1. EDM charakteristiky grafitových materiálů.
1.1. Rychlost obrábění na výboji.
Grafit je nekovový materiál s velmi vysokým bodem tání 3 650 °C, zatímco měď má bod tání 1 083 °C, takže grafitová elektroda snese vyšší podmínky nastavení proudu.
Čím větší je plocha výboje a velikost elektrody, tím zřetelnější jsou výhody vysoce účinného hrubého obrábění grafitového materiálu.
Tepelná vodivost grafitu je 1/3 tepelné vodivosti mědi a teplo generované během procesu vybíjení lze využít k efektivnějšímu odstraňování kovových materiálů. Proto je účinnost zpracování grafitu vyšší než u měděné elektrody při středním a jemném zpracování.
Podle zkušeností se zpracováním je rychlost zpracování grafitové elektrody za správných podmínek použití 1,5 až 2krát vyšší než u měděné elektrody.
1.2. Spotřeba elektrody.
Grafitová elektroda má vlastnosti, které odolávají vysokým proudovým podmínkám a za podmínek vhodného hrubování, včetně obrobků z uhlíkové oceli vyrobených během obrábění, dochází při vysoké teplotě a rozkladu uhlíkových částic v pracovní kapalině. V důsledku polarity se uhlíkové částice při částečném odstranění obsahu přichytí k povrchu elektrody a vytvoří ochrannou vrstvu. To zajišťuje malé ztráty grafitové elektrody při hrubování nebo dokonce „nulový odpad“.
Hlavní ztráty elektrody při EDM pocházejí z hrubého obrábění. Přestože je míra ztrát za podmínek dokončování vysoká, celkové ztráty jsou také nízké díky malému přídavku na obrábění vyhrazenému pro díly.
Obecně platí, že ztráty grafitové elektrody jsou při hrubém obrábění velkým proudem menší než u měděné elektrody a při dokončovacím obrábění o něco větší než u měděné elektrody. Ztráty grafitové elektrody jsou podobné.
1.3. Kvalita povrchu.
Průměr částic grafitového materiálu přímo ovlivňuje drsnost povrchu při EDM. Čím menší je průměr, tím nižší je drsnost povrchu.
Před několika lety bylo možné s použitím grafitových materiálů s průměrem částic phi 5 mikronů dosáhnout nejlepšího povrchu pouze edm VDI18 (Ra 0,8 mikronu). V dnešní době se průměr zrn grafitových materiálů pohybuje v rozmezí 3 mikronů phi a nejlepší povrch může dosáhnout stabilní úrovně VDI12 (Ra 0,4 μm) nebo sofistikovanější, ale grafitové elektrody dosáhly zrcadlového edm.
Měděný materiál má nízký měrný odpor a kompaktní strukturu a lze jej stabilně zpracovávat i za obtížných podmínek. Drsnost povrchu může být menší než Ra0,1 m a lze jej zrcadlit.
Pokud se tedy při obrábění elektrody snažíme o extrémně jemný povrch, je vhodnější použít jako elektrodu měď, což je hlavní výhoda měděné elektrody oproti grafitové elektrodě.
Avšak měděná elektroda za podmínek nastavení vysokého proudu snadno zdrsní povrch elektrody, dokonce se objeví praskliny, a grafitové materiály by tento problém neměly. Požadavek drsnosti povrchu dle VDI26 (Ra2,0 mikronu) pro zpracování forem umožňuje použití grafitové elektrody od hrubého po jemné obrábění, čímž se dosáhne rovnoměrného povrchu a povrchových vad.
Navíc vzhledem k odlišné struktuře grafitu a mědi je bod koroze povrchového výboje grafitové elektrody pravidelnější než u měděné elektrody. Proto při zpracování stejné drsnosti povrchu VDI20 nebo vyšší je zrnitost povrchu obrobku zpracovaného grafitovou elektrodou výraznější a tento efekt povrchového zrna je lepší než efekt povrchového výboje měděné elektrody.
1.4. Přesnost obrábění.
Koeficient tepelné roztažnosti grafitového materiálu je malý, koeficient tepelné roztažnosti měděného materiálu je čtyřikrát vyšší než u grafitového materiálu, takže při zpracování výbojem je grafitová elektroda méně náchylná k deformaci než měděná elektroda, což umožňuje dosáhnout stabilnější a spolehlivější přesnosti zpracování.
Zejména při zpracování hlubokých a úzkých žeber způsobuje lokální vysoká teplota snadné ohýbání měděné elektrody, zatímco grafitová elektroda nikoli.
U měděných elektrod s velkým poměrem hloubky k průměru by měla být kompenzována určitá hodnota tepelné roztažnosti, aby se korigoval rozměr během obrábění, zatímco grafitová elektroda není nutná.
1.5. Hmotnost elektrody.
Grafitový materiál má menší hustotu než měď a hmotnost grafitové elektrody stejného objemu je pouze 1/5 hmotnosti měděné elektrody.
Je vidět, že použití grafitu je velmi vhodné pro elektrody s velkým objemem, což výrazně snižuje zatížení vřetena EDM obráběcího stroje. Elektroda nezpůsobuje potíže při upínání kvůli své velké hmotnosti a nedochází k vychýlení při obrábění atd. Je zřejmé, že použití grafitové elektrody má velký význam při obrábění forem ve velkém měřítku.
1.6. Obtížnost výroby elektrod.
Obráběcí výkon grafitového materiálu je dobrý. Odolnost proti řezu je pouze čtvrtinou odolnosti proti mědi. Za správných podmínek zpracování je účinnost frézování grafitové elektrody 2–3krát vyšší než u měděné elektrody.
Grafitová elektroda se snadno čistí pod úhlem a lze ji použít ke zpracování obrobku, který by měl být dokončen více elektrodami do jedné elektrody.
Unikátní struktura částic grafitového materiálu zabraňuje vzniku otřepů po frézování a tvarování elektrody, což může přímo splňovat požadavky na použití, když se otřepy při složitém modelování snadno neodstraňují, čímž se eliminuje proces ručního leštění elektrody a zabrání se změně tvaru a chybě velikosti způsobené leštěním.
Je třeba poznamenat, že protože grafit je prach, jeho frézování produkuje velké množství prachu, proto musí mít frézka těsnění a zařízení na odsávání prachu.
Pokud je nutné použít erozivní obrábění grafitových elektrod, jejich výkon není tak dobrý jako u měděných materiálů, řezná rychlost je asi o 40 % nižší než u mědi.
1.7. Instalace a použití elektrody.
Grafitový materiál má dobré přilnavé vlastnosti. Lze jej použít ke spojení grafitu s upínacím prvkem frézováním elektrody a jejím vybíjením, což může ušetřit proces obrábění otvoru pro šroub v materiálu elektrody a ušetřit pracovní čas.
Grafitový materiál je relativně křehký, zejména malá, úzká a dlouhá elektroda, která se při použití při působení vnější síly snadno zlomí, ale okamžitě pozná, že elektroda byla poškozena.
Pokud se jedná o měděnou elektrodu, bude se pouze ohýbat a nezlomí se, což je velmi nebezpečné a obtížně se to nachází v procesu používání a snadno to povede ke zmetku obrobku.
1.8.Cena.
Měď je neobnovitelný zdroj, cenový trend bude stále dražší, zatímco cena grafitu má tendenci se stabilizovat.
Cena mědi v posledních letech roste a hlavní výrobci grafitu zlepšují procesy výroby grafitu, čímž si vytvářejí konkurenční výhodu. Nyní, při stejném objemu, je cena grafitových elektrod poměrně vysoká, ale grafit lze zpracovat efektivněji než měděné elektrody. Použití měděných elektrod šetří mnohem více pracovních hodin, což přímo odpovídá snížení výrobních nákladů.
Stručně řečeno, mezi 8 charakteristikami edM grafitové elektrody jsou její výhody zřejmé: účinnost frézování elektrody a zpracování výbojem je výrazně lepší než u měděné elektrody; velká elektroda má malou hmotnost, dobrou rozměrovou stabilitu, tenká elektroda se snadno nedeformuje a povrchová textura je lepší než u měděné elektrody.
Nevýhodou grafitového materiálu je, že není vhodný pro jemné povrchové výbojové zpracování podle VDI12 (Ra 0,4 m) a účinnost použití edM k výrobě elektrod je nízká.
Z praktického hlediska je však jedním z důležitých důvodů ovlivňujících efektivní propagaci grafitových materiálů v Číně to, že pro frézování elektrod je zapotřebí speciální stroj na zpracování grafitu, což klade nové požadavky na procesní zařízení v lisovacích firmách, některé malé podniky tuto podmínku nemusí splňovat.
Obecně platí, že výhody grafitových elektrod pokrývají drtivou většinu případů elektroerozivního obrábění a zaslouží si popularizaci a použití se značnými dlouhodobými výhodami. Nedostatek jemného obrábění povrchu lze vyrovnat použitím měděných elektrod.
2. Výběr materiálů grafitových elektrod pro EDM
U grafitových materiálů existují zejména následující čtyři ukazatele, které přímo určují výkonnost materiálů:
1) Průměrný průměr částic materiálu
Průměrný průměr částic materiálu přímo ovlivňuje podmínky vybíjení materiálu.
Čím menší je průměrná částice grafitu, tím rovnoměrnější je výboj, stabilnější jsou podmínky výboje, lepší je kvalita povrchu a menší jsou ztráty.
Čím větší je průměrná velikost částic, tím lepšího úběru materiálu lze dosáhnout při hrubém obrábění, ale povrchový efekt dokončování je slabý a ztráty elektrody jsou velké.
2) Pevnost materiálu v ohybu
Pevnost materiálu v ohybu je přímým odrazem jeho pevnosti a ukazuje na těsnost jeho vnitřní struktury.
Materiál s vysokou pevností má relativně dobrou odolnost proti výboji. Pro elektrodu s vysokou přesností by měl být pokud možno vybrán materiál s dobrou pevností.
3) Tvrdost materiálu podle Shorea
Grafit je tvrdší než kovové materiály a ztráty řezného nástroje jsou větší než ztráty řezného kovu.
Zároveň je vysoká tvrdost grafitového materiálu při regulaci ztrát výbojem lepší.
4) Vnitřní odpor materiálu
Rychlost vybíjení grafitového materiálu s vysokým inherentním odporem bude pomalejší než u materiálu s nízkým odporem.
Čím vyšší je inherentní odpor, tím menší jsou ztráty na elektrodě, ale čím vyšší je inherentní odpor, tím je ovlivněna stabilita výboje.
V současné době je k dispozici mnoho různých druhů grafitu od předních světových dodavatelů grafitu.
Obecně se průměrný průměr částic grafitových materiálů klasifikuje jako jemný grafit, částice o průměru ≤ 4 µm jsou definovány jako střední grafit a částice o průměru 10 µm a více jako hrubý grafit.
Čím menší je průměr částic, tím dražší je materiál a tím vhodnější grafitový materiál lze vybrat podle požadavků a nákladů na EDM.
3. Výroba grafitové elektrody
Grafitová elektroda se vyrábí převážně frézováním.
Z hlediska technologie zpracování jsou grafit a měď dva různé materiály a je třeba zvládnout jejich odlišné řezné vlastnosti.
Pokud se grafitová elektroda zpracovává procesem měděné elektrody, nevyhnutelně se vyskytnou problémy, jako je časté lomení plechu, což vyžaduje použití vhodných řezných nástrojů a řezných parametrů.
Obrábění grafitových elektrod se opotřebovává častěji než měděné elektrody. Z ekonomického hlediska je volba karbidového nástroje nejúspornější. Zvolte diamantový povlakovací nástroj (tzv. grafitový nůž). Cenově je dražší, ale diamantový povlakovací nástroj má delší životnost a vysokou přesnost zpracování a celkový ekonomický přínos je dobrý.
Velikost předního úhlu nástroje také ovlivňuje jeho životnost. Přední úhel nástroje 0° bude až o 50 % vyšší než přední úhel 15°, což je také lepší stabilita řezu, ale čím větší je úhel, tím lepší je obráběný povrch. Použitím úhlu nástroje 15° lze dosáhnout nejlepšího obráběného povrchu.
Řezná rychlost při obrábění lze nastavit podle tvaru elektrody, obvykle 10 m/min, podobně jako při obrábění hliníku nebo plastu. Řezný nástroj může být při hrubém obrábění přímo na obrobku a mimo něj. Při dokončovacím obrábění snadno dochází k úhlovému zhroucení a fragmentaci. Často se používá způsob lehké rychlé chůze nože.
Grafitová elektroda při řezání produkuje velké množství prachu. Aby se zabránilo vdechování grafitových částic do vřetena a šroubu stroje, existují v současnosti dvě hlavní řešení: použití speciálního stroje na zpracování grafitu a použití běžného obráběcího centra, které je vybaveno speciálním zařízením na odsávání prachu.
Speciální grafitová vysokorychlostní frézka na trhu má vysokou účinnost frézování a dokáže snadno dokončit výrobu složitých elektrod s vysokou přesností a dobrou kvalitou povrchu.
Pokud je k výrobě grafitové elektrody potřeba EDM, doporučuje se použít jemný grafitový materiál s menším průměrem částic.
Obráběcí výkon grafitu je nízký, čím menší je průměr částic, tím vyšší je účinnost řezání a lze se vyhnout abnormálním problémům, jako je časté lámání drátu a povrchové ořezy.
4. Parametry EDM grafitové elektrody
Výběr parametrů EDM pro grafit a měď je zcela odlišný.
Mezi parametry EDM patří především proud, šířka impulsu, mezera impulsu a polarita.
Následující text popisuje základy pro racionální využití těchto hlavních parametrů.
Proudová hustota grafitové elektrody je obecně 10~12 A/cm2, což je mnohem více než u měděné elektrody. Proto v rámci povoleného rozsahu proudu v odpovídající oblasti platí, že čím větší je zvolený proud, tím vyšší bude rychlost zpracování grafitového výboje, tím menší budou ztráty elektrody, ale drsnost povrchu bude větší.
Čím větší je šířka pulzu, tím menší budou ztráty na elektrodě.
Větší šířka impulsu však zhorší stabilitu zpracování, zpomalí rychlost zpracování a zdrsní povrch.
Aby se zajistily nízké ztráty elektrody během hrubého obrábění, obvykle se používá relativně velká šířka pulzu, která může efektivně dosáhnout obrábění grafitové elektrody s nízkými ztrátami, pokud je hodnota mezi 100 a 300 US.
Pro dosažení jemného povrchu a stabilního výbojového efektu by měla být zvolena menší šířka impulsu.
Obecně je šířka impulsu grafitové elektrody asi o 40 % menší než u měděné elektrody.
Pulzní mezera ovlivňuje hlavně rychlost obrábění výbojem a stabilitu obrábění. Čím větší je hodnota, tím lepší bude stabilita obrábění, což je užitečné pro dosažení lepší rovnoměrnosti povrchu, ale rychlost obrábění se sníží.
Za podmínky zajištění stability zpracování lze vyšší účinnosti zpracování dosáhnout volbou menší pulzní mezery, ale když je stav vybíjení nestabilní, lze vyšší účinnosti zpracování dosáhnout volbou větší pulzní mezery.
Při obrábění grafitových elektrod erozivním obráběním se mezera pulzu a šířka pulzu obvykle nastavují na 1:1, zatímco při obrábění měděných elektrod se mezera pulzu a šířka pulzu obvykle nastavují na 1:3.
Při stabilním zpracování grafitu lze poměr mezi mezerou pulzu a šířkou pulzu nastavit na 2:3.
V případě malé pulzní vůle je výhodné vytvořit na povrchu elektrody krycí vrstvu, která pomáhá snížit ztráty elektrody.
Výběr polarity grafitové elektrody v EDM je v podstatě stejný jako u měděné elektrody.
Podle polaritního efektu EDM se při obrábění zápustkové oceli obvykle používá obrábění s kladnou polaritou, tj. elektroda je připojena ke kladnému pólu zdroje napájení a obrobek je připojen k zápornému pólu zdroje napájení.
Při použití velkého proudu a šířky pulzu lze volbou obrábění s kladnou polaritou dosáhnout extrémně nízkých ztrát elektrody. Pokud je polarita nesprávná, ztráty elektrody budou velmi velké.
Pouze tehdy, když je požadováno jemné opracování povrchu menší než VDI18 (Ra 0,8 m) a šířka pulzu je velmi malá, se pro dosažení lepší kvality povrchu používá zpracování s negativní polaritou, ale ztráta elektrody je velká.
CNC obráběcí stroje s erozivním obráběním jsou nyní vybaveny parametry obrábění grafitovým výbojem.
Použití elektrických parametrů je inteligentní a může být generováno automaticky expertním systémem obráběcího stroje.
Stroj může obecně konfigurovat optimalizované parametry zpracování výběrem dvojice materiálů, typu aplikace, hodnoty drsnosti povrchu a zadáním oblasti zpracování, hloubky zpracování, škálování velikosti elektrody atd. během programování.
Sada grafitových elektrod pro knihovnu obráběcích strojů EDM s bohatými parametry zpracování. Typ materiálu lze zvolit z hrubého grafitu, grafitu, grafit odpovídá různým materiálům obrobku. Typ aplikace lze dále rozdělit na standardní, hluboké drážky, ostré hroty, velkoplošné, velkodutinové, jemné, také poskytuje nízké ztráty, standardní, vysokou účinnost a tak dále. V nabídce je mnoho priorit zpracování.
5. Závěr
Nový materiál grafitových elektrod si zaslouží energickou popularizaci a jeho výhody budou postupně uznávány a akceptovány domácím průmyslem výroby forem.
Správný výběr materiálů grafitových elektrod a zlepšení souvisejících technologických vazeb přinese podnikům vyrábějícím formy vysokou efektivitu, vysokou kvalitu a nízké náklady.
Čas zveřejnění: 4. prosince 2020