1. Характеристики електроерозійної обробки графітових матеріалів.
1.1. Швидкість обробки на вивантаженні.
Графіт — це неметалевий матеріал з дуже високою температурою плавлення 3650°C, тоді як мідь має температуру плавлення 1083°C, тому графітовий електрод може витримувати більші умови налаштування струму.
Коли площа розряду та масштаб розміру електрода більші, переваги високоефективної грубої обробки графітового матеріалу стають більш очевидними.
Теплопровідність графіту становить 1/3 від теплопровідності міді, а тепло, що утворюється під час процесу розряду, може бути використане для ефективнішого видалення металевих матеріалів. Тому ефективність обробки графіту вища, ніж мідного електрода при середній та тонкій обробці.
Згідно з досвідом обробки, швидкість обробки розряду графітового електрода в 1,5~2 рази вища, ніж у мідного електрода за правильних умов використання.
1.2. Споживання електродів.
Графітовий електрод має характеристики, що витримують умови високого струму, крім того, за умови відповідного налаштування чорнової обробки, включаючи заготовки з вуглецевої сталі, отримані під час обробки, видалення вмісту та розкладання частинок вуглецю в робочій рідині при високій температурі, ефект полярності, під дією часткового видалення вмісту частинки вуглецю прилипають до поверхні електрода, утворюючи захисний шар, забезпечуючи графітовий електрод з невеликими втратами під час чорнової обробки або навіть «нульовими відходами».
Основні втрати електродів при електроерозійній обробці відбуваються через грубу обробку. Хоча коефіцієнт втрат високий в умовах чистової обробки, загальні втрати також низькі через невеликий припуск на обробку, що відводиться для деталей.
Загалом, втрати графітового електрода менші, ніж у мідного електрода при чорновій обробці на великому струмі, і трохи більші, ніж у мідного електрода при чистовій обробці. Втрати графітового електрода подібні.
1.3. Якість поверхні.
Діаметр частинок графітового матеріалу безпосередньо впливає на шорсткість поверхні, отриману при електроерозійній обробці. Чим менший діаметр, тим меншу шорсткість поверхні можна отримати.
Кілька років тому, використовуючи графітовий матеріал діаметром 5 мікрон, найкраща поверхня могла досягти лише VDI18 електроерозійної різьби (Ra0,8 мікрона). Сьогодні діаметр зерен графітових матеріалів досягає 3 мікронів, і найкраща поверхня може досягти стабільного VDI12 електроерозійної різьби (Ra0,4 мкм) або більш складного рівня, але графітовий електрод може дзеркально різати.
Мідний матеріал має низький питомий опір та компактну структуру, що дозволяє стабільно обробляти його в складних умовах. Шорсткість поверхні може бути менше Ra0,1 мкм, і його можна обробляти дзеркалом.
Таким чином, якщо електроерозійна обробка прагне отримати надзвичайно тонку поверхню, то як електрод доцільніше використовувати мідний матеріал, що є основною перевагою мідного електрода над графітовим.
Але мідний електрод за умови високого струму легко стає шорстким, навіть тріскається, а графітові матеріали не мають цієї проблеми. Вимога шорсткості поверхні VDI26 (Ra2.0 мікрона) щодо обробки прес-форм дозволяє використовувати графітовий електрод від грубої до тонкої обробки, що забезпечує рівномірний поверхневий ефект та усунення поверхневих дефектів.
Крім того, через різну структуру графіту та міді, точка поверхневої корозії графітового електрода є більш рівномірною, ніж у мідного електрода. Тому, коли оброблюється така ж шорсткість поверхні VDI20 або вище, зернистість поверхні заготовки, обробленої графітовим електродом, є більш виразною, і цей ефект зернистої поверхні кращий, ніж ефект поверхневого розряду мідного електрода.
1.4. Точність обробки.
Коефіцієнт теплового розширення графітового матеріалу невеликий, коефіцієнт теплового розширення мідного матеріалу в 4 рази більший, ніж у графітового матеріалу, тому під час обробки розрядом графітовий електрод менше схильний до деформації, ніж мідний електрод, що дозволяє отримати більш стабільну та надійну точність обробки.
Особливо при обробці глибокого та вузького ребра, місцева висока температура призводить до легкого згинання мідного електрода, а графітового – ні.
Для мідного електрода з великим співвідношенням глибини до діаметра слід компенсувати певне значення теплового розширення, щоб скоригувати розмір під час обробки, тоді як графітовий електрод не потрібен.
1.5. Вага електрода.
Графітовий матеріал менш щільний, ніж мідь, а вага графітового електрода того ж об'єму становить лише 1/5 від ваги мідного електрода.
Видно, що використання графіту дуже підходить для електродів великого об'єму, що значно зменшує навантаження на шпиндель електроерозійного верстата. Електрод не створюватиме незручностей під час затискання через свою велику вагу та не призведе до прогину та зміщення під час обробки тощо. Видно, що використання графітового електрода має велике значення у великомасштабній обробці прес-форм.
1.6. Складність виготовлення електродів.
Обробка графітового матеріалу хороша. Опір різанню становить лише 1/4 від опору міді. За правильних умов обробки ефективність фрезерування графітового електрода в 2~3 рази вища, ніж мідного електрода.
Графітовий електрод легко очищається під кутом, і його можна використовувати для обробки заготовки, яка повинна бути оброблена кількома електродами, в один електрод.
Унікальна структура частинок графітового матеріалу запобігає утворенню задирок після фрезерування та формування електрода, що може безпосередньо відповідати вимогам використання, коли задирки нелегко видалити під час складного моделювання, таким чином усуваючи процес ручного полірування електрода та уникаючи зміни форми та похибки розміру, спричиненої поліруванням.
Слід зазначити, що оскільки графіт накопичує пил, фрезерування графіту утворюватиме багато пилу, тому фрезерний верстат повинен мати ущільнення та пристрій для збору пилу.
Якщо для обробки графітового електрода необхідно використовувати електроерозійну обробку, його продуктивність обробки не така висока, як у мідного матеріалу, швидкість різання приблизно на 40% нижча, ніж у міді.
1.7. Встановлення та використання електродів.
Графітовий матеріал має хороші адгезійні властивості. Його можна використовувати для з'єднання графіту з пристосуванням шляхом фрезерування електрода та розрядження, що може заощадити процедуру обробки отвору для гвинта в матеріалі електрода та заощадити робочий час.
Графітовий матеріал є відносно крихким, особливо маленький, вузький і довгий електрод, який легко зламати під впливом зовнішньої сили під час використання, але можна одразу зрозуміти, що електрод пошкоджено.
Якщо це мідний електрод, він лише згинається, а не ламається, що дуже небезпечно та важко знайти в процесі використання, і це легко призведе до браку заготовки.
1.8. Ціна.
Мідь є невідновлюваним ресурсом, цінова тенденція ставатиме дедалі дорожчою, тоді як ціна на графіт має тенденцію до стабілізації.
Ціна на мідний матеріал зростає останніми роками, основні виробники графіту вдосконалюють процес виробництва графіту, що забезпечує його конкурентну перевагу. Тепер, за однакового обсягу, ціна на графітовий електродний матеріал та мідний електрод досить низька, але графіт може бути перероблений ефективніше, ніж використання мідного електрода, що дозволяє заощадити більше робочого часу, що безпосередньо зменшує виробничі витрати.
Підсумовуючи, серед 8 характеристик електричного розряду графітового електрода його переваги очевидні: ефективність фрезерування електрода та електророзрядної обробки значно вища, ніж у мідного електрода; великий електрод має невелику вагу, хорошу розмірну стабільність, тонкий електрод нелегко деформується, а текстура поверхні краща, ніж у мідного електрода.
Недоліком графітового матеріалу є те, що він не підходить для обробки тонким поверхневим розрядом за стандартом VDI12 (Ra 0,4 м), а ефективність використання електроерозійного розряду для виготовлення електродів низька.
Однак, з практичної точки зору, однією з важливих причин, що впливають на ефективне просування графітових матеріалів у Китаї, є необхідність спеціального графітового обробного верстату для фрезерування електродів, що висуває нові вимоги до технологічного обладнання прес-форм, деякі малі підприємства можуть не мати такої умови.
Загалом, переваги графітових електродів охоплюють переважну більшість випадків електроерозійної обробки та заслуговують на популяризацію та застосування, що дає значні довгострокові переваги. Недолік тонкої обробки поверхні можна компенсувати використанням мідних електродів.
2. Вибір матеріалів графітових електродів для електроерозійної обробки
Для графітових матеріалів існують переважно такі чотири показники, які безпосередньо визначають експлуатаційні характеристики матеріалів:
1) Середній діаметр частинок матеріалу
Середній діаметр частинок матеріалу безпосередньо впливає на умови розряду матеріалу.
Чим менша середня частинка графітового матеріалу, тим рівномірніший розряд, стабільніші умови розряду, краща якість поверхні та менші втрати.
Чим більший середній розмір частинок, тим краща швидкість видалення матеріалу може бути отримана при чорновій обробці, але поверхневий ефект чистової обробки поганий, а втрати на електроді великі.
2) Міцність матеріалу на вигин
Міцність матеріалу на згин є прямим відображенням його міцності, що вказує на герметичність його внутрішньої структури.
Матеріал з високою міцністю має відносно хороші характеристики опору розряду. Для електрода з високою точністю слід вибирати матеріал з хорошою міцністю, наскільки це можливо.
3) Твердість матеріалу за Шором
Графіт твердіший за металеві матеріали, а втрати ріжучого інструменту більші, ніж втрати металу, що ріжеться.
Водночас, висока твердість графітового матеріалу покращує контроль втрат під час розряду.
4) Власний питомий опір матеріалу
Швидкість розряду графітового матеріалу з високим власним опором буде повільнішою, ніж з низьким опором.
Чим вищий власний опір, тим менші втрати на електроді, але чим вищий власний опір, тим більше впливає стабільність розряду.
Наразі існує багато різних марок графіту, доступних від провідних світових постачальників графіту.
Зазвичай, відповідно до середнього діаметра частинок графітових матеріалів, що класифікуються, діаметр частинок ≤ 4 мкм визначається як дрібний графіт, частинки діаметром 5~ 10 мкм - як середній графіт, а частинки діаметром 10 мкм і вище - як грубий графіт.
Чим менший діаметр частинок, тим дорожчий матеріал, тим більш підходящий графітовий матеріал можна вибрати відповідно до вимог та вартості електроерозійної обробки.
3. Виготовлення графітового електрода
Графітовий електрод виготовляється переважно фрезеруванням.
З точки зору технології обробки, графіт і мідь – це два різні матеріали, і їх різні характеристики різання слід опанувати.
Якщо графітовий електрод обробляється за методом мідного електрода, неминуче виникнуть проблеми, такі як часті руйнування листа, що вимагає використання відповідних ріжучих інструментів та параметрів різання.
Обробка графітових електродів зношується гірше за мідні електроди. З економічної точки зору, вибір твердосплавного інструменту є найбільш економічним. Вибір інструменту з алмазним покриттям (так званого графітового ножа) дорожчий, але інструмент з алмазним покриттям має тривалий термін служби, високу точність обробки та загальну економічну вигоду.
Розмір переднього кута інструменту також впливає на його термін служби. Передній кут інструменту 0° буде до 50% вищим, ніж передній кут 15°, що забезпечує кращу стабільність різання, але чим більший кут, тим краща оброблювана поверхня. Використання кута інструменту 15° може досягти найкращої оброблюваної поверхні.
Швидкість різання під час обробки може регулюватися залежно від форми електрода, зазвичай 10 м/хв, подібно до обробки алюмінію або пластику, ріжучий інструмент може безпосередньо контактувати з заготовкою та зніматися з неї під час чорнової обробки, а явище кутового згортання та фрагментації легко виникає під час чистової обробки, і часто застосовується спосіб швидкої ходьби легкого ножа.
Графітовий електрод у процесі різання утворює багато пилу. Щоб уникнути вдихання частинок графіту шпинделем та гвинтом верстата, наразі існує два основних рішення: одне — використання спеціального графітового обробного верстата, інше — переобладнання звичайного обробного центру, оснащеного спеціальним пристроєм для збору пилу.
Спеціальний графітовий високошвидкісний фрезерний верстат, представлений на ринку, має високу ефективність фрезерування та може легко виконувати виготовлення складних електродів з високою точністю та гарною якістю поверхні.
Якщо для виготовлення графітового електрода потрібна електроерозійна обробка, рекомендується використовувати дрібнодисперсний графітовий матеріал з меншим діаметром частинок.
Продуктивність обробки графіту низька, чим менший діаметр частинок, тим вища ефективність різання, і можна уникнути таких аномальних проблем, як часті обриви дроту та поверхневі облямівки.
4. Параметри електроерозійної обробки графітового електрода
Вибір параметрів електроерозійної обробки графіту та міді досить різний.
Параметри електроерозійної обробки включають головним чином струм, ширину імпульсу, інтервал імпульсу та полярність.
Далі описано основи раціонального використання цих основних параметрів.
Густина струму графітового електрода зазвичай становить 10~12 А/см2, що значно більше, ніж у мідного електрода. Тому, в межах допустимого діапазону струму у відповідній області, чим більший струм вибрано, тим швидша буде швидкість обробки графітового розряду, тим меншими будуть втрати на електроді, але шорсткість поверхні буде товстішою.
Чим більша ширина імпульсу, тим менші будуть втрати на електроді.
Однак, більша ширина імпульсу погіршить стабільність обробки, зменшить швидкість обробки та зробить поверхню шорсткішою.
Для забезпечення низьких втрат електрода під час чорнової обробки зазвичай використовується відносно велика ширина імпульсу, що дозволяє ефективно реалізувати обробку графітового електрода з низькими втратами при значенні від 100 до 300 мкм.
Для отримання дрібної поверхні та стабільного ефекту розряду слід вибирати меншу ширину імпульсу.
Загалом, тривалість імпульсу графітового електрода приблизно на 40% менша, ніж у мідного електрода.
Імпульсний проміжок головним чином впливає на швидкість обробки на розряді та стабільність обробки. Чим більше значення, тим краща стабільність обробки, що сприяє досягненню кращої однорідності поверхні, але швидкість обробки зменшиться.
За умови забезпечення стабільності обробки, вищу ефективність обробки можна отримати, вибравши менший імпульсний проміжок, але коли стан розряду нестабільний, вищу ефективність обробки можна отримати, вибравши більший імпульсний проміжок.
При обробці графітових електродів розрядним способом інтервал між імпульсами та тривалість імпульсу зазвичай встановлюються на рівні 1:1, тоді як при обробці мідних електродів інтервал між імпульсами та тривалість імпульсу зазвичай встановлюються на рівні 1:3.
За стабільної обробки графіту коефіцієнт узгодження між інтервалом імпульсу та його шириною можна регулювати до 2:3.
У випадку малого імпульсного зазору корисно сформувати покривний шар на поверхні електрода, що допомагає зменшити втрати на електроді.
Вибір полярності графітового електрода в електроерозійній обробці в основному такий самий, як і у мідного електрода.
Відповідно до ефекту полярності електроерозійної обробки, обробка позитивної полярності зазвичай використовується при обробці штампової сталі, тобто електрод підключається до позитивного полюса джерела живлення, а заготовка - до негативного полюса джерела живлення.
Використовуючи великий струм та тривалість імпульсу, вибір обробки з позитивною полярністю може досягти надзвичайно низьких втрат електрода. Якщо полярність неправильна, втрати електрода будуть дуже великими.
Тільки коли потрібна точна обробка поверхні менше VDI18 (Ra 0,8 м) і ширина імпульсу дуже мала, використовується обробка негативною полярністю для отримання кращої якості поверхні, але втрати на електроді великі.
Зараз електроерозійні верстати з ЧПК оснащені параметрами обробки графітовим розрядом.
Використання електричних параметрів є інтелектуальним і може генеруватися автоматично експертною системою верстата.
Зазвичай, машина може налаштувати оптимізовані параметри обробки, вибравши пару матеріалів, тип застосування, значення шорсткості поверхні та ввівши область обробки, глибину обробки, масштабування розміру електрода тощо під час програмування.
Встановлення багатих параметрів обробки графітового електрода для електроерозійного верстата дозволяє вибрати тип матеріалу: грубий графіт, графіт, графіт відповідає різним матеріалам заготовки, а також розділити тип застосування на стандартний, глибокий паз, гострий вістря, велику площу, велику порожнину, такий як дрібний, а також забезпечує низькі втрати, стандартний, високу ефективність тощо, вибираючи пріоритет обробки за багатьма видами.
5. Висновок
Новий матеріал для графітових електродів заслуговує на активну популяризацію, і його переваги поступово будуть визнані та прийняті вітчизняною промисловістю з виробництва прес-форм.
Правильний вибір матеріалів графітових електродів та вдосконалення пов'язаних з ними технологічних зв'язків забезпечить високу ефективність, високу якість та низьку вартість для підприємств з виробництва прес-форм.
Час публікації: 04 грудня 2020 р.