienka elektroda nie jest łatwa do odkształcenia, a tekstura powierzchni jest lepsza niż w przypadku elektrody miedzianej.
Wadą materiału grafitowego jest to, że nie nadaje się do obróbki wyładowaniami drobnoziarnistymi na powierzchni przy VDI12 (Ra0,4 m), a wydajność stosowania edM do wytwarzania elektrod jest niska.
Jednak z praktycznego punktu widzenia, jednym z ważnych powodów wpływających na skuteczną promocję materiałów grafitowych w Chinach jest konieczność stosowania specjalnych maszyn do obróbki grafitu w celu mielenia elektrod, co stawia nowe wymagania wobec sprzętu przetwórczego przedsiębiorstw zajmujących się formowaniem, podczas gdy niektóre małe przedsiębiorstwa mogą nie mieć tego warunku.
Ogólnie rzecz biorąc, zalety elektrod grafitowych pokrywają zdecydowaną większość zastosowań w obróbce elektrochemicznej (EDM) i są warte popularyzacji i zastosowania, przynosząc znaczne korzyści długoterminowe. Niedobór precyzyjnej obróbki powierzchni można zrekompensować zastosowaniem elektrod miedzianych.
2.Dobór materiałów elektrod grafitowych do obróbki elektroerozyjnej
W przypadku materiałów grafitowych istnieją cztery główne wskaźniki, które bezpośrednio określają wydajność materiałów:
1) Średnia średnica cząstek materiału
Średnia średnica cząstek materiału ma bezpośredni wpływ na warunki rozładowania materiału.
Im mniejsza jest przeciętna cząstka materiału grafitowego, tym bardziej równomierne jest wyładowanie, tym stabilniejsze są warunki wyładowania, lepsza jest jakość powierzchni i tym mniejsze są straty.
Im większy jest średni rozmiar cząstek, tym lepszą wydajność usuwania można uzyskać podczas obróbki zgrubnej, ale efekt wykańczania powierzchni jest słaby, a strata elektrody jest duża.
2) Wytrzymałość materiału na zginanie
Wytrzymałość materiału na zginanie jest bezpośrednim odzwierciedleniem jego wytrzymałości i wskazuje na szczelność jego wewnętrznej struktury.
Materiał o wysokiej wytrzymałości charakteryzuje się stosunkowo dobrą odpornością na wyładowania. W przypadku elektrody o wysokiej precyzji należy w miarę możliwości wybierać materiał o dobrej wytrzymałości.
3) Twardość materiału w skali Shore’a
Grafit jest twardszy od materiałów metalowych, a strata narzędzia skrawającego jest większa niż strata metalu tnącego.
Jednocześnie wysoka twardość materiału grafitowego poprawia kontrolę strat rozładowania.
4) Naturalna rezystywność materiału
Szybkość rozładowania materiału grafitowego o wysokiej rezystywności naturalnej będzie wolniejsza niż w przypadku materiału o niskiej rezystywności.
Im wyższa rezystywność właściwa, tym mniejsza strata elektrody, ale im wyższa rezystywność właściwa, tym stabilność wyładowania będzie zagrożona.
Obecnie najwięksi światowi dostawcy grafitu oferują wiele różnych gatunków grafitu.
Ogólnie rzecz biorąc, według średniej średnicy cząstek materiałów grafitowych podlegających klasyfikacji, średnica cząstek ≤ 4 μm jest definiowana jako drobny grafit, cząstki o średnicy 5–10 μm są definiowane jako średni grafit, a cząstki o średnicy powyżej 10 μm są definiowane jako gruby grafit.
Im mniejsza średnica cząstek, tym droższy materiał, tym bardziej odpowiedni materiał grafitowy należy wybrać zgodnie z wymaganiami i kosztami obróbki elektroerozyjnej.
3.Wykonanie elektrody grafitowej
Elektrodę grafitową wykonuje się głównie metodą frezowania.
Z punktu widzenia technologii przetwarzania grafit i miedź to dwa różne materiały, których różne właściwości skrawania muszą być poznane.
Jeżeli elektroda grafitowa jest przetwarzana w procesie elektrody miedzianej, nieuchronnie pojawiają się problemy, takie jak częste pękanie blachy, co wymaga stosowania odpowiednich narzędzi skrawających i parametrów cięcia.
Obróbka elektrody grafitowej powoduje większe zużycie narzędzia niż obróbka elektrody miedzianej. Biorąc pod uwagę względy ekonomiczne, wybór narzędzia węglikowego jest najbardziej ekonomiczny, należy wybrać narzędzie z powłoką diamentową (tzw. nóż grafitowy), którego cena jest wyższa, ale narzędzie z powłoką diamentową ma dłuższą żywotność, wysoką precyzję obróbki, a ogólna korzyść ekonomiczna jest dobra.
Wielkość kąta czołowego narzędzia ma również wpływ na jego żywotność. Kąt czołowy narzędzia wynoszący 0° będzie nawet o 50% większy niż kąt czołowy 15°, co zwiększa trwałość narzędzia. Stabilność cięcia jest również lepsza, ale im większy kąt, tym lepsza powierzchnia obrabiana. Zastosowanie kąta czołowego 15° pozwala uzyskać najlepszą powierzchnię obrabianą.
Prędkość skrawania podczas obróbki można dostosować do kształtu elektrody, zwykle 10 m/min, podobnie jak w przypadku obróbki aluminium lub tworzywa sztucznego. Narzędzie skrawające może być bezpośrednio na obrabianym przedmiocie podczas obróbki zgrubnej. Zjawisko załamania kąta i fragmentacji łatwo występuje podczas obróbki wykańczającej. Często stosuje się metodę szybkiego przesuwania lekkiego noża.
Elektroda grafitowa w procesie cięcia wytwarza dużo pyłu, aby zapobiec wdychaniu cząsteczek grafitu do wrzeciona i śruby maszyny, obecnie stosuje się dwa główne rozwiązania. Pierwsze polega na użyciu specjalnej maszyny do obróbki grafitu, drugie to standardowy remont centrum obróbczego, wyposażonego w specjalne urządzenie do odpylania.
Specjalna grafitowa frezarka szybkoobrotowa dostępna na rynku charakteryzuje się dużą wydajnością frezowania i może z łatwością wykonywać skomplikowane elektrody z dużą precyzją i dobrą jakością powierzchni.
Jeżeli do wytworzenia elektrody grafitowej konieczne jest zastosowanie obróbki elektroerozyjnej, zaleca się użycie drobnego materiału grafitowego o mniejszej średnicy cząstek.
Wydajność obróbki grafitu jest słaba; im mniejsza średnica cząstek, tym większą wydajność cięcia można uzyskać, a także uniknąć nietypowych problemów, takich jak częste pękanie drutu i powstawanie frędzli na powierzchni.
4.Parametry EDM elektrody grafitowej
Dobór parametrów obróbki EDM grafitu i miedzi jest zupełnie inny.
Parametry EDM obejmują przede wszystkim prąd, szerokość impulsu, przerwę impulsową i polaryzację.
Poniżej opisano podstawy racjonalnego wykorzystania tych głównych parametrów.
Gęstość prądu elektrody grafitowej wynosi zazwyczaj 10–12 A/cm² i jest znacznie większa niż w przypadku elektrody miedzianej. Dlatego też, w zakresie dopuszczalnego prądu w danym obszarze, im większy prąd zostanie wybrany, tym szybsza będzie prędkość rozładowania grafitu, tym mniejsze będą straty na elektrodzie, ale powierzchnia będzie grubsza.
Im większa szerokość impulsu, tym mniejsza będzie strata elektrody.
Jednak większa szerokość impulsu pogorszy stabilność przetwarzania, spowolni prędkość przetwarzania i sprawi, że powierzchnia będzie bardziej szorstka.
Aby zapewnić niskie straty na elektrodzie podczas obróbki zgrubnej, zazwyczaj stosuje się stosunkowo dużą szerokość impulsu, co pozwala skutecznie realizować obróbkę elektrody grafitowej z niskimi stratami, gdy wartość wynosi od 100 do 300 US.
Aby uzyskać dobrą powierzchnię i stabilny efekt rozładowania, należy wybrać mniejszą szerokość impulsu.
Ogólnie rzecz biorąc, szerokość impulsu elektrody grafitowej jest o około 40% mniejsza niż elektrody miedzianej
Przerwa impulsowa wpływa głównie na prędkość obróbki i stabilność obróbki. Im większa wartość, tym lepsza stabilność obróbki, co pomaga uzyskać lepszą jednorodność powierzchni, ale prędkość obróbki ulegnie zmniejszeniu.
Pod warunkiem zapewnienia stabilności przetwarzania, wyższą wydajność przetwarzania można uzyskać poprzez wybór mniejszej przerwy między impulsami, natomiast gdy stan rozładowania jest niestabilny, wyższą wydajność przetwarzania można uzyskać poprzez wybór większej przerwy między impulsami.
W przypadku obróbki elektroerozyjnej elektrod grafitowych odstęp między impulsami i szerokość impulsu są zwykle ustawione na poziomie 1:1, natomiast w przypadku obróbki elektrod miedzianych odstęp między impulsami i szerokość impulsu są zwykle ustawione na poziomie 1:3.
Przy stabilnej obróbce grafitu stosunek dopasowania odstępu impulsów do ich szerokości można dostosować do wartości 2:3.
W przypadku małych przerw między impulsami korzystne jest utworzenie warstwy osłonowej na powierzchni elektrody, co pomaga ograniczyć straty na elektrodzie.
Wybór biegunowości elektrody grafitowej w obróbce elektroerozyjnej jest zasadniczo taki sam jak w przypadku elektrody miedzianej.
Ze względu na efekt polaryzacji w obróbce elektroerozyjnej, obróbka z biegunowością dodatnią jest zwykle stosowana podczas obróbki stali matrycowej, co oznacza, że elektroda jest podłączona do dodatniego bieguna źródła zasilania, a przedmiot obrabiany jest podłączony do ujemnego bieguna źródła zasilania.
Przy zastosowaniu dużego natężenia prądu i szerokości impulsu, wybór obróbki z dodatnią polaryzacją pozwala uzyskać wyjątkowo niskie straty na elektrodzie. Nieprawidłowa polaryzacja może prowadzić do bardzo dużych strat na elektrodzie.
Tylko wtedy, gdy powierzchnia musi zostać poddana dokładnej obróbce o parametrach mniejszych niż VDI18 (Ra0,8 m) i szerokość impulsu jest bardzo mała, stosuje się obróbkę o ujemnej polaryzacji w celu uzyskania lepszej jakości powierzchni, ale straty na elektrodzie są duże.
Obecnie obrabiarki CNC EDM są wyposażone w parametry obróbki elektroerozyjnej grafitu.
Wykorzystanie parametrów elektrycznych odbywa się w sposób inteligentny i może być generowane automatycznie przez system ekspercki obrabiarki.
Zasadniczo maszyna może skonfigurować zoptymalizowane parametry obróbki poprzez wybranie pary materiałów, rodzaju zastosowania, wartości chropowatości powierzchni oraz wprowadzenie obszaru obróbki, głębokości obróbki, skalowania rozmiaru elektrody itp. podczas programowania.
Zestaw elektrod grafitowych do biblioteki narzędzi obrabiarek EDM, bogate parametry przetwarzania, typ materiału można wybrać spośród grafitu grubego, grafitu, grafit odpowiada różnym materiałom obrabianego przedmiotu, aby podzielić typ zastosowania na standardowy, głęboki rowek, ostry punkt, duży obszar, dużą wnękę, taki jak drobny, zapewnia również niskie straty, standard, wysoką wydajność i tak dalej, wiele rodzajów priorytetowego wyboru przetwarzania.
5.Wnioski
Nowy materiał elektrody grafitowej zasługuje na intensywną popularyzację, a jego zalety będą stopniowo dostrzegane i akceptowane przez krajowy przemysł produkcji form.
Prawidłowy dobór materiałów elektrod grafitowych i udoskonalenie powiązanych z tym powiązań technologicznych przyniesie przedsiębiorstwom zajmującym się produkcją form wysoką wydajność, wysoką jakość i niskie koszty.
Czas publikacji: 04-12-2020