1. EDM-eigenschappen van grafietmaterialen.
1.1. Uitvoersnelheid van de bewerking.
Grafiet is een niet-metallisch materiaal met een zeer hoog smeltpunt van 3650 °C, terwijl koper een smeltpunt heeft van 1083 °C. Daardoor kan een grafietelektrode hogere stroomsterktes aan.
Wanneer het ontladingsgebied en de afmetingen van de elektroden groter zijn, komen de voordelen van een zeer efficiënte voorbewerking van grafietmateriaal duidelijker naar voren.
De thermische geleidbaarheid van grafiet is 1/3 van die van koper, en de warmte die tijdens het ontladingsproces ontstaat, kan effectiever worden gebruikt om metaalmaterialen te verwijderen. Daarom is de verwerkingsefficiëntie van grafiet hoger dan die van een koperen elektrode bij middelgrote en fijne verwerking.
Uit de praktijkervaring blijkt dat de ontladingssnelheid van een grafietelektrode onder de juiste gebruiksomstandigheden 1,5 tot 2 keer hoger ligt dan die van een koperen elektrode.
1.2. Elektrodeverbruik.
Grafietelektroden hebben de eigenschap dat ze bestand zijn tegen hoge stroomsterktes. Bovendien, onder de juiste voorbewerkingscondities, waarbij koolstofstaal tijdens het bewerken wordt verwijderd en de koolstofdeeltjes bij hoge temperaturen ontbinden in de bewerkingsvloeistof, zal het polariteitseffect ervoor zorgen dat de koolstofdeeltjes, onder invloed van gedeeltelijke materiaalverwijdering, zich aan het elektrodeoppervlak hechten en een beschermende laag vormen. Dit garandeert dat de grafietelektrode tijdens de voorbewerking weinig of zelfs geen materiaal verliest.
Het grootste elektrodeverlies bij EDM wordt veroorzaakt door de voorbewerking. Hoewel het verliespercentage hoog is bij de instelomstandigheden van de nabewerking, is het totale verlies laag vanwege de kleine bewerkingsmarge die voor de onderdelen is gereserveerd.
Over het algemeen is het verlies van een grafietelektrode kleiner dan dat van een koperen elektrode bij voorbewerking met een hoge stroomsterkte, en iets groter dan dat van een koperen elektrode bij nabewerking. Het verlies van een grafietelektrode is vergelijkbaar.
1.3. De oppervlaktekwaliteit.
De deeltjesdiameter van grafietmateriaal heeft een directe invloed op de oppervlakteruwheid van EDM. Hoe kleiner de diameter, hoe lager de oppervlakteruwheid die kan worden bereikt.
Enkele jaren geleden kon met grafietmateriaal met een deeltjesgrootte van 5 micron in diameter slechts een VDI18 edm (Ra0,8 micron) worden bereikt op het beste oppervlak. Tegenwoordig kunnen grafietmaterialen met een korrelgrootte van minder dan 3 micron worden geproduceerd, waardoor een stabiel VDI12 edm (Ra0,4 μm) of een nog hoger niveau kan worden bereikt op het beste oppervlak. Dit resulteert echter in een spiegelende edm-waarde voor de grafietelektrode.
Het kopermateriaal heeft een lage soortelijke weerstand en een compacte structuur, en kan stabiel worden verwerkt onder moeilijke omstandigheden. De oppervlakteruwheid kan minder dan Ra0,1 m bedragen en het kan tot een spiegel worden bewerkt.
Als bij ontladingsbewerking een extreem fijn oppervlak wordt nagestreefd, is het gebruik van koper als elektrode dan ook geschikter. Dit is het belangrijkste voordeel van een koperen elektrode ten opzichte van een grafietelektrode.
Bij een koperen elektrode kan het oppervlak echter bij een hoge stroomsterkte ruw worden en zelfs barsten vertonen. Grafietmaterialen hebben dit probleem niet. De oppervlakteruwheidseis voor VDI26 (Ra2,0 micron) bij matrijsbewerking kan met een grafietelektrode van grof tot fijn worden bewerkt, waardoor een uniform oppervlak en minimale oppervlaktedefecten worden gerealiseerd.
Bovendien is, vanwege de verschillende structuur van grafiet en koper, het corrosiepunt van de oppervlakteontlading bij een grafietelektrode regelmatiger dan bij een koperen elektrode. Daarom is, bij bewerking met een oppervlakteruwheid van VDI20 of hoger, de korrelstructuur van het werkstuk dat met een grafietelektrode is bewerkt, duidelijker zichtbaar. Dit korrelstructuureffect is bovendien beter dan het ontladingseffect van een koperen elektrode.
1.4. De bewerkingsnauwkeurigheid.
De thermische uitzettingscoëfficiënt van grafiet is klein, terwijl die van koper vier keer zo groot is. Daardoor is een grafietelektrode tijdens het ontladingsproces minder gevoelig voor vervorming dan een koperelektrode, wat resulteert in een stabielere en betrouwbaardere verwerkingsnauwkeurigheid.
Vooral bij de bewerking van diepe en smalle ribben zorgt de plaatselijke hoge temperatuur ervoor dat de koperen elektrode gemakkelijk buigt, terwijl dit bij de grafietelektrode niet het geval is.
Bij koperen elektroden met een grote diepte-diameterverhouding moet tijdens de bewerking rekening worden gehouden met een bepaalde thermische uitzettingscoëfficiënt om de afmetingen te corrigeren, terwijl dit bij grafietelektroden niet nodig is.
1.5. Gewicht van de elektrode.
Grafiet is een minder dicht materiaal dan koper, en het gewicht van een grafietelektrode met hetzelfde volume is slechts 1/5 van dat van een koperen elektrode.
Het is duidelijk dat het gebruik van grafiet zeer geschikt is voor elektroden met een groot volume, waardoor de belasting van de spindel van de EDM-machine aanzienlijk wordt verminderd. De elektrode zal door zijn grote gewicht geen problemen veroorzaken bij het klemmen en zal geen doorbuiging of verplaatsing tijdens de bewerking veroorzaken. Het gebruik van grafietelektroden is daarom van groot belang bij de grootschalige matrijsbewerking.
1.6. Moeilijkheden bij de productie van elektroden.
Grafiet is een goed materiaal voor bewerking. De snijweerstand is slechts een kwart van die van koper. Onder de juiste bewerkingsomstandigheden is de efficiëntie van het frezen met een grafietelektrode 2 tot 3 keer zo hoog als met een koperen elektrode.
Grafietelektroden zijn gemakkelijk te bewerken onder een hoek en kunnen worden gebruikt om werkstukken die normaal gesproken met meerdere elektroden bewerkt zouden moeten worden, met slechts één elektrode af te werken.
De unieke deeltjesstructuur van grafietmateriaal voorkomt dat er bramen ontstaan na het frezen en vormen van elektroden. Dit voldoet direct aan de eisen voor toepassingen waarbij bramen moeilijk te verwijderen zijn bij complexe modellen, waardoor het handmatig polijsten van de elektrode overbodig wordt en vormveranderingen en maatafwijkingen als gevolg van polijsten worden voorkomen.
Het is belangrijk om te weten dat grafiet een stofophopende grondstof is. Bij het frezen van grafiet komt er dus veel stof vrij, waardoor de freesmachine voorzien moet zijn van een afdichting en een stofafzuiginstallatie.
Als het nodig is om EDM te gebruiken voor de bewerking van grafietelektroden, zijn de bewerkingsprestaties minder goed dan bij koper; de snijsnelheid is ongeveer 40% lager dan bij koper.
1.7. Installatie en gebruik van elektroden.
Grafiet heeft goede hechtende eigenschappen. Het kan worden gebruikt om grafiet aan het bevestigingsmateriaal te hechten door de elektrode te frezen en te ontladen, waardoor het frezen van schroefgaten in het elektrodemateriaal overbodig wordt en er tijd wordt bespaard.
Het grafietmateriaal is relatief broos, vooral de kleine, smalle en lange elektrode, die gemakkelijk breekt wanneer er tijdens gebruik externe kracht op wordt uitgeoefend. Dit is echter direct merkbaar.
Als het een koperen elektrode is, zal deze alleen buigen en niet breken, wat zeer gevaarlijk is en moeilijk te ontdekken tijdens het gebruik. Bovendien leidt dit gemakkelijk tot het afkeuren van het werkstuk.
1.8.Prijs.
Koper is een niet-hernieuwbare grondstof, de prijs ervan zal steeds verder stijgen, terwijl de prijs van grafiet de neiging heeft zich te stabiliseren.
De prijs van koper is de afgelopen jaren gestegen. De grote fabrikanten van grafiet hebben hun productieprocessen verbeterd om een concurrentievoordeel te behalen. Nu liggen de prijzen van grafietelektroden en koperelektroden bij gelijke volumes over het algemeen dicht bij elkaar, maar grafiet kan efficiënter worden verwerkt en bespaart aanzienlijk meer arbeidstijd dan koper, wat neerkomt op een directe verlaging van de productiekosten.
Samenvattend zijn de 8 edM-eigenschappen van grafietelektroden duidelijk als volgt: de efficiëntie van het frezen van de elektrode en het ontladingsproces is aanzienlijk beter dan die van koperen elektroden; de grote elektrode heeft een laag gewicht, een goede vormstabiliteit, de dunne elektrode is niet gemakkelijk te vervormen en de oppervlaktestructuur is beter dan die van koperen elektroden.
Het nadeel van grafietmateriaal is dat het niet geschikt is voor fijne oppervlakteontladingsprocessen onder VDI12 (Ra0,4 m), en dat de efficiëntie van het gebruik van edM voor het maken van elektroden laag is.
Vanuit praktisch oogpunt is een van de belangrijkste redenen voor de effectieve promotie van grafietmaterialen in China echter dat er speciale machines nodig zijn voor het frezen van grafietelektroden. Dit stelt nieuwe eisen aan de verwerkingsapparatuur van matrijzenbedrijven, en sommige kleine bedrijven beschikken mogelijk niet over deze faciliteiten.
Over het algemeen dekken de voordelen van grafietelektroden de overgrote meerderheid van de edM-verwerkingstoepassingen en zijn ze het waard om te worden gepopulariseerd en toegepast, met aanzienlijke voordelen op de lange termijn. Het tekort aan fijne oppervlaktebewerking kan worden gecompenseerd door het gebruik van koperen elektroden.
2. Selectie van grafietelektrodematerialen voor EDM
Voor grafietmaterialen zijn er hoofdzakelijk de volgende vier indicatoren die de prestaties van de materialen direct bepalen:
1) Gemiddelde deeltjesdiameter van het materiaal
De gemiddelde deeltjesdiameter van het materiaal heeft direct invloed op de afvoeromstandigheden van het materiaal.
Hoe kleiner de gemiddelde deeltjesgrootte van het grafietmateriaal, hoe gelijkmatiger de ontlading is, hoe stabieler de ontladingsomstandigheden zijn, hoe beter de oppervlaktekwaliteit is en hoe lager het verlies is.
Hoe groter de gemiddelde deeltjesgrootte, hoe beter de afname bij voorbewerking, maar het oppervlakte-effect van de afwerking is slecht en het elektrodeverlies is groot.
2) De buigsterkte van het materiaal
De buigsterkte van een materiaal is een directe weerspiegeling van de sterkte ervan en geeft de compactheid van de interne structuur aan.
Een materiaal met een hoge sterkte heeft een relatief goede ontladingsweerstand. Voor elektroden met een hoge precisie moet zoveel mogelijk een materiaal met een goede sterkte worden gekozen.
3) Shore-hardheid van het materiaal
Grafiet is harder dan metalen materialen en het slijtageverlies van het snijgereedschap is groter dan dat van het te snijden metaal.
Tegelijkertijd is de hoge hardheid van het grafietmateriaal beter geschikt voor het beheersen van het ontladingsverlies.
4) De intrinsieke soortelijke weerstand van het materiaal
De ontladingssnelheid van grafietmateriaal met een hoge intrinsieke soortelijke weerstand zal lager zijn dan die van grafietmateriaal met een lage soortelijke weerstand.
Hoe hoger de intrinsieke soortelijke weerstand, hoe kleiner het elektrodeverlies, maar hoe hoger de intrinsieke soortelijke weerstand, hoe meer de stabiliteit van de ontlading wordt beïnvloed.
Momenteel zijn er veel verschillende soorten grafiet verkrijgbaar bij de belangrijkste grafietleveranciers ter wereld.
Over het algemeen wordt, op basis van de gemiddelde deeltjesdiameter van grafietmaterialen, het volgende gedefinieerd: deeltjes met een diameter van ≤ 4 µm worden gedefinieerd als fijn grafiet, deeltjes met een diameter van 5 tot 10 µm als middelgroot grafiet en deeltjes met een diameter van 10 µm en groter als grof grafiet.
Hoe kleiner de deeltjesdiameter, hoe duurder het materiaal. Daarom kan, afhankelijk van de eisen en de kosten van EDM, het meest geschikte grafietmateriaal worden gekozen.
3. Fabricage van een grafietelektrode
De grafietelektrode wordt hoofdzakelijk door middel van frezen vervaardigd.
Vanuit het oogpunt van verwerkingstechnologie zijn grafiet en koper twee verschillende materialen, en hun verschillende snijeigenschappen moeten beheerst worden.
Als de grafietelektrode op dezelfde manier wordt verwerkt als een koperen elektrode, zullen er onvermijdelijk problemen optreden, zoals frequente breuk van de plaat. Dit vereist het gebruik van geschikte snijgereedschappen en snijparameters.
Bij het bewerken van gereedschap met een grafietelektrode is de slijtage van het gereedschap minder dan bij een koperen elektrode. Economisch gezien is de keuze voor een hardmetalen gereedschap het meest voordelig. Gereedschappen met een diamantcoating (ook wel grafietmessen genoemd) zijn weliswaar duurder, maar hebben een langere levensduur, een hoge bewerkingsprecisie en bieden over het algemeen een goed economisch voordeel.
De grootte van de fronthoek van het gereedschap heeft ook invloed op de levensduur. Een gereedschap met een fronthoek van 0° heeft een tot 50% langere levensduur dan een gereedschap met een fronthoek van 15°. De snijstabiliteit is ook beter, maar hoe groter de hoek, hoe beter het bewerkte oppervlak. Met een gereedschap met een fronthoek van 15° wordt het beste bewerkte oppervlak bereikt.
De snijsnelheid bij het verspanen kan worden aangepast aan de vorm van de elektrode, meestal 10 m/min, vergelijkbaar met het verspanen van aluminium of kunststof. Bij het voorbewerken kan het snijgereedschap direct op en van het werkstuk worden geplaatst. Bij het nabewerken is de kans op hoekvervorming en fragmentatie groot, waardoor vaak gebruik wordt gemaakt van een licht, snel bewegend mes.
Bij het snijden van grafietelektroden komt veel stof vrij. Om te voorkomen dat grafietdeeltjes in de spindel en schroef van de machine terechtkomen, zijn er momenteel twee belangrijke oplossingen: het gebruik van een speciale grafietbewerkingsmachine of het aanpassen van een standaard bewerkingscentrum met een speciaal stofafzuigsysteem.
De speciale grafiet hogesnelheidsfreesmachine die op de markt verkrijgbaar is, heeft een hoog freesrendement en kan de productie van complexe elektroden met hoge precisie en een goede oppervlaktekwaliteit eenvoudig voltooien.
Als EDM nodig is om een grafietelektrode te maken, is het aan te raden een fijn grafietmateriaal met een kleinere deeltjesdiameter te gebruiken.
De verwerkbaarheid van grafiet is slecht; hoe kleiner de deeltjesdiameter, hoe hoger de verspaningsefficiëntie en hoe beter problemen zoals frequent draadbreuk en oppervlaktebeschadiging kunnen worden voorkomen.
4. EDM-parameters van de grafietelektrode
De selectie van EDM-parameters voor grafiet en koper is behoorlijk verschillend.
De belangrijkste parameters van EDM zijn stroomsterkte, pulsbreedte, pulsinterval en polariteit.
Hieronder wordt de basis beschreven voor een rationeel gebruik van deze belangrijke parameters.
De stroomdichtheid van een grafietelektrode is doorgaans 10 tot 12 A/cm², veel hoger dan die van een koperen elektrode. Binnen het toegestane stroombereik in het betreffende gebied geldt daarom dat hoe hoger de gekozen stroom, hoe sneller het ontladingsproces van het grafiet zal verlopen en hoe kleiner het elektrodeverlies zal zijn, maar hoe groter de oppervlakteruwheid zal zijn.
Hoe groter de pulsbreedte, hoe lager het elektrodeverlies zal zijn.
Een grotere pulsbreedte zal echter de processtabiliteit verslechteren, de processnelheid verlagen en het oppervlak ruwer maken.
Om tijdens het voorbewerken een laag elektrodeverlies te garanderen, wordt doorgaans een relatief grote pulsbreedte gebruikt. Hiermee kan een bewerking met laag verlies van grafietelektroden effectief worden gerealiseerd wanneer de waarde tussen 100 en 300 US ligt.
Om een fijn oppervlak en een stabiel ontladingseffect te verkrijgen, moet een kleinere pulsbreedte worden gekozen.
Over het algemeen is de pulsbreedte van een grafietelektrode ongeveer 40% kleiner dan die van een koperen elektrode.
De pulsafstand heeft vooral invloed op de bewerkingssnelheid en de bewerkingsstabiliteit. Hoe groter de waarde, hoe beter de bewerkingsstabiliteit, wat gunstig is voor een betere oppervlakteuniformiteit, maar de bewerkingssnelheid zal wel afnemen.
Onder de voorwaarde dat de processtabiliteit gewaarborgd is, kan een hogere verwerkingsefficiëntie worden bereikt door een kleinere pulsafstand te kiezen, maar wanneer de ontladingstoestand instabiel is, kan een hogere verwerkingsefficiëntie worden bereikt door een grotere pulsafstand te kiezen.
Bij vonkerosie met grafietelektroden worden de pulsafstand en de pulsbreedte doorgaans ingesteld op 1:1, terwijl bij vonkerosie met koperelektroden de pulsafstand en de pulsbreedte doorgaans worden ingesteld op 1:3.
Bij een stabiel grafietverwerkingsproces kan de verhouding tussen pulsinterval en pulsbreedte worden ingesteld op 2:3.
Bij kleine pulsverwijdering is het gunstig om een beschermende laag op het elektrodeoppervlak aan te brengen, wat helpt om het elektrodeverlies te verminderen.
De polariteitskeuze van een grafietelektrode bij EDM is in principe hetzelfde als die van een koperen elektrode.
Vanwege het polariteitseffect van EDM wordt bij het bewerken van matrijsstaal meestal gebruikgemaakt van positieve polariteit. Dit betekent dat de elektrode is aangesloten op de positieve pool van de voeding en het werkstuk op de negatieve pool.
Door gebruik te maken van een hoge stroomsterkte en pulsbreedte, en te kiezen voor een positieve polariteit tijdens het bewerken, kan een extreem laag elektrodeverlies worden bereikt. Bij een verkeerde polariteit zal het elektrodeverlies zeer groot worden.
Alleen wanneer een fijn bewerkt oppervlak van minder dan VDI18 (Ra0,8 m) vereist is en de pulsbreedte zeer klein is, wordt de bewerking met negatieve polariteit gebruikt om een betere oppervlaktekwaliteit te verkrijgen, maar het elektrodeverlies is groot.
CNC edM-bewerkingsmachines zijn tegenwoordig uitgerust met parameters voor grafietontladingsbewerking.
Het gebruik van elektrische parameters is intelligent en kan automatisch worden gegenereerd door het expertsysteem van de werktuigmachine.
Over het algemeen kan de machine de geoptimaliseerde verwerkingsparameters configureren door tijdens het programmeren het materiaalpaar, het toepassingstype, de oppervlakteruwheidswaarde te selecteren en het verwerkingsgebied, de verwerkingsdiepte, de elektrodeafmetingen, enz. in te voeren.
De bibliotheek met bewerkingsparameters voor grafietelektroden van EDM-machines biedt een breed scala aan mogelijkheden. Het materiaaltype kan worden gekozen uit grof grafiet, fijn grafiet en andere materialen die geschikt zijn voor diverse werkstukken. De toepassingsmogelijkheden kunnen worden onderverdeeld in standaard, diepe groef, scherpe punt, groot oppervlak, grote holte, enzovoort. Ook zijn er diverse opties voor bewerkingsprioriteit, zoals laag verlies, standaard en hoog rendement.
5. Conclusie
Het nieuwe grafietelektrodemateriaal verdient het om krachtig te worden gepromoot en de voordelen ervan zullen geleidelijk aan worden erkend en geaccepteerd door de binnenlandse matrijzenindustrie.
De juiste keuze van grafietelektrodematerialen en de verbetering van de bijbehorende technologische processen zullen matrijzenfabrikanten voordelen opleveren op het gebied van hoge efficiëntie, hoge kwaliteit en lage kosten.
Geplaatst op: 4 december 2020