1. EDM značilnosti grafitnih materialov.
1.1. Hitrost obdelave pri praznjenju.
Grafit je nekovinski material z zelo visokim tališčem 3.650 °C, medtem ko ima baker tališče 1.083 °C, zato lahko grafitna elektroda prenese višje pogoje nastavitve toka.
Ko sta površina praznjenja in velikost elektrode večja, so prednosti visoko učinkovite grobe obdelave grafitnega materiala bolj očitne.
Toplotna prevodnost grafita je 1/3 toplotne prevodnosti bakra, toplota, ki nastane med procesom praznjenja, pa se lahko uporabi za učinkovitejše odstranjevanje kovinskih materialov. Zato je učinkovitost obdelave grafita pri srednji in fini obdelavi višja kot pri bakreni elektrodi.
Glede na izkušnje s predelavo je hitrost obdelave grafitne elektrode pri pravilnih pogojih uporabe 1,5 do 2-krat hitrejša od hitrosti obdelave bakrene elektrode.
1.2. Poraba elektrod.
Grafitna elektroda ima lastnosti, ki lahko prenesejo visoke tokove, poleg tega pa se ob ustrezni nastavitvi grobe obdelave, vključno z obdelovanci iz ogljikovega jekla, izdelanimi med obdelavo, odstrani vsebino in delovno tekočino pri visoki temperaturi, razgradi ogljikove delce. Zaradi polarnosti se ogljikovi delci pod vplivom delne odstranitve vsebine oprimejo površine elektrode in tvorijo zaščitno plast, kar zagotavlja majhne izgube grafitne elektrode pri grobi obdelavi ali celo "nič odpadkov".
Glavna izguba elektrode pri erozijsko obdelavi nastane zaradi grobe obdelave. Čeprav je stopnja izgub visoka pri pogojih fine obdelave, je skupna izguba prav tako nizka zaradi majhnega dodatka za obdelavo, namenjenega delom.
Na splošno so izgube grafitne elektrode pri grobi obdelavi z velikim tokom manjše kot pri bakreni elektrodi in nekoliko večje kot pri bakreni elektrodi pri fini obdelavi. Izgube grafitne elektrode so podobne.
1.3. Kakovost površine.
Premer delcev grafitnega materiala neposredno vpliva na hrapavost površine pri erozijsko obdelavi. Manjši kot je premer, nižja je hrapavost površine.
Pred nekaj leti je bilo mogoče z uporabo grafitnih delcev s premerom fi 5 mikronov doseči najboljšo površino le po VDI18 edm (Ra 0,8 mikrona). Danes so grafitni materiali s premerom zrn dosegli fi znotraj 3 mikronov, najboljša površina pa je lahko dosegla stabilno VDI12 edm (Ra 0,4 mikrona) ali bolj sofisticirano raven, vendar je grafitna elektroda dosegla zrcalno edm.
Bakreni material ima nizko upornost in kompaktno strukturo ter se lahko stabilno obdeluje v težkih pogojih. Hrapavost površine je lahko manjša od Ra0,1 m in se lahko obdeluje z zrcalnim brušenjem.
Če torej elektroerozijska obdelava zahteva izjemno fino površino, je kot elektrodo primerneje uporabiti bakreni material, kar je glavna prednost bakrene elektrode pred grafitno elektrodo.
Toda bakrena elektroda pod pogojem velikega toka zlahka postane hrapava in celo razpokana, pri grafitnih materialih pa te težave ne bi bilo. Zahteva glede hrapavosti površine po VDI26 (Ra2,0 mikrona) pri obdelavi kalupov omogoča uporabo grafitne elektrode od grobe do fine obdelave, kar zagotavlja enakomeren površinski učinek in odpravlja površinske napake.
Poleg tega je zaradi različne strukture grafita in bakra točka površinske korozije grafitne elektrode bolj enakomerna kot pri bakreni elektrodi. Zato je pri obdelavi enake hrapavosti površine VDI20 ali višje zrnatost površine obdelovanca, obdelanega z grafitno elektrodo, bolj izrazita, ta učinek površinske zrnatosti pa je boljši kot učinek površinske korozije bakrene elektrode.
1.4. Natančnost obdelave.
Koeficient toplotnega raztezanja grafitnega materiala je majhen, koeficient toplotnega raztezanja bakra pa je 4-krat večji od koeficienta toplotnega raztezanja grafita, zato je grafitna elektroda pri obdelavi z razelektritvijo manj nagnjena k deformacijam kot bakrena elektroda, kar omogoča stabilnejšo in zanesljivejšo natančnost obdelave.
Še posebej pri obdelavi globokih in ozkih reber se zaradi lokalne visoke temperature bakrena elektroda zlahka upogne, grafitna elektroda pa ne.
Pri bakrenih elektrodah z velikim razmerjem med globino in premerom je treba kompenzirati določeno vrednost toplotnega raztezanja, da se popravi velikost med obdelavo, medtem ko grafitna elektroda ni potrebna.
1.5. Teža elektrode.
Grafitni material je manj gost kot baker, teža grafitne elektrode enake prostornine pa je le 1/5 teže bakrene elektrode.
Vidimo lahko, da je uporaba grafita zelo primerna za elektrode z veliko prostornino, kar močno zmanjša obremenitev vretena EDM stroja. Elektroda zaradi svoje velike teže ne bo povzročala težav pri vpenjanju in ne bo povzročala odklona in premika med obdelavo itd. Vidimo lahko, da je uporaba grafitnih elektrod zelo pomembna pri obdelavi kalupov v velikem obsegu.
1.6. Težave pri izdelavi elektrod.
Obdelava grafitnega materiala je dobra. Odpornost proti rezanju je le 1/4 odpornosti bakra. V pravilnih pogojih obdelave je učinkovitost rezkanja grafitne elektrode 2~3-krat večja od učinkovitosti bakrene elektrode.
Grafitna elektroda je enostavna za čiščenje pod kotom in se lahko uporablja za obdelavo obdelovanca, ki ga je treba obdelati z več elektrodami v eno samo elektrodo.
Edinstvena struktura delcev grafitnega materiala preprečuje nastanek ostružkov po rezkanju in oblikovanju elektrode, kar lahko neposredno izpolni zahteve uporabe, kadar ostružkov pri kompleksnem modeliranju ni enostavno odstraniti, s čimer se odpravi postopek ročnega poliranja elektrode in se izognemo napakam pri spremembi oblike in velikosti, ki jih povzroča poliranje.
Treba je opozoriti, da grafit zaradi kopičenja prahu pri mletju grafita proizvaja veliko prahu, zato mora imeti rezkalni stroj tesnilo in napravo za zbiranje prahu.
Če je za obdelavo grafitnih elektrod potrebno uporabiti erozijo, njena obdelovalna zmogljivost ni tako dobra kot pri bakrenih materialih, hitrost rezanja pa je približno 40 % počasnejša od bakra.
1.7. Namestitev in uporaba elektrod.
Grafitni material ima dobre vezivne lastnosti. Z rezkanjem elektrode in njenim razelektritvijo se grafit lahko veže na vpenjalo, kar prihrani postopek obdelave luknje za vijak na elektrodi in delovni čas.
Grafitni material je relativno krhek, zlasti majhna, ozka in dolga elektroda, ki se med uporabo zlahka zlomi, ko je izpostavljena zunanji sili, vendar lahko takoj veste, da je bila elektroda poškodovana.
Če gre za bakreno elektrodo, se bo le upognila in se ne bo zlomila, kar je zelo nevarno in težko najti med uporabo, poleg tega pa lahko zlahka povzroči odpadke obdelovanca.
1.8. Cena.
Bakreni material je neobnovljiv vir, cenovni trend bo postajal vedno dražji, medtem ko se bo cena grafitnega materiala stabilizirala.
Cena bakra se je v zadnjih letih zvišala, glavni proizvajalci grafita pa so izboljšali postopek proizvodnje grafita in si zagotovili konkurenčno prednost. Zdaj je cena grafitnih elektrod pri enaki količini precejšnja, vendar je grafit mogoče predelati učinkoviteje kot bakrene elektrode. Uporaba bakrenih elektrod prihrani veliko delovnih ur, kar neposredno zmanjša proizvodne stroške.
Če povzamemo, so med 8 značilnostmi edM grafitne elektrode njene prednosti očitne: učinkovitost rezkalne elektrode in obdelave z razelektritvijo je bistveno boljša kot pri bakreni elektrodi; velika elektroda ima majhno težo, dobro dimenzijsko stabilnost, tanka elektroda se ne deformira zlahka, površinska tekstura pa je boljša kot pri bakreni elektrodi.
Slabost grafitnega materiala je, da ni primeren za fino površinsko razelektritev po VDI12 (Ra 0,4 m), učinkovitost uporabe erodiranja za izdelavo elektrod pa je nizka.
Vendar pa je s praktičnega vidika eden od pomembnih razlogov, ki vplivajo na učinkovito promocijo grafitnih materialov na Kitajskem, ta, da je za mletje elektrod potreben poseben stroj za obdelavo grafita, kar postavlja nove zahteve za procesno opremo podjetij za kalupe, nekatera mala podjetja pa morda nimajo tega pogoja.
Na splošno velja, da prednosti grafitnih elektrod pokrivajo veliko večino primerov obdelave z elektroerozijo in so vredne popularizacije in uporabe, s precejšnjimi dolgoročnimi koristmi. Pomanjkljivost fine obdelave površin je mogoče nadomestiti z uporabo bakrenih elektrod.
2. Izbira materialov grafitnih elektrod za EDM
Pri grafitnih materialih obstajajo predvsem naslednji štirje kazalniki, ki neposredno določajo delovanje materialov:
1) Povprečni premer delcev materiala
Povprečni premer delcev materiala neposredno vpliva na pogoje praznjenja materiala.
Manjši kot je povprečni delec grafita, bolj enakomeren je izpust, stabilnejši so pogoji izpusta, boljša je kakovost površine in manjše so izgube.
Večja kot je povprečna velikost delcev, boljšo hitrost odstranjevanja je mogoče doseči pri grobi obdelavi, vendar je površinski učinek končne obdelave slab in izguba elektrode je velika.
2) Upogibna trdnost materiala
Upogibna trdnost materiala je neposreden odraz njegove trdnosti, kar kaže na tesnost njegove notranje strukture.
Material z visoko trdnostjo ima relativno dobro odpornost proti razelektritvi. Za elektrodo z visoko natančnostjo je treba izbrati material z dobro trdnostjo, kolikor je to mogoče.
3) Trdota materiala po Shoru
Grafit je trši od kovinskih materialov, izguba rezalnega orodja pa je večja kot izguba rezalne kovine.
Hkrati je visoka trdota grafitnega materiala pri nadzoru izgub pri praznjenju boljša.
4) Inherentna upornost materiala
Hitrost praznjenja grafitnega materiala z visoko inherentno upornostjo bo počasnejša kot pri nizki upornosti.
Višja kot je inherentna upornost, manjša je izguba elektrode, vendar višja kot je inherentna upornost, bolj bo prizadeta stabilnost praznjenja.
Trenutno je na voljo veliko različnih vrst grafita vodilnih svetovnih dobaviteljev grafita.
Na splošno se glede na povprečni premer delcev grafita, ki ga je treba razvrstiti, delci s premerom ≤ 4 µm opredelijo kot fin grafit, delci s premerom 5 ~ 10 µm so opredeljeni kot srednji grafit, delci s premerom 10 µm in več pa kot grob grafit.
Manjši kot je premer delcev, dražji je material in primernejši grafitni material je mogoče izbrati glede na zahteve in stroške EDM.
3. Izdelava grafitne elektrode
Grafitna elektroda se v glavnem izdeluje z rezkanjem.
Z vidika tehnologije obdelave sta grafit in baker dva različna materiala, zato je treba obvladati njune različne rezalne lastnosti.
Če se grafitna elektroda obdeluje po postopku bakrene elektrode, se bodo neizogibno pojavile težave, kot je pogosto lomljenje pločevine, kar zahteva uporabo ustreznih rezalnih orodij in rezalnih parametrov.
Obdelava grafitnih elektrod se bolj obrabi kot bakrena elektroda. Z ekonomskega vidika je izbira karbidnega orodja najbolj ekonomična. Izberite orodje za diamantno prevleko (imenovano grafitni nož), ki je sicer dražje, vendar ima orodje za diamantno prevleko dolgo življenjsko dobo, visoko natančnost obdelave in splošno ekonomsko korist.
Velikost sprednjega kota orodja vpliva tudi na njegovo življenjsko dobo. Sprednji kot orodja 0° bo do 50 % večji od sprednjega kota 15°, kar pomeni boljšo stabilnost rezanja, vendar večji kot je kot, boljša je obdelovalna površina. Z uporabo kota 15° orodja lahko dosežete najboljšo obdelovalno površino.
Hitrost rezanja pri obdelavi se lahko prilagodi glede na obliko elektrode, običajno 10 m/min, podobno kot pri obdelavi aluminija ali plastike, rezalno orodje je lahko pri grobi obdelavi neposredno na obdelovancu in z njega, pojav kotnega zloma in drobljenja pa se pri končni obdelavi zlahka pojavi, pogosto pa se uporablja način hitre hoje z lahkim nožem.
Grafitna elektroda med rezanjem proizvaja veliko prahu. Da bi se izognili vdihavanju grafitnih delcev v vreteno in vijak stroja, trenutno obstajata dve glavni rešitvi: ena je uporaba posebnega stroja za obdelavo grafita, druga pa je prenova običajnega obdelovalnega centra, opremljenega s posebno napravo za zbiranje prahu.
Posebni visokohitrostni rezkalni stroj za grafit, ki je na voljo na trgu, ima visoko učinkovitost rezkanja in lahko enostavno zaključi izdelavo kompleksnih elektrod z visoko natančnostjo in dobro kakovostjo površine.
Če je za izdelavo grafitne elektrode potrebna EDM, je priporočljivo uporabiti fin grafitni material z manjšim premerom delcev.
Zmogljivost obdelave grafita je slaba, manjši kot je premer delcev, večja je učinkovitost rezanja in se je mogoče izogniti nenormalnim težavam, kot so pogosto lomljenje žice in površinske obrobe.
4. EDM parametri grafitne elektrode
Izbira parametrov EDM za grafit in baker je precej različna.
Parametri EDM vključujejo predvsem tok, širino impulza, pulzno vrzel in polarnost.
V nadaljevanju je opisana osnova za racionalno uporabo teh glavnih parametrov.
Gostota toka grafitne elektrode je običajno 10~12 A/cm2, kar je veliko več kot pri bakreni elektrodi. Zato v območju dovoljenega toka na ustreznem območju velja, da večji kot je izbran tok, hitrejša bo hitrost obdelave grafitnega praznjenja, manjše bodo izgube elektrode, vendar bo hrapavost površine večja.
Večja kot je širina impulza, manjša bo izguba elektrode.
Vendar pa bo večja širina impulza poslabšala stabilnost obdelave, hitrost obdelave počasnejša in površina bolj hrapava.
Da bi zagotovili majhne izgube elektrode med grobo obdelavo, se običajno uporablja relativno velika širina impulza, ki lahko učinkovito doseže obdelavo grafitnih elektrod z majhnimi izgubami, ko je vrednost med 100 in 300 US.
Za dosego fine površine in stabilnega učinka praznjenja je treba izbrati manjšo širino impulza.
Na splošno je širina impulza grafitne elektrode približno 40 % manjša od širine impulza bakrene elektrode.
Impulzni razmik vpliva predvsem na hitrost obdelave z razelektritvijo in stabilnost obdelave. Večja kot je vrednost, boljša je stabilnost obdelave, kar je koristno za doseganje boljše enakomernosti površine, vendar se bo hitrost obdelave zmanjšala.
Pod pogojem zagotavljanja stabilnosti obdelave je mogoče doseči večjo učinkovitost obdelave z izbiro manjše impulzne reže, ko pa je stanje praznjenja nestabilno, je mogoče doseči večjo učinkovitost obdelave z izbiro večje impulzne reže.
Pri obdelavi grafitnih elektrod z razelektritvijo sta pulzna vrzel in širina impulza običajno nastavljena na 1:1, medtem ko sta pri obdelavi bakrenih elektrod pulzna vrzel in širina impulza običajno nastavljena na 1:3.
Pri stabilni obdelavi grafita se lahko razmerje ujemanja med pulzno vrzeljo in širino impulza nastavi na 2:3.
V primeru majhnega impulznega razmika je koristno, da se na površini elektrode oblikuje pokrivna plast, ki pomaga zmanjšati izgube na elektrodi.
Izbira polarnosti grafitne elektrode pri EDM je v osnovi enaka kot pri bakreni elektrodi.
Glede na učinek polarnosti EDM se pri obdelavi jekla za matrice običajno uporablja obdelava s pozitivno polarnostjo, to pomeni, da je elektroda priključena na pozitivni pol napajanja, obdelovanec pa na negativni pol napajanja.
Z uporabo velikega toka in širine impulza lahko z izbiro obdelave s pozitivno polarnostjo dosežemo izjemno majhne izgube elektrod. Če je polarnost napačna, bodo izgube elektrod zelo velike.
Le kadar je potrebna fina obdelava površine manjša od VDI18 (Ra0,8 m) in je širina impulza zelo majhna, se za doseganje boljše kakovosti površine uporabi obdelava z negativno polarnostjo, vendar so izgube elektrod velike.
Zdaj so CNC erodirajoči stroji opremljeni s parametri obdelave z grafitnim praznjenjem.
Uporaba električnih parametrov je inteligentna in jo lahko samodejno generira ekspertni sistem obdelovalnega stroja.
Na splošno lahko stroj konfigurira optimizirane parametre obdelave z izbiro para materialov, vrste uporabe, vrednosti hrapavosti površine in vnosom območja obdelave, globine obdelave, skaliranja velikosti elektrode itd. med programiranjem.
Za grafitne elektrode v knjižnici obdelovalnih strojev EDM je nastavljen bogat obdelovalni parametri. Vrsta materiala je lahko izbrana med grobim grafitom in grafitnim materialom. Grafit ustreza različnim materialom obdelovanca. Vrsta uporabe je razdeljena na standardne, globoke utore, ostre konice, velike površine, velike votline in druge, ki zagotavljajo tudi nizke izgube, standardne in visoko učinkovite obdelave.
5. Zaključek
Novi material za grafitne elektrode je vreden močne popularizacije, njegove prednosti pa bo domača industrija kalupov postopoma prepoznala in sprejela.
Pravilna izbira materialov grafitnih elektrod in izboljšanje s tem povezanih tehnoloških povezav bosta podjetjem za proizvodnjo kalupov prinesla visoko učinkovitost, visoko kakovost in nizke stroške.
Čas objave: 4. dec. 2020