کاربرد الکترود گرافیتی در ساخت قالب ماشینکاری تخلیه الکتریکی

۱. ویژگی‌های EDM مواد گرافیتی.

۱.۱. سرعت ماشینکاری تخلیه.

گرافیت یک ماده غیرفلزی با نقطه ذوب بسیار بالا ۳۶۵۰ درجه سانتیگراد است، در حالی که مس دارای نقطه ذوب ۱۰۸۳ درجه سانتیگراد است، بنابراین الکترود گرافیتی می‌تواند شرایط تنظیم جریان بیشتری را تحمل کند.
وقتی ناحیه تخلیه و مقیاس اندازه الکترود بزرگتر باشد، مزایای ماشینکاری خشن با راندمان بالا از مواد گرافیتی آشکارتر می‌شود.
رسانایی حرارتی گرافیت ۱/۳ مس است و گرمای تولید شده در طول فرآیند تخلیه می‌تواند برای حذف مؤثرتر مواد فلزی استفاده شود. بنابراین، راندمان پردازش گرافیت در پردازش متوسط ​​و ریز، بالاتر از الکترود مسی است.
طبق تجربه فرآوری، سرعت فرآوری تخلیه الکترود گرافیتی در شرایط استفاده صحیح، ۱.۵ تا ۲ برابر سریع‌تر از الکترود مسی است.

۱.۲. مصرف الکترود.

الکترود گرافیتی دارای ویژگی‌ای است که می‌تواند شرایط جریان بالا را تحمل کند، علاوه بر این، تحت شرایط تنظیم زبری مناسب، از جمله قطعات فولادی کربنی تولید شده در حین ماشینکاری، حذف در محتوا و سیال کاری در دمای بالا، تجزیه ذرات کربن، اثر قطبیت، تحت عمل حذف جزئی در محتوا، ذرات کربن به سطح الکترود می‌چسبند تا یک لایه محافظ تشکیل دهند، که تضمین می‌کند الکترود گرافیتی در ماشینکاری خشن، تلفات کمی داشته باشد یا حتی "ضایعات صفر" داشته باشد.
تلفات اصلی الکترود در EDM ناشی از ماشینکاری خشن است. اگرچه میزان تلفات در شرایط تنظیم پرداخت بالا است، اما به دلیل مقدار کم ماشینکاری مجاز برای قطعات، تلفات کلی نیز کم است.
به طور کلی، اتلاف الکترود گرافیتی در ماشینکاری خشن با جریان زیاد کمتر از الکترود مسی و در ماشینکاری نهایی کمی بیشتر از الکترود مسی است. اتلاف الکترود گرافیتی مشابه است.

۱.۳. کیفیت سطح.

قطر ذرات گرافیت مستقیماً بر زبری سطح EDM تأثیر می‌گذارد. هرچه قطر کوچکتر باشد، زبری سطح کمتری حاصل می‌شود.
چند سال پیش با استفاده از ذرات phi با قطر ۵ میکرون در ماده گرافیتی، بهترین سطح تنها می‌توانست به VDI18 edm (Ra0.8 میکرون) دست یابد، امروزه قطر دانه مواد گرافیتی توانسته است به phi با قطر ۳ میکرون برسد، بهترین سطح می‌تواند به VDI12 edm پایدار (Ra0.4 میکرومتر) یا سطح پیچیده‌تر دست یابد، اما الکترود گرافیتی به edm آینه‌ای تبدیل می‌شود.
ماده مسی مقاومت ویژه کم و ساختار فشرده‌ای دارد و می‌تواند تحت شرایط دشوار به طور پایدار پردازش شود. زبری سطح می‌تواند کمتر از Ra0.1 متر باشد و می‌توان آن را به صورت آینه‌ای پردازش کرد.

بنابراین، اگر ماشینکاری تخلیه سطحی بسیار ظریفی را دنبال می‌کند، استفاده از مواد مسی به عنوان الکترود مناسب‌تر است که مزیت اصلی الکترود مسی نسبت به الکترود گرافیتی است.
اما الکترود مسی تحت شرایط تنظیم جریان زیاد، سطح الکترود به راحتی زبر می‌شود، حتی ترک می‌خورد و مواد گرافیتی این مشکل را ندارند. الزامات زبری سطح برای VDI26 (Ra2.0 میکرون) در مورد پردازش قالب، با استفاده از الکترود گرافیتی می‌توان از پردازش درشت تا ریز انجام داد و اثر سطحی یکنواخت و عیوب سطحی را تشخیص داد.
علاوه بر این، به دلیل ساختار متفاوت گرافیت و مس، نقطه خوردگی تخلیه سطحی الکترود گرافیتی منظم‌تر از الکترود مسی است. بنابراین، هنگامی که زبری سطح یکسان VDI20 یا بالاتر پردازش می‌شود، دانه‌بندی سطح قطعه کار پردازش شده توسط الکترود گرافیتی متمایزتر است و این اثر سطحی دانه‌ای بهتر از اثر سطحی تخلیه الکترود مسی است.

۱.۴ دقت ماشینکاری.

ضریب انبساط حرارتی مواد گرافیتی کوچک است، ضریب انبساط حرارتی مواد مس 4 برابر مواد گرافیتی است، بنابراین در پردازش تخلیه، الکترود گرافیتی کمتر از الکترود مسی مستعد تغییر شکل است که می‌تواند دقت پردازش پایدارتر و قابل اطمینان‌تری را به دست آورد.
به خصوص هنگامی که شیارهای عمیق و باریک پردازش می‌شوند، دمای بالای موضعی باعث می‌شود الکترود مسی به راحتی خم شود، اما الکترود گرافیتی این قابلیت را ندارد.
برای الکترود مسی با نسبت عمق به قطر زیاد، باید مقدار انبساط حرارتی مشخصی برای اصلاح اندازه در طول تنظیم ماشینکاری جبران شود، در حالی که الکترود گرافیتی مورد نیاز نیست.

۱.۵. وزن الکترود.

ماده گرافیت از مس چگالی کمتری دارد و وزن الکترود گرافیتی با حجم یکسان تنها 1/5 وزن الکترود مسی است.
می‌توان دید که استفاده از گرافیت برای الکترود با حجم زیاد بسیار مناسب است، که بار اسپیندل ماشین ابزار EDM را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. الکترود به دلیل وزن زیادش در بستن مشکلی ایجاد نمی‌کند و در فرآیند تولید، جابجایی انحرافی و غیره ایجاد می‌کند. می‌توان دید که استفاده از الکترود گرافیتی در فرآیند تولید قالب در مقیاس بزرگ از اهمیت بالایی برخوردار است.

۱.۶. مشکل در تولید الکترود.

عملکرد ماشینکاری مواد گرافیتی خوب است. مقاومت برشی آن تنها 1/4 مس است. در شرایط پردازش صحیح، راندمان فرزکاری الکترود گرافیتی 2 تا 3 برابر الکترود مسی است.
الکترود گرافیتی به راحتی زاویه‌دار می‌شود و می‌توان از آن برای پردازش قطعه کاری که باید توسط چندین الکترود به یک الکترود تبدیل شود، استفاده کرد.
ساختار ذرات منحصر به فرد ماده گرافیتی از ایجاد پلیسه پس از فرزکاری و شکل‌دهی الکترود جلوگیری می‌کند، که می‌تواند مستقیماً الزامات استفاده را برآورده کند، زمانی که پلیسه‌ها به راحتی در مدل‌سازی پیچیده قابل حذف نیستند، بنابراین فرآیند پولیش دستی الکترود را از بین می‌برد و از تغییر شکل و خطای اندازه ناشی از پولیش جلوگیری می‌کند.

لازم به ذکر است که از آنجا که گرافیت باعث تجمع گرد و غبار می‌شود، فرزکاری گرافیت گرد و غبار زیادی تولید می‌کند، بنابراین دستگاه فرز باید دارای آب‌بندی و دستگاه جمع‌آوری گرد و غبار باشد.
اگر استفاده از EDM برای پردازش الکترود گرافیتی ضروری باشد، عملکرد پردازش آن به خوبی مواد مسی نیست و سرعت برش حدود 40٪ کندتر از مس است.

۱.۷. نصب و استفاده از الکترود.

ماده گرافیتی خاصیت چسبندگی خوبی دارد. می‌توان از آن برای اتصال گرافیت به فیکسچر با فرزکاری الکترود و تخلیه بار استفاده کرد که می‌تواند فرآیند ماشینکاری سوراخ پیچ روی ماده الکترود را صرفه‌جویی کرده و در زمان کار صرفه‌جویی کند.
ماده گرافیتی نسبتاً شکننده است، به خصوص الکترود کوچک، باریک و بلند که در هنگام استفاده در معرض نیروی خارجی به راحتی می‌شکند، اما می‌توان بلافاصله متوجه شد که الکترود آسیب دیده است.
اگر الکترود مسی باشد، فقط خم می‌شود و نمی‌شکند، که در فرآیند استفاده بسیار خطرناک و دشوار است و به راحتی منجر به ضایعات قطعه کار می‌شود.

۱.۸.قیمت.

مس یک منبع تجدیدناپذیر است و روند قیمت آن روز به روز گران‌تر خواهد شد، در حالی که قیمت گرافیت تمایل به تثبیت دارد.
با افزایش قیمت مواد مسی در سال‌های اخیر، تولیدکنندگان اصلی گرافیت با بهبود فرآیند تولید گرافیت، مزیت رقابتی خود را ایجاد کرده‌اند. اکنون، با حجم تولید یکسان، قیمت الکترود گرافیتی و قیمت مواد الکترود مسی نسبتاً یکسان است، اما گرافیت می‌تواند به پردازش کارآمدتری دست یابد، در حالی که استفاده از الکترود مسی می‌تواند تعداد زیادی از ساعات کاری را صرفه‌جویی کند که معادل کاهش مستقیم هزینه تولید است.

به طور خلاصه، از میان 8 ویژگی edM الکترود گرافیتی، مزایای آن آشکار است: راندمان الکترود فرزکاری و فرآیند تخلیه به طور قابل توجهی بهتر از الکترود مسی است؛ الکترود بزرگ وزن کمی دارد، پایداری ابعادی خوبی دارد، الکترود نازک به راحتی تغییر شکل نمی‌دهد و بافت سطح آن بهتر از الکترود مسی است.
عیب مواد گرافیتی این است که برای پردازش تخلیه سطحی ریز تحت VDI12 (Ra0.4 m) مناسب نیست و راندمان استفاده از edM برای ساخت الکترود کم است.
با این حال، از دیدگاه عملی، یکی از دلایل مهم مؤثر بر ارتقاء مؤثر مواد گرافیتی در چین این است که برای فرزکاری الکترودها به ماشین‌های مخصوص پردازش گرافیت نیاز است که الزامات جدیدی را برای تجهیزات پردازش شرکت‌های قالب‌سازی مطرح می‌کند، برخی از شرکت‌های کوچک ممکن است این شرایط را نداشته باشند.
به طور کلی، مزایای الکترودهای گرافیتی بخش عمده‌ای از موارد پردازش edM را پوشش می‌دهد و ارزش محبوبیت و کاربرد را با مزایای بلندمدت قابل توجه دارد. کمبود پردازش سطح ظریف را می‌توان با استفاده از الکترودهای مسی جبران کرد.

۲. انتخاب مواد الکترود گرافیتی برای EDM

برای مواد گرافیتی، عمدتاً چهار شاخص زیر وجود دارد که مستقیماً عملکرد مواد را تعیین می‌کنند:

۱) میانگین قطر ذرات ماده

قطر متوسط ​​ذرات ماده مستقیماً بر شرایط تخلیه ماده تأثیر می‌گذارد.
هرچه ذرات متوسط ​​ماده گرافیت کوچکتر باشد، تخلیه یکنواخت‌تر، شرایط تخلیه پایدارتر، کیفیت سطح بهتر و اتلاف کمتر است.
هرچه اندازه متوسط ​​ذرات بزرگتر باشد، نرخ حذف بهتری در ماشینکاری خشن حاصل می‌شود، اما اثر سطحی پرداخت ضعیف است و اتلاف الکترود زیاد است.

۲) مقاومت خمشی ماده

مقاومت خمشی یک ماده، بازتاب مستقیمی از استحکام آن است و نشان‌دهنده‌ی میزان سفتی ساختار داخلی آن می‌باشد.
ماده‌ای که استحکام بالایی دارد، عملکرد مقاومت در برابر تخلیه نسبتاً خوبی دارد. برای الکترود با دقت بالا، تا حد امکان باید ماده‌ای با استحکام خوب انتخاب شود.

۳) سختی ساحلی ماده

گرافیت از مواد فلزی سخت‌تر است و اتلاف ابزار برش بیشتر از فلز برش است.
در عین حال، سختی بالای مواد گرافیتی در کنترل افت تخلیه بهتر است.

۴) مقاومت ذاتی ماده

نرخ تخلیه مواد گرافیتی با مقاومت ذاتی بالا کندتر از نرخ تخلیه با مقاومت ویژه پایین خواهد بود.
هرچه مقاومت ذاتی بیشتر باشد، تلفات الکترود کمتر است، اما هرچه مقاومت ذاتی بیشتر باشد، پایداری تخلیه تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

در حال حاضر، گریدهای مختلفی از گرافیت از تامین‌کنندگان پیشرو گرافیت در جهان موجود است.
به طور کلی، بر اساس میانگین قطر ذرات مواد گرافیتی که باید طبقه‌بندی شوند، قطر ذرات ≤ ۴ متر به عنوان گرافیت ریز، ذرات ۵ تا ۱۰ متر به عنوان گرافیت متوسط ​​و ذرات ۱۰ متر به بالا به عنوان گرافیت درشت تعریف می‌شوند.
هرچه قطر ذرات کوچکتر باشد، ماده گران‌تر است و می‌توان با توجه به الزامات و هزینه EDM، ماده گرافیتی مناسب‌تری را انتخاب کرد.

۳. ساخت الکترود گرافیتی

الکترود گرافیتی عمدتاً با آسیاب کردن ساخته می‌شود.
از نظر فناوری پردازش، گرافیت و مس دو ماده متفاوت هستند و باید بر ویژگی‌های برش متفاوت آنها تسلط یافت.
اگر الکترود گرافیتی با فرآیند الکترود مسی فرآوری شود، مشکلاتی مانند شکستگی مکرر ورق ناگزیر رخ خواهد داد که نیاز به استفاده از ابزارهای برش مناسب و پارامترهای برش دارد.

در مقایسه با الکترود مسی، سایش ابزار ماشینکاری با الکترود گرافیتی بیشتر است. از نظر اقتصادی، انتخاب ابزار کاربیدی اقتصادی‌ترین گزینه است. ابزار پوشش الماس (به نام چاقوی گرافیتی) گران‌تر است، اما ابزار پوشش الماسی عمر طولانی و دقت پردازش بالایی دارد و در مجموع، مزیت اقتصادی خوبی دارد.
اندازه زاویه جلویی ابزار نیز بر عمر مفید آن تأثیر می‌گذارد، زاویه جلویی 0 درجه ابزار تا 50٪ بیشتر از زاویه جلویی 15 درجه عمر مفید ابزار خواهد بود، پایداری برش نیز بهتر است، اما هرچه زاویه بیشتر باشد، سطح ماشینکاری بهتر است، استفاده از زاویه 15 درجه ابزار می‌تواند به بهترین سطح ماشینکاری دست یابد.
سرعت برش در ماشینکاری را می‌توان با توجه به شکل الکترود تنظیم کرد، معمولاً 10 متر بر دقیقه، مشابه ماشینکاری آلومینیوم یا پلاستیک، ابزار برش می‌تواند مستقیماً روی قطعه کار قرار گیرد و از آن جدا شود در ماشینکاری خشن، و پدیده فروپاشی زاویه و تکه تکه شدن در ماشینکاری نهایی به راحتی رخ می‌دهد و اغلب از روش راه رفتن سریع با چاقوی سبک استفاده می‌شود.

الکترود گرافیتی در فرآیند برش، گرد و غبار زیادی تولید می‌کند. برای جلوگیری از استنشاق ذرات گرافیت توسط اسپیندل و پیچ دستگاه، در حال حاضر دو راه حل اصلی وجود دارد: یکی استفاده از دستگاه مخصوص پردازش گرافیت و دیگری تعمیر مرکز پردازش معمولی مجهز به دستگاه مخصوص جمع‌آوری گرد و غبار.
دستگاه فرز مخصوص گرافیت با سرعت بالا که در بازار موجود است، راندمان فرزکاری بالایی دارد و می‌تواند به راحتی تولید الکترودهای پیچیده را با دقت بالا و کیفیت سطح خوب انجام دهد.

اگر برای ساخت الکترود گرافیتی به EDM نیاز باشد، توصیه می‌شود از ماده گرافیتی ریز با قطر ذرات کوچکتر استفاده شود.
عملکرد ماشینکاری گرافیت ضعیف است، هرچه قطر ذرات کوچکتر باشد، راندمان برش بالاتر می‌رود و می‌توان از مشکلات غیرعادی مانند پارگی مکرر سیم و لبه‌های سطحی جلوگیری کرد.

پارامترهای EDM الکترود گرافیتی

انتخاب پارامترهای EDM گرافیت و مس کاملاً متفاوت است.
پارامترهای EDM عمدتاً شامل جریان، پهنای پالس، فاصله پالس و قطبیت هستند.
در ادامه، مبانی استفاده منطقی از این پارامترهای اصلی شرح داده شده است.

چگالی جریان الکترود گرافیتی عموماً 10 تا 12 آمپر بر سانتی‌متر مربع است که بسیار بزرگتر از الکترود مسی است. بنابراین، در محدوده جریان مجاز در ناحیه مربوطه، هرچه جریان بزرگتر انتخاب شود، سرعت پردازش تخلیه گرافیت سریعتر، تلفات الکترود کمتر، اما زبری سطح ضخیم‌تر خواهد بود.

هرچه پهنای پالس بزرگتر باشد، اتلاف الکترود کمتر خواهد بود.
با این حال، پهنای پالس بزرگتر، پایداری پردازش را بدتر، سرعت پردازش را کندتر و سطح را ناهموارتر می‌کند.
برای اطمینان از اتلاف کم الکترود در حین ماشینکاری خشن، معمولاً از پهنای پالس نسبتاً بزرگی استفاده می‌شود که می‌تواند ماشینکاری کم اتلاف الکترود گرافیتی را هنگامی که مقدار آن بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ واحد آمریکایی است، به طور مؤثر محقق کند.
برای دستیابی به سطح صاف و اثر تخلیه پایدار، باید پهنای پالس کوچکتری انتخاب شود.
به طور کلی، پهنای پالس الکترود گرافیتی حدود 40٪ کمتر از الکترود مسی است.

شکاف پالس عمدتاً بر سرعت ماشینکاری تخلیه و پایداری ماشینکاری تأثیر می‌گذارد. هرچه مقدار آن بیشتر باشد، پایداری ماشینکاری بهتر خواهد بود که برای دستیابی به یکنواختی سطح بهتر مفید است، اما سرعت ماشینکاری کاهش می‌یابد.
تحت شرایط تضمین پایداری پردازش، می‌توان با انتخاب شکاف پالس کوچکتر، راندمان پردازش بالاتری را بدست آورد، اما هنگامی که حالت تخلیه ناپایدار است، می‌توان با انتخاب شکاف پالس بزرگتر، راندمان پردازش بالاتری را بدست آورد.
در ماشینکاری تخلیه الکترود گرافیتی، شکاف پالس و پهنای پالس معمولاً روی ۱:۱ تنظیم می‌شوند، در حالی که در ماشینکاری الکترود مسی، شکاف پالس و پهنای پالس معمولاً روی ۱:۳ تنظیم می‌شوند.
تحت پردازش گرافیت پایدار، نسبت تطبیق بین شکاف پالس و پهنای پالس می‌تواند به 2:3 تنظیم شود.
در مواردی که فاصله پالس کم است، تشکیل یک لایه پوششی روی سطح الکترود مفید است که به کاهش تلفات الکترود کمک می‌کند.

انتخاب قطبیت الکترود گرافیتی در EDM اساساً مشابه الکترود مسی است.
با توجه به اثر قطبیت EDM، ماشینکاری با قطب مثبت معمولاً هنگام ماشینکاری فولاد قالب استفاده می‌شود، یعنی الکترود به قطب مثبت منبع تغذیه متصل می‌شود و قطعه کار به قطب منفی منبع تغذیه متصل می‌شود.
با استفاده از جریان و پهنای پالس زیاد، انتخاب ماشینکاری با قطب مثبت می‌تواند به اتلاف الکترود بسیار کمی دست یابد. اگر قطب اشتباه باشد، اتلاف الکترود بسیار زیاد خواهد شد.
فقط زمانی که سطح نیاز به پردازش دقیق کمتر از VDI18 (Ra0.8 متر) داشته باشد و عرض پالس بسیار کم باشد، از پردازش با قطب منفی برای دستیابی به کیفیت سطح بهتر استفاده می‌شود، اما اتلاف الکترود زیاد است.

اکنون ابزارهای ماشینی CNC edM به پارامترهای ماشینکاری تخلیه گرافیت مجهز شده‌اند.
استفاده از پارامترهای الکتریکی هوشمندانه است و می‌تواند به طور خودکار توسط سیستم متخصص ابزار ماشین تولید شود.
به طور کلی، دستگاه می‌تواند پارامترهای بهینه پردازش را با انتخاب جفت ماده، نوع کاربرد، مقدار زبری سطح و وارد کردن ناحیه پردازش، عمق پردازش، مقیاس‌بندی اندازه الکترود و غیره در طول برنامه‌ریزی پیکربندی کند.
مجموعه الکترود گرافیتی دستگاه EDM با پارامترهای پردازش غنی، نوع ماده را می‌توان از بین گرافیت درشت، گرافیت، گرافیت مربوط به انواع مواد قطعه کار انتخاب کرد و به انواع کاربرد مانند استاندارد، شیار عمیق، نوک تیز، مساحت بزرگ، حفره بزرگ مانند ریز، همچنین اتلاف کم، استاندارد، راندمان بالا و غیره را فراهم می‌کند و انواع مختلفی از انتخاب اولویت پردازش را ارائه می‌دهد.

۵. نتیجه‌گیری

این ماده جدید الکترود گرافیتی ارزش محبوبیت زیادی دارد و مزایای آن به تدریج توسط صنعت تولید قالب داخلی شناخته و پذیرفته خواهد شد.
انتخاب صحیح مواد الکترود گرافیتی و بهبود پیوندهای فناوری مرتبط، راندمان بالا، کیفیت بالا و سود کم هزینه را برای شرکت‌های تولید قالب به ارمغان خواهد آورد.