1. EDM charakteristiky grafitových materiálov.
1.1. Rýchlosť obrábania pri vybíjaní.
Grafit je nekovový materiál s veľmi vysokým bodom topenia 3 650 °C, zatiaľ čo meď má bod topenia 1 083 °C, takže grafitová elektróda znesie vyššie podmienky nastavenia prúdu.
Keď je plocha výboja a rozsah veľkosti elektródy väčší, výhody vysokoúčinného hrubého obrábania grafitového materiálu sú zreteľnejšie.
Tepelná vodivosť grafitu je 1/3 tepelnej vodivosti medi a teplo generované počas procesu vybíjania sa dá využiť na efektívnejšie odstraňovanie kovových materiálov. Preto je účinnosť spracovania grafitu pri strednom a jemnom spracovaní vyššia ako pri medených elektródach.
Podľa skúseností so spracovaním je rýchlosť spracovania grafitovej elektródy za správnych podmienok používania 1,5 až 2-krát vyššia ako rýchlosť spracovania medenej elektródy.
1.2. Spotreba elektródy.
Grafitová elektróda má vlastnosti, ktoré odolávajú vysokým prúdovým podmienkam a za podmienok vhodného hrubovania, vrátane obrobkov z uhlíkovej ocele vyrobených počas obrábania, ktoré sa odstraňujú a rozkladajú v pracovnej kvapaline pri vysokej teplote, dochádza k rozkladu uhlíkových častíc. V dôsledku polarity sa uhlíkové častice pri čiastočnom odstraňovaní obsahu prilepia na povrch elektródy a vytvoria ochrannú vrstvu, čo zabezpečí malé straty grafitovej elektródy pri hrubovaní alebo dokonca „nulový odpad“.
Hlavné straty elektródy pri EDM pochádzajú z hrubého obrábania. Hoci je miera strát vysoká pri podmienkach dokončovania, celkové straty sú tiež nízke vďaka malému prídavku na obrábanie vyhradenému pre súčiastky.
Vo všeobecnosti sú straty grafitovej elektródy pri hrubom obrábaní s veľkým prúdom menšie ako straty medenej elektródy a pri dokončovacom obrábaní o niečo väčšie ako straty medenej elektródy. Straty grafitovej elektródy sú podobné.
1.3. Kvalita povrchu.
Priemer častíc grafitového materiálu priamo ovplyvňuje drsnosť povrchu pri EDM. Čím menší je priemer, tým nižšiu drsnosť povrchu možno dosiahnuť.
Pred niekoľkými rokmi sa pri použití grafitových materiálov s priemerom častíc phi 5 mikrónov dosiahol najlepší povrch iba VDI18 edm (Ra 0,8 mikrónu). V súčasnosti sa grafitové materiály s priemerom zŕn phi pohybujú v rozmedzí 3 mikrónov a najlepší povrch sa dá dosiahnuť stabilnou VDI12 edm (Ra 0,4 μm) alebo sofistikovanejšou úrovňou, ale grafitová elektróda sa používa na zrkadlové edm.
Medený materiál má nízky odpor a kompaktnú štruktúru a dá sa stabilne spracovať aj v náročných podmienkach. Drsnosť povrchu môže byť menšia ako Ra0,1 m a je možné ho opracovať zrkadlovým brúsením.
Ak sa teda pri obrábaní výbojom dosahuje extrémne jemný povrch, je vhodnejšie použiť ako elektródu medený materiál, čo je hlavnou výhodou medenej elektródy oproti grafitovej elektróde.
Medená elektróda však pri vysokom prúdovom nastavení ľahko zdrsní svoj povrch a dokonca sa objaví prasklina. Grafitové materiály by tento problém nemali. Požiadavka na drsnosť povrchu podľa VDI26 (Ra2,0 mikrónov) pri obrábaní foriem umožňuje použitie grafitovej elektródy od hrubého po jemné obrábanie, čím sa dosiahne rovnomerný povrchový efekt a odstraňujú sa povrchové chyby.
Okrem toho, kvôli odlišnej štruktúre grafitu a medi je bod korózie povrchového výboja grafitovej elektródy pravidelnejší ako u medenej elektródy. Preto pri spracovaní rovnakej drsnosti povrchu VDI20 alebo vyššej je zrnitosť povrchu obrobku spracovaného grafitovou elektródou výraznejšia a tento efekt povrchového zrna je lepší ako efekt povrchového výboja medenej elektródy.
1.4. Presnosť obrábania.
Koeficient tepelnej rozťažnosti grafitového materiálu je malý, koeficient tepelnej rozťažnosti medeného materiálu je 4-krát vyšší ako koeficient tepelnej rozťažnosti grafitového materiálu, takže pri spracovaní výbojom je grafitová elektróda menej náchylná na deformáciu ako medená elektróda, čo umožňuje dosiahnuť stabilnejšiu a spoľahlivejšiu presnosť spracovania.
Najmä pri spracovaní hlbokého a úzkeho rebra sa medená elektróda ľahko ohne, ale grafitová elektróda nie.
Pri medených elektródach s veľkým pomerom hĺbky k priemeru by sa mala kompenzovať určitá hodnota tepelnej rozťažnosti, aby sa korigovala veľkosť počas obrábania, zatiaľ čo grafitová elektróda nie je potrebná.
1.5. Hmotnosť elektródy.
Grafitový materiál má menšiu hustotu ako meď a hmotnosť grafitovej elektródy s rovnakým objemom je iba 1/5 hmotnosti medenej elektródy.
Je zrejmé, že použitie grafitu je veľmi vhodné pre elektródy s veľkým objemom, čo výrazne znižuje zaťaženie vretena EDM obrábacieho stroja. Elektróda nespôsobí ťažkosti pri upínaní kvôli svojej veľkej hmotnosti a nebude spôsobovať vychýlenie a posunutie pri obrábaní atď. Je zrejmé, že použitie grafitovej elektródy pri obrábaní foriem vo veľkom meradle má veľký význam.
1.6. Ťažkosti s výrobou elektród.
Obrábací výkon grafitového materiálu je dobrý. Odolnosť voči rezu je len štvrtinou odolnosti medi. Za správnych podmienok spracovania je účinnosť frézovania grafitovej elektródy 2 až 3-krát vyššia ako u medenej elektródy.
Grafitová elektróda sa ľahko čistí pod uhlom a môže sa použiť na spracovanie obrobku, ktorý by mal byť dokončený viacerými elektródami do jednej elektródy.
Unikátna štruktúra častíc grafitového materiálu zabraňuje vzniku otrepov po frézovaní a tvarovaní elektródy, čo môže priamo spĺňať požiadavky na použitie, keď sa otrepy pri komplexnom modelovaní nedajú ľahko odstrániť, čím sa eliminuje proces manuálneho leštenia elektródy a zabráni sa chybám v tvare a veľkosti spôsobeným leštením.
Treba poznamenať, že keďže grafit je prachový materiál, jeho frézovanie produkuje veľa prachu, takže fréza musí mať tesnenie a zariadenie na zachytávanie prachu.
Ak je potrebné použiť erodovacie obrábanie grafitových elektród, ich spracovateľský výkon nie je taký dobrý ako u medi a rýchlosť rezania je približne o 40 % nižšia ako u medi.
1.7. Inštalácia a použitie elektródy.
Grafitový materiál má dobré spojovacie vlastnosti. Dá sa použiť na spojenie grafitu s upínacím prípravkom frézovaním elektródy a jej vybíjaním, čo môže ušetriť proces obrábania otvoru pre skrutku v materiáli elektródy a ušetriť pracovný čas.
Grafitový materiál je relatívne krehký, najmä malá, úzka a dlhá elektróda, ktorá sa pri použití pri vonkajšej sile ľahko zlomí, ale okamžite vie, že elektróda bola poškodená.
Ak ide o medenú elektródu, bude sa iba ohýbať a nezlomí sa, čo je veľmi nebezpečné a ťažko sa to vyskytuje v procese používania a ľahko to povedie k poškodeniu obrobku.
1.8.Cena.
Meď je neobnoviteľný zdroj, cenový trend bude čoraz drahší, zatiaľ čo cena grafitu má tendenciu sa stabilizovať.
Cena medi v posledných rokoch stúpa a hlavní výrobcovia grafitu zlepšujú výrobný proces, čím si zabezpečujú konkurenčnú výhodu. V súčasnosti je pri rovnakom objeme cien grafitových elektród a medených elektród pomerne nízkych, ale grafit sa dá spracovať efektívnejšie ako pri použití medených elektród. Ušetrí sa tak viac pracovných hodín, čo priamo zodpovedá zníženiu výrobných nákladov.
Stručne povedané, medzi 8 charakteristikami edM grafitovej elektródy sú jej výhody zrejmé: účinnosť frézovania elektródy a spracovania výbojom je výrazne lepšia ako u medenej elektródy; veľká elektróda má malú hmotnosť, dobrú rozmerovú stabilitu, tenká elektróda sa ľahko nedeformuje a povrchová textúra je lepšia ako u medenej elektródy.
Nevýhodou grafitového materiálu je, že nie je vhodný na jemné povrchové výbojové spracovanie podľa VDI12 (Ra 0,4 m) a účinnosť použitia edM na výrobu elektródy je nízka.
Z praktického hľadiska je však jedným z dôležitých dôvodov ovplyvňujúcich efektívnu propagáciu grafitových materiálov v Číne to, že na frézovanie elektród je potrebný špeciálny stroj na spracovanie grafitu, čo kladie nové požiadavky na spracovateľské zariadenia v lisovacích prácach, pričom niektoré malé podniky túto podmienku nemusia spĺňať.
Vo všeobecnosti výhody grafitových elektród pokrývajú prevažnú väčšinu prípadov elektroerozívneho obrábania a sú hodné popularizácie a použitia so značnými dlhodobými výhodami. Nedostatok jemného obrábania povrchu možno vyrovnať použitím medených elektród.
2. Výber materiálov grafitových elektród pre EDM
V prípade grafitových materiálov existujú najmä tieto štyri ukazovatele, ktoré priamo určujú výkonnosť materiálov:
1) Priemerný priemer častíc materiálu
Priemerný priemer častíc materiálu priamo ovplyvňuje podmienky vybíjania materiálu.
Čím menšia je priemerná častica grafitu, tým rovnomernejší je výboj, tým stabilnejšie sú podmienky výboja, tým lepšia je kvalita povrchu a tým menšie sú straty.
Čím väčšia je priemerná veľkosť častíc, tým lepšiu rýchlosť odoberania možno dosiahnuť pri hrubom obrábaní, ale povrchový efekt dokončovania je slabý a strata elektródy je veľká.
2) Pevnosť materiálu v ohybe
Pevnosť materiálu v ohybe je priamym odrazom jeho pevnosti a naznačuje tesnosť jeho vnútornej štruktúry.
Materiál s vysokou pevnosťou má relatívne dobrý výkon pri výbojovom odporu. Pre elektródy s vysokou presnosťou by sa mal, pokiaľ je to možné, zvoliť materiál s dobrou pevnosťou.
3) Tvrdosť materiálu podľa Shorea
Grafit je tvrdší ako kovové materiály a straty rezného nástroja sú väčšie ako straty rezného kovu.
Zároveň je vysoká tvrdosť grafitového materiálu pri regulácii strát pri výboji lepšia.
4) Vlastný odpor materiálu
Rýchlosť vybíjania grafitového materiálu s vysokým vlastným odporom bude pomalšia ako pri nízkom odpore.
Čím vyšší je inherentný odpor, tým menšia je strata elektródy, ale čím vyšší je inherentný odpor, tým je ovplyvnená stabilita výboja.
V súčasnosti je k dispozícii mnoho rôznych druhov grafitu od popredných svetových dodávateľov grafitu.
Vo všeobecnosti sa častice s priemerom ≤ 4 µm klasifikujú ako jemný grafit, častice s priemerom 5 ~ 10 µm ako stredný grafit a častice s priemerom 10 µm a viac ako hrubý grafit.
Čím menší je priemer častíc, tým je materiál drahší a tým vhodnejší grafitový materiál možno vybrať podľa požiadaviek a nákladov na EDM.
3. Výroba grafitovej elektródy
Grafitová elektróda sa vyrába prevažne frézovaním.
Z hľadiska technológie spracovania sú grafit a meď dva rôzne materiály a mali by sa zvládnuť ich odlišné rezné vlastnosti.
Ak sa grafitová elektróda spracováva procesom medenej elektródy, nevyhnutne sa vyskytnú problémy, ako napríklad časté lomenie plechu, čo si vyžaduje použitie vhodných rezných nástrojov a parametrov rezania.
Obrábanie grafitových elektród je opotrebovanejšie ako medené elektródy. Z ekonomického hľadiska je výber karbidových nástrojov najekonomickejší. Výber diamantových nástrojov (nazývaných grafitové nože) je síce drahší, ale diamantové nástroje majú dlhšiu životnosť a vysokú presnosť spracovania a celkový ekonomický prínos je dobrý.
Veľkosť predného uhla nástroja tiež ovplyvňuje jeho životnosť. Predný uhol nástroja 0° bude až o 50 % vyšší ako predný uhol 15°, čo je tiež lepšia stabilita rezania, ale čím väčší je uhol, tým lepší je obrábaný povrch. Použitím uhla nástroja 15° možno dosiahnuť najlepší obrábaný povrch.
Rýchlosť rezania pri obrábaní je možné nastaviť podľa tvaru elektródy, zvyčajne 10 m/min, podobne ako pri obrábaní hliníka alebo plastu. Rezný nástroj môže byť pri hrubom obrábaní priamo na obrobku a mimo neho. Pri dokončovacom obrábaní sa ľahko vyskytuje jav uhlového kolapsu a fragmentácie. Často sa používa spôsob rýchlej chôdze s ľahkým nožom.
Grafitová elektróda počas procesu rezania produkuje veľa prachu. Aby sa zabránilo vdýchnutiu grafitových častíc vretenom a skrutkou stroja, v súčasnosti existujú dve hlavné riešenia: prvé je použitie špeciálneho stroja na spracovanie grafitu a druhé je modernizácia bežného obrábacieho centra, ktoré je vybavené špeciálnym zariadením na zber prachu.
Špeciálna grafitová vysokorýchlostná fréza na trhu má vysokú účinnosť frézovania a dokáže ľahko dokončiť výrobu zložitých elektród s vysokou presnosťou a dobrou kvalitou povrchu.
Ak je na výrobu grafitovej elektródy potrebné EDM, odporúča sa použiť jemný grafitový materiál s menším priemerom častíc.
Obrábací výkon grafitu je slabý, čím menší je priemer častíc, tým vyššia je účinnosť rezania a dá sa vyhnúť abnormálnym problémom, ako je časté lámanie drôtu a povrchové lemovanie.
4. Parametre EDM grafitovej elektródy
Výber parametrov EDM grafitu a medi je dosť odlišný.
Medzi parametre EDM patrí najmä prúd, šírka impulzu, medzera impulzu a polarita.
Nasledujúci text opisuje základ pre racionálne využitie týchto hlavných parametrov.
Prúdová hustota grafitovej elektródy je vo všeobecnosti 10~12 A/cm2, čo je oveľa viac ako hustota prúdu medenej elektródy. Preto v rámci rozsahu prúdu povoleného v príslušnej oblasti platí, že čím väčší je zvolený prúd, tým vyššia je rýchlosť spracovania grafitového výboja, tým menšie sú straty na elektróde, ale drsnosť povrchu bude hrubšia.
Čím väčšia je šírka impulzu, tým menšia bude strata elektródy.
Väčšia šírka impulzu však zhorší stabilitu spracovania, spomalí rýchlosť spracovania a zdrsní povrch.
Aby sa zabezpečila nízka strata elektródy počas hrubého obrábania, zvyčajne sa používa relatívne veľká šírka impulzu, ktorá umožňuje efektívne dosiahnuť nízkostratové obrábanie grafitovej elektródy pri hodnote medzi 100 a 300 US.
Na dosiahnutie jemného povrchu a stabilného výbojového efektu by sa mala zvoliť menšia šírka impulzu.
Vo všeobecnosti je šírka impulzu grafitovej elektródy približne o 40 % menšia ako šírka impulzu medenej elektródy.
Medzera impulzov ovplyvňuje hlavne rýchlosť obrábania výbojom a stabilitu obrábania. Čím väčšia je hodnota, tým lepšia bude stabilita obrábania, čo je užitočné pre dosiahnutie lepšej rovnomernosti povrchu, ale rýchlosť obrábania sa zníži.
Za podmienky zabezpečenia stability spracovania je možné dosiahnuť vyššiu účinnosť spracovania výberom menšej impulznej medzery, ale keď je stav vybíjania nestabilný, je možné dosiahnuť vyššiu účinnosť spracovania výberom väčšej impulznej medzery.
Pri obrábaní grafitových elektród výbojom sa medzera impulzov a šírka impulzu zvyčajne nastavujú na 1:1, zatiaľ čo pri obrábaní medených elektród sa medzera impulzov a šírka impulzu zvyčajne nastavujú na 1:3.
Pri stabilnom spracovaní grafitu je možné pomer medzi medzerou impulzov a šírkou impulzu nastaviť na 2:3.
V prípade malej vôle impulzov je výhodné vytvoriť na povrchu elektródy kryciu vrstvu, ktorá pomáha znížiť straty na elektróde.
Výber polarity grafitovej elektródy pri EDM je v podstate rovnaký ako pri medenej elektróde.
Podľa polaritného efektu EDM sa pri obrábaní ocele zápustky zvyčajne používa obrábanie s kladnou polaritou, to znamená, že elektróda je pripojená ku kladnému pólu zdroja napájania a obrobok je pripojený k zápornému pólu zdroja napájania.
Pri použití veľkého prúdu a šírky impulzu môže výber obrábania s kladnou polaritou dosiahnuť extrémne nízke straty elektródy. Ak je polarita nesprávna, straty elektródy budú veľmi veľké.
Iba vtedy, keď je potrebné jemne opracovať povrch s presnosťou menšou ako VDI18 (Ra0,8 m) a šírka impulzu je veľmi malá, sa na dosiahnutie lepšej kvality povrchu použije spracovanie so zápornou polaritou, ale strata elektródy je veľká.
Teraz sú CNC obrábacie stroje EMS vybavené parametrami obrábania grafitovým výbojom.
Použitie elektrických parametrov je inteligentné a môže byť automaticky generované expertným systémom obrábacieho stroja.
Stroj môže vo všeobecnosti konfigurovať optimalizované parametre spracovania výberom páru materiálov, typu aplikácie, hodnoty drsnosti povrchu a zadaním oblasti spracovania, hĺbky spracovania, mierky veľkosti elektródy atď. počas programovania.
Knižnica bohatých parametrov spracovania grafitových elektród pre obrábacie stroje EDM umožňuje vybrať si typ materiálu z hrubého grafitu, grafitu, grafit zodpovedá rôznym materiálom obrobku a rozdeliť typ aplikácie na štandardné, hlboké drážky, ostré hroty, veľkoplošné, veľké dutiny, ako je jemné, a tiež poskytuje nízke straty, štandardné, vysokoúčinné atď., pričom prioritou spracovania je mnoho druhov výberu.
5. Záver
Nový materiál grafitových elektród si zaslúži intenzívnu popularizáciu a jeho výhody si postupne uvedomí a prijme domáci priemysel výroby foriem.
Správny výber materiálov grafitových elektród a zlepšenie súvisiacich technologických prepojení prinesie podnikom vyrábajúcim formy vysokú efektivitu, vysokú kvalitu a nízke náklady.
Čas uverejnenia: 4. decembra 2020