1. Характеристики электроэрозионной обработки графитовых материалов.
1.1. Скорость выгрузки.
Графит — неметаллический материал с очень высокой температурой плавления 3650 °C, в то время как температура плавления меди составляет 1083 °C, поэтому графитовый электрод может выдерживать более высокие значения тока.
Чем больше площадь разряда и размер электрода, тем очевиднее преимущества высокоэффективной черновой обработки графитового материала.
Теплопроводность графита составляет 1/3 от теплопроводности меди, и тепло, выделяемое в процессе разряда, может быть использовано для более эффективного удаления металлических материалов. Поэтому эффективность обработки графитом выше, чем у медного электрода при средней и тонкой обработке.
Согласно опыту эксплуатации, скорость разряда графитового электрода в 1,5–2 раза выше, чем у медного электрода при правильных условиях использования.
1.2. Расход электрода.
Графитовый электрод обладает свойством выдерживать высокие токи, кроме того, при соответствующих условиях черновой обработки, включая обработку заготовок из углеродистой стали, в процессе которой происходит удаление материала, и высокотемпературное разложение частиц углерода в рабочей жидкости, эффект полярности, под действием частичного удаления материала частицы углерода прилипают к поверхности электрода, образуя защитный слой, что обеспечивает минимальные потери графитового электрода при черновой обработке или даже «нулевые отходы».
Основные потери при электроэрозионной обработке происходят на черновом этапе. Хотя скорость потерь высока в условиях чистовой обработки, общие потери также невелики благодаря небольшому припуску на обработку деталей.
В целом, потери графитового электрода меньше, чем у медного электрода при черновой обработке большими токами, и немного больше, чем у медного электрода при чистовой обработке. Потери графитового электрода примерно одинаковы.
1.3. Качество поверхности.
Диаметр частиц графитового материала напрямую влияет на шероховатость поверхности, обрабатываемой электроэрозионным методом. Чем меньше диаметр, тем ниже шероховатость поверхности.
Несколько лет назад при использовании графитового материала с частицами диаметром 5 микрон наилучшая поверхность достигалась только при показателе VDI18 EDM (Ra0,8 микрон). В настоящее время диаметр зерен графитовых материалов позволяет достичь значения в пределах 3 микрон φ, а наилучшая поверхность обеспечивает стабильный показатель VDI12 EDM (Ra0,4 мкм) или более высокий уровень, однако графитовый электрод имеет зеркальную поверхность EDM.
Медь обладает низким сопротивлением и плотной структурой, а также стабильно поддается обработке в сложных условиях. Шероховатость поверхности может быть менее Ra0,1 м, и ее можно обрабатывать до зеркального блеска.
Таким образом, если при электроэрозионной обработке требуется получить чрезвычайно гладкую поверхность, целесообразнее использовать медь в качестве электрода, что является главным преимуществом медного электрода перед графитовым.
Однако при использовании медного электрода в условиях высоких токов поверхность легко становится шероховатой, на ней даже появляются трещины, тогда как графитовые материалы не имеют этой проблемы. Требования к шероховатости поверхности для обработки пресс-форм соответствуют стандарту VDI26 (Ra 2,0 микрон), а использование графитового электрода позволяет осуществлять обработку от грубой до тонкой, обеспечивая равномерный эффект поверхности и минимизируя дефекты.
Кроме того, из-за различий в структуре графита и меди, точка поверхностной разрядной коррозии графитового электрода более однородна, чем у медного электрода. Поэтому при обработке с одинаковой шероховатостью поверхности VDI20 или выше, зернистость поверхности заготовки, обработанной графитовым электродом, более выражена, и этот эффект зернистости поверхности лучше, чем эффект разрядной поверхности медного электрода.
1.4. Точность обработки.
Коэффициент теплового расширения графитового материала невелик, а коэффициент теплового расширения медного материала в 4 раза выше, чем у графита, поэтому при разрядной обработке графитовый электрод менее подвержен деформации, чем медный, что позволяет достичь более стабильной и надежной точности обработки.
Особенно при обработке глубоких и узких ребер, локально высокая температура приводит к легкому изгибанию медного электрода, в отличие от графитового.
Для медных электродов с большим соотношением глубины к диаметру необходимо компенсировать определенное значение теплового расширения для корректировки размеров во время обработки, тогда как для графитовых электродов это не требуется.
1.5. Вес электрода.
Графитовый материал менее плотный, чем медь, и вес графитового электрода того же объема составляет лишь 1/5 от веса медного электрода.
Видно, что использование графита очень подходит для электродов большого объема, что значительно снижает нагрузку на шпиндель электроэрозионного станка. Электрод не будет создавать неудобств при зажиме из-за своего большого веса, а также не будет вызывать прогибов и смещений в процессе обработки и т.д. Таким образом, использование графитового электрода имеет большое значение в крупномасштабной обработке пресс-форм.
1.6. Сложности при изготовлении электродов.
Графит обладает хорошими обрабатывающими свойствами. Сопротивление резанию составляет лишь 1/4 от сопротивления меди. При правильных условиях обработки эффективность фрезерования графитовым электродом в 2-3 раза выше, чем медным электродом.
Графитовый электрод легко очищается от угла, и его можно использовать для обработки заготовки, которую необходимо обработать несколькими электродами, объединяя обработку одним электродом.
Уникальная структура частиц графитового материала предотвращает образование заусенцев после фрезерования и формования электрода, что позволяет напрямую удовлетворить требования к применению, когда заусенцы трудно удалить при сложном моделировании, тем самым исключая процесс ручной полировки электрода и избегая изменения формы и погрешностей размеров, вызванных полировкой.
Следует отметить, что, поскольку графит представляет собой пылеобразующее вещество, при его измельчении образуется большое количество пыли, поэтому фрезерный станок должен быть оснащен уплотнением и устройством для сбора пыли.
Если для обработки графитового электрода необходимо использовать электроэрозионную обработку, то ее характеристики обработки будут хуже, чем у меди, а скорость резки будет примерно на 40% ниже, чем у меди.
1.7. Установка и использование электродов.
Графитовый материал обладает хорошими адгезионными свойствами. Для соединения графита с зажимным устройством можно использовать фрезерование электрода и разрядку, что позволяет избежать процедуры механической обработки отверстия под винт на электроде и сократить рабочее время.
Графитовый материал относительно хрупкий, особенно это касается небольших, узких и длинных электродов, которые легко ломаются под воздействием внешних сил во время использования, но о повреждении электрода можно узнать сразу.
Если это медный электрод, он только согнется, но не сломается, что очень опасно и трудно обнаружить в процессе использования, а также легко может привести к браку заготовки.
1.8.Цена.
Медь — невозобновляемый ресурс, её цена будет неуклонно расти, в то время как цена графита, как правило, стабилизируется.
В последние годы цены на медь растут, и крупные производители графита совершенствуют технологические процессы его производства, что обеспечивает им конкурентное преимущество. Сейчас при одинаковых объемах производства цены на графитовые электроды и медные электроды примерно одинаковы, но графит позволяет добиться более эффективной обработки, чем медные электроды, что значительно экономит рабочее время и напрямую снижает себестоимость производства.
В заключение, среди 8 характеристик графитового электрода его преимущества очевидны: эффективность обработки при фрезеровании и разряде значительно выше, чем у медного электрода; большой электрод имеет малый вес, хорошую стабильность размеров, тонкий электрод не склонен к деформации, а текстура поверхности лучше, чем у медного электрода.
Недостатком графитового материала является его непригодность для обработки методом тонкого поверхностного разряда при VDI12 (Ra0,4 м), а также низкая эффективность использования edM для изготовления электродов.
Однако с практической точки зрения одной из важных причин, препятствующих эффективному развитию графитовых материалов в Китае, является необходимость в специальном оборудовании для обработки графита при фрезеровании электродов, что предъявляет новые требования к технологическому оборудованию предприятий по производству пресс-форм, и некоторые малые предприятия могут не располагать таким оборудованием.
В целом, преимущества графитовых электродов охватывают подавляющее большинство случаев электроэрозионной обработки и заслуживают широкого распространения и применения, обеспечивая значительные долгосрочные выгоды. Недостаток тонкой обработки поверхности может быть компенсирован использованием медных электродов.
2. Выбор графитовых электродных материалов для электроэрозионной обработки.
Для графитовых материалов основные показатели, непосредственно определяющие их характеристики, включают следующие четыре параметра:
1) Средний диаметр частиц материала
Средний диаметр частиц материала напрямую влияет на условия его выгрузки.
Чем меньше средний размер частиц графитового материала, тем равномернее разряд, тем стабильнее условия разряда, тем лучше качество поверхности и тем меньше потери.
Чем больше средний размер частиц, тем выше скорость удаления материала при черновой обработке, но при этом ухудшается качество чистовой обработки и увеличиваются потери на электроде.
2) Прочность материала на изгиб
Прочность материала на изгиб напрямую отражает его прочность, указывая на плотность его внутренней структуры.
Материал с высокой прочностью обладает относительно хорошими характеристиками сопротивления разряду. Для высокоточных электродов следует по возможности выбирать материал с высокой прочностью.
3) Твердость материала по Шору
Графит тверже металлов, и потери режущего инструмента превышают потери режущего металла.
В то же время, высокая твердость графитового материала обеспечивает лучший контроль потерь при разряде.
4) Собственное удельное сопротивление материала
Скорость разряда графитового материала с высоким собственным сопротивлением будет ниже, чем у материала с низким сопротивлением.
Чем выше удельное сопротивление, тем меньше потери на электроде, но чем выше удельное сопротивление, тем хуже будет стабильность разряда.
В настоящее время ведущие мировые поставщики графита предлагают множество различных сортов этого материала.
В целом, в зависимости от среднего диаметра частиц графитовых материалов, подлежащих классификации, частицы диаметром ≤ 4 м определяются как мелкозернистый графит, частицы диаметром 5–10 м — как среднезернистый графит, а частицы диаметром более 10 м — как крупнозернистый графит.
Чем меньше диаметр частиц, тем дороже материал, и тем более подходящий графитовый материал можно выбрать в соответствии с требованиями и стоимостью электроэрозионной обработки.
3. Изготовление графитового электрода
Графитовый электрод изготавливается в основном методом измельчения.
С точки зрения технологии обработки, графит и медь — это два разных материала, и необходимо освоить их различные режущие характеристики.
Если графитовый электрод обрабатывается по технологии медного электрода, неизбежно возникнут проблемы, такие как частое растрескивание листа, что требует использования соответствующих режущих инструментов и параметров резки.
При обработке графитовым электродом износ инструмента выше, чем у медного, поэтому с экономической точки зрения наиболее экономичным выбором является твердосплавный инструмент. Алмазный инструмент (так называемый графитовый нож) стоит дороже, но имеет более длительный срок службы, высокую точность обработки и в целом выгоден с экономической точки зрения.
Размер угла передней части инструмента также влияет на срок его службы: при угле передней части 0° срок службы инструмента будет на 50% больше, чем при угле 15°, а стабильность резания также лучше. Однако чем больше угол, тем лучше обрабатываемая поверхность. Использование угла 15° позволяет достичь наилучшего результата обработки.
Скорость резания при механической обработке можно регулировать в зависимости от формы электрода, обычно она составляет 10 м/мин, что аналогично обработке алюминия или пластика. При черновой обработке режущий инструмент может непосредственно прикладываться к заготовке и отсоединяться от нее, тогда как при чистовой обработке легко возникают явления разрушения и фрагментации режущей кромки, поэтому часто используется метод быстрого перемещения легкого ножа.
В процессе резки графитовый электрод образует большое количество пыли. Чтобы избежать попадания частиц графита в шпиндель и винт станка, в настоящее время существуют два основных решения: использование специального оборудования для обработки графита или модернизация обычного обрабатывающего центра с установкой специального пылеулавливающего устройства.
Представленный на рынке специальный высокоскоростной фрезерный станок для обработки графита обладает высокой эффективностью фрезерования и позволяет легко изготавливать сложные электроды с высокой точностью и хорошим качеством поверхности.
Если для изготовления графитового электрода необходима электроэрозионная обработка, рекомендуется использовать мелкодисперсный графит с меньшим диаметром частиц.
Обрабатываемость графита низкая, однако чем меньше диаметр частиц, тем выше эффективность резания, и тем меньше аномальных проблем, таких как частое обрывание проволоки и образование поверхностных полос.
4. Параметры электроэрозионной обработки графитового электрода
Выбор параметров электроэрозионной обработки графита и меди существенно различается.
К основным параметрам электроэрозионной обработки относятся ток, ширина импульса, интервал между импульсами и полярность.
Ниже приводится описание оснований для рационального использования этих основных параметров.
Плотность тока графитового электрода обычно составляет 10–12 А/см², что значительно больше, чем у медного электрода. Поэтому в пределах допустимого тока в соответствующей области, чем больше ток, тем быстрее будет скорость обработки графитового электрода разрядом, тем меньше будут потери на электроде, но тем больше будет шероховатость поверхности.
Чем больше ширина импульса, тем меньше будут потери на электроде.
Однако, увеличение длительности импульса ухудшит стабильность обработки, снизит скорость обработки и сделает поверхность более шероховатой.
Для обеспечения низких потерь электрода при черновой обработке обычно используется относительно большая ширина импульса, что позволяет эффективно осуществлять обработку графитового электрода с низкими потерями, если ее значение находится в диапазоне от 100 до 300 мкс.
Для получения мелкозернистой поверхности и стабильного разрядного эффекта следует выбирать меньшую ширину импульса.
В целом, ширина импульса графитового электрода примерно на 40% меньше, чем у медного электрода.
Интервал между импульсами в основном влияет на скорость и стабильность обработки. Чем больше это значение, тем лучше стабильность обработки, что способствует достижению лучшей однородности поверхности, но при этом скорость обработки снижается.
При условии обеспечения стабильности процесса, более высокая эффективность обработки может быть достигнута за счет выбора меньшего интервала между импульсами, но при нестабильном состоянии разряда более высокая эффективность обработки может быть достигнута за счет выбора большего интервала между импульсами.
При обработке графитовых электродов интервал между импульсами и ширина импульса обычно устанавливаются в соотношении 1:1, тогда как при обработке медных электродов интервал между импульсами и ширина импульса обычно устанавливаются в соотношении 1:3.
При стабильной обработке графита соотношение между интервалом импульса и шириной импульса можно регулировать до 2:3.
В случае малого импульсного зазора целесообразно сформировать защитный слой на поверхности электрода, что помогает снизить потери на электроде.
Выбор полярности графитового электрода при электроэрозионной обработке в основном аналогичен выбору полярности медного электрода.
В соответствии с принципом действия электроэрозионной обработки, при обработке штамповой стали обычно используется положительная полярность, то есть электрод подключается к положительному полюсу источника питания, а заготовка — к отрицательному полюсу источника питания.
Использование больших токов и длительности импульса, а также выбор положительной полярности обработки позволяют добиться чрезвычайно низких потерь в электроде. При неправильной полярности потери в электроде значительно возрастут.
Только когда требуется тонкая обработка поверхности с показателем VDI менее 18 (Ra 0,8 м) и очень мала ширина импульса, используется обработка отрицательной полярностью для получения лучшего качества поверхности, но при этом потери на электроде велики.
В настоящее время станки с ЧПУ для электроэрозионной обработки оснащены параметрами обработки с графитовым разрядом.
Использование электрических параметров является интеллектуальным и может генерироваться автоматически экспертной системой станка.
Как правило, в процессе программирования станок позволяет настроить оптимизированные параметры обработки, выбрав пару материалов, тип применения, значение шероховатости поверхности и задав область обработки, глубину обработки, масштабирование размера электрода и т. д.
В библиотеке параметров обработки графитового электрода для электроэрозионного станка представлен богатый набор параметров. Можно выбрать тип материала: крупнозернистый графит, обычный графит, графит, соответствующий различным материалам заготовки. Возможно подразделение по типу обработки на стандартный, для глубоких канавок, острый, большой площади, большой полости и т.д., а также доступны различные варианты обработки, такие как низкие потери, стандартная обработка, высокая эффективность и т.д.
5. Заключение
Новый графитовый электродный материал заслуживает активного распространения, и его преимущества постепенно будут признаны и приняты отечественной индустрией по производству пресс-форм.
Правильный выбор материалов для графитовых электродов и совершенствование соответствующих технологических звеньев обеспечат предприятиям по производству пресс-форм высокую эффективность, высокое качество и низкую себестоимость.
Дата публикации: 04.12.2020