1. EDM-Eigenschaften von Graphitmaterialien.
1.1.Entladungsbearbeitungsgeschwindigkeit.
Graphit ist ein nichtmetallisches Material mit einem sehr hohen Schmelzpunkt von 3.650 °C, während Kupfer einen Schmelzpunkt von 1.083 °C hat, sodass die Graphitelektrode höheren Stromeinstellbedingungen standhalten kann.
Wenn die Entladungsfläche und die Elektrodengröße größer sind, sind die Vorteile einer hocheffizienten Grobbearbeitung von Graphitmaterial offensichtlicher.
Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit beträgt ein Drittel der von Kupfer. Die beim Entladungsprozess entstehende Wärme kann zum effektiveren Entfernen metallischer Materialien genutzt werden. Daher ist die Verarbeitungseffizienz von Graphit bei der mittleren und feinen Verarbeitung höher als die von Kupferelektroden.
Erfahrungsgemäß ist die Entladungsgeschwindigkeit einer Graphitelektrode unter korrekten Einsatzbedingungen 1,5- bis 2-mal schneller als die einer Kupferelektrode.
1.2.Elektrodenverbrauch.
Graphitelektroden sind in der Lage, hohen Stromstärken standzuhalten. Unter geeigneten Schruppeinstellungen kommt es außerdem bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Kohlenstoffstahl zu einem Materialabtrag und der Zersetzung der Kohlenstoffpartikel bei hohen Temperaturen des Arbeitsfluids. Unter dem Einfluss der Polarität haften die Kohlenstoffpartikel beim teilweisen Materialabtrag an der Elektrodenoberfläche und bilden eine Schutzschicht. Dadurch wird sichergestellt, dass bei der Schruppbearbeitung der Graphitelektrode nur geringe Verluste oder sogar „null Abfall“ entstehen.
Der Hauptelektrodenverlust beim Funkenerosionsschweißen entsteht durch die Grobbearbeitung. Obwohl die Verlustrate unter den Bedingungen der Schlichtbearbeitung hoch ist, ist der Gesamtverlust aufgrund der geringen Bearbeitungszugabe für die Teile gering.
Im Allgemeinen ist der Verlust einer Graphitelektrode bei der Grobbearbeitung mit hohem Strom geringer als bei einer Kupferelektrode und bei der Feinbearbeitung etwas höher als bei einer Kupferelektrode. Der Elektrodenverlust einer Graphitelektrode ist ähnlich.
1.3.Die Oberflächenqualität.
Der Partikeldurchmesser des Graphitmaterials wirkt sich direkt auf die Oberflächenrauheit des EDM aus. Je kleiner der Durchmesser ist, desto geringer kann die Oberflächenrauheit erreicht werden.
Vor einigen Jahren konnte bei Verwendung von Graphitmaterial mit einem Partikeldurchmesser von 5 Mikrometern die beste Oberfläche nur VDI18 EDM (Ra0,8 Mikrometer) erreichen. Heutzutage kann der Korndurchmesser von Graphitmaterialien innerhalb von 3 Mikrometern Phi liegen und die beste Oberfläche kann stabiles VDI12 EDM (Ra0,4 Mikrometer) oder ein anspruchsvolleres Niveau erreichen, aber die Graphitelektrode spiegelt das EDM wider.
Das Kupfermaterial hat einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine kompakte Struktur und kann unter schwierigen Bedingungen stabil verarbeitet werden. Die Oberflächenrauheit kann weniger als Ra0,1 m betragen und es kann mit einem Spiegel verarbeitet werden.
Wenn also bei der Entladungsbearbeitung eine extrem feine Oberfläche erreicht werden soll, ist die Verwendung von Kupfermaterial als Elektrode besser geeignet. Dies ist der Hauptvorteil einer Kupferelektrode gegenüber einer Graphitelektrode.
Bei Kupferelektroden mit hohem Strom wird die Elektrodenoberfläche jedoch leicht rau und es treten sogar Risse auf. Bei Graphitmaterialien tritt dieses Problem nicht auf. Die Oberflächenrauheitsanforderungen für die Formverarbeitung entsprechen VDI26 (Ra 2,0 Mikrometer). Mit einer Graphitelektrode kann die Verarbeitung von grob bis fein erfolgen, wodurch ein gleichmäßiger Oberflächeneffekt und keine Oberflächenfehler entstehen.
Aufgrund der unterschiedlichen Struktur von Graphit und Kupfer ist der Oberflächenkorrosionspunkt der Graphitelektrode gleichmäßiger als der der Kupferelektrode. Daher ist bei der Bearbeitung einer Oberflächenrauigkeit von VDI20 oder höher die Oberflächenkörnigkeit des mit der Graphitelektrode bearbeiteten Werkstücks ausgeprägter, und dieser Kornoberflächeneffekt ist besser als der Entladungsoberflächeneffekt der Kupferelektrode.
1.4.Die Bearbeitungsgenauigkeit.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Graphitmaterial ist gering, der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfermaterial ist viermal so hoch wie der von Graphitmaterial. Daher ist die Graphitelektrode bei der Entladungsverarbeitung weniger anfällig für Verformungen als die Kupferelektrode, wodurch eine stabilere und zuverlässigere Verarbeitungsgenauigkeit erreicht werden kann.
Insbesondere bei der Verarbeitung tiefer und schmaler Rippen kommt es aufgrund der örtlich hohen Temperaturen dazu, dass sich die Kupferelektrode leicht verbiegt, die Graphitelektrode hingegen nicht.
Bei Kupferelektroden mit einem großen Tiefen-Durchmesser-Verhältnis sollte ein bestimmter Wärmeausdehnungswert ausgeglichen werden, um die Größe während der Bearbeitungseinstellung zu korrigieren, während eine Graphitelektrode nicht erforderlich ist.
1.5.Elektrodengewicht.
Das Graphitmaterial hat eine geringere Dichte als Kupfer und das Gewicht der Graphitelektrode beträgt bei gleichem Volumen nur 1/5 des Gewichts der Kupferelektrode.
Es zeigt sich, dass sich Graphitelektroden mit großem Volumen sehr gut eignen, da sie die Spindelbelastung von Erodiermaschinen deutlich reduzieren. Das hohe Gewicht der Elektrode führt beim Spannen zu keinen Unannehmlichkeiten und führt bei der Bearbeitung zu keiner Verformung. Die Verwendung von Graphitelektroden ist daher besonders bei der Bearbeitung von Großformen von großer Bedeutung.
1.6.Schwierigkeiten bei der Elektrodenherstellung.
Die Bearbeitungsleistung von Graphitmaterial ist gut. Der Schnittwiderstand beträgt nur ein Viertel des von Kupfer. Unter den richtigen Verarbeitungsbedingungen ist die Effizienz beim Fräsen von Graphitelektroden zwei- bis dreimal so hoch wie bei Kupferelektroden.
Graphitelektroden lassen sich leicht abwinkeln und können zur Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden, die mit mehreren Elektroden mit einer einzigen Elektrode fertiggestellt werden sollen.
Die einzigartige Partikelstruktur des Graphitmaterials verhindert die Entstehung von Graten nach dem Fräsen und Formen der Elektrode, wodurch die Nutzungsanforderungen direkt erfüllt werden können, wenn sich die Grate bei der komplexen Modellierung nicht leicht entfernen lassen. Dadurch entfällt der Prozess des manuellen Polierens der Elektrode und die durch das Polieren verursachten Formänderungen und Größenfehler werden vermieden.
Es ist zu beachten, dass beim Fräsen von Graphit viel Staub entsteht, da Graphit staubanfällig ist. Daher muss die Fräsmaschine über eine Dichtung und eine Staubsammelvorrichtung verfügen.
Wenn zur Bearbeitung von Graphitelektroden EDM verwendet werden muss, ist die Bearbeitungsleistung nicht so gut wie bei Kupfermaterial, die Schnittgeschwindigkeit ist etwa 40 % langsamer als bei Kupfer.
1.7.Installation und Verwendung der Elektrode.
Graphitmaterial verfügt über gute Bindungseigenschaften. Durch Fräsen und Entladen der Elektrode kann Graphit mit der Vorrichtung verbunden werden. Dies spart das Einbringen eines Schraubenlochs in das Elektrodenmaterial und spart Arbeitszeit.
Das Graphitmaterial ist relativ spröde, insbesondere die kleine, schmale und lange Elektrode, die bei äußerer Krafteinwirkung während des Gebrauchs leicht bricht. Eine Beschädigung der Elektrode ist jedoch sofort erkennbar.
Handelt es sich um eine Kupferelektrode, wird diese nur gebogen, aber nicht gebrochen. Dies ist sehr gefährlich und im Gebrauchsvorgang schwer zu erkennen und führt leicht zum Ausschuss des Werkstücks.
1.8.Preis.
Kupfermaterial ist eine nicht erneuerbare Ressource, der Preistrend wird immer teurer, während der Preis für Graphitmaterial tendenziell stabil bleibt.
In den letzten Jahren sind die Preise für Kupfermaterialien gestiegen. Die großen Graphithersteller haben ihre Verfahren zur Graphitherstellung verbessert und sich so einen Wettbewerbsvorteil verschafft. Bei gleichem Volumen ist der Preis für Graphitelektrodenmaterialien mittlerweile ziemlich hoch und der für Kupferelektrodenmaterialien. Allerdings kann Graphit effizienter verarbeitet werden. Im Vergleich zur Verwendung von Kupferelektroden werden viele Arbeitsstunden gespart, was einer direkten Senkung der Produktionskosten entspricht.
Zusammenfassend sind die Vorteile der Graphitelektrode unter den 8 edM-Eigenschaften offensichtlich: Die Effizienz der Fräselektrode und der Entladungsverarbeitung ist wesentlich besser als die der Kupferelektrode; große Elektroden haben ein geringes Gewicht und eine gute Dimensionsstabilität, dünne Elektroden verformen sich nicht so leicht und die Oberflächenstruktur ist besser als die der Kupferelektrode.
Der Nachteil von Graphitmaterial besteht darin, dass es sich nicht für die Feinoberflächenentladungsverarbeitung unter VDI12 (Ra0,4 m) eignet und die Effizienz der Verwendung von EDM zur Herstellung von Elektroden gering ist.
Aus praktischer Sicht ist jedoch einer der wichtigsten Gründe für die effektive Förderung von Graphitmaterialien in China, dass zum Fräsen von Elektroden spezielle Graphitverarbeitungsmaschinen benötigt werden, was neue Anforderungen an die Verarbeitungsausrüstung von Formenbauunternehmen mit sich bringt. Manche kleinen Unternehmen erfüllen diese Voraussetzungen möglicherweise nicht.
Generell decken die Vorteile von Graphitelektroden die meisten Anwendungen der Funkenerosion ab und sind aufgrund ihrer langfristigen Vorteile eine Verbreitung und Anwendung wert. Die Nachteile bei der Feinbearbeitung von Oberflächen können durch den Einsatz von Kupferelektroden ausgeglichen werden.
2.Auswahl von Graphitelektrodenmaterialien für EDM
Bei Graphitmaterialien gibt es hauptsächlich die folgenden vier Indikatoren, die die Leistung der Materialien direkt bestimmen:
1) Durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Materials
Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Materials wirkt sich direkt auf den Entladezustand des Materials aus.
Je kleiner die durchschnittliche Partikelgröße des Graphitmaterials ist, desto gleichmäßiger ist die Entladung, desto stabiler sind die Entladungsbedingungen, desto besser ist die Oberflächenqualität und desto geringer sind die Verluste.
Je größer die durchschnittliche Partikelgröße ist, desto besser kann die Abtragsrate bei der Grobbearbeitung erzielt werden, jedoch ist die Oberflächenwirkung der Endbearbeitung gering und der Elektrodenverlust groß.
2) Die Biegefestigkeit des Materials
Die Biegefestigkeit eines Materials ist ein direktes Spiegelbild seiner Festigkeit und gibt Aufschluss über die Dichtheit seiner inneren Struktur.
Das Material mit hoher Festigkeit weist eine relativ gute Entladungsbeständigkeit auf. Für die Elektrode mit hoher Präzision sollte möglichst das Material mit guter Festigkeit ausgewählt werden.
3) Shore-Härte des Materials
Graphit ist härter als metallische Werkstoffe und der Verlust des Schneidwerkzeugs ist größer als der des Schneidmetalls.
Gleichzeitig trägt die hohe Härte des Graphitmaterials zur besseren Kontrolle der Entladungsverluste bei.
4) Der inhärente Widerstand des Materials
Die Entladerate von Graphitmaterial mit hohem Eigenwiderstand ist langsamer als die von Graphitmaterial mit niedrigem Eigenwiderstand.
Je höher der Eigenwiderstand, desto geringer ist der Elektrodenverlust, aber je höher der Eigenwiderstand, desto stärker wird die Stabilität der Entladung beeinträchtigt.
Derzeit sind bei den weltweit führenden Graphitlieferanten viele verschiedene Graphitqualitäten erhältlich.
Im Allgemeinen werden Graphitmaterialien nach dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser klassifiziert. Partikel mit einem Durchmesser von ≤ 4 µm werden als Feingraphit definiert, Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 10 µm als Mittelgraphit und Partikel über 10 µm als Grobgraphit.
Je kleiner der Partikeldurchmesser ist, desto teurer ist das Material. Je nach Anforderungen und Kosten des EDM kann ein geeigneteres Graphitmaterial ausgewählt werden.
3.Herstellung der Graphitelektrode
Die Herstellung der Graphitelektrode erfolgt überwiegend durch Fräsen.
Aus verarbeitungstechnischer Sicht sind Graphit und Kupfer zwei unterschiedliche Werkstoffe, deren unterschiedliche Schneideigenschaften es zu beherrschen gilt.
Wenn die Graphitelektrode mit dem Verfahren einer Kupferelektrode verarbeitet wird, treten zwangsläufig Probleme auf, wie beispielsweise ein häufiger Bruch des Blechs, was die Verwendung entsprechender Schneidwerkzeuge und Schneidparameter erfordert.
Die Bearbeitung von Graphitelektroden weist einen höheren Verschleiß auf als Kupferelektroden. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Wahl eines Hartmetallwerkzeugs am wirtschaftlichsten. Ein diamantbeschichtetes Werkzeug (auch Graphitmesser genannt) ist zwar teurer, hat aber eine lange Lebensdauer und hohe Bearbeitungspräzision, was insgesamt einen guten wirtschaftlichen Nutzen mit sich bringt.
Die Größe des vorderen Winkels des Werkzeugs beeinflusst auch seine Lebensdauer. Ein vorderer Winkel von 0° hat eine bis zu 50 % höhere Lebensdauer als ein vorderer Winkel von 15°. Auch die Schnittstabilität ist besser. Je größer der Winkel, desto besser ist jedoch die Bearbeitungsoberfläche. Durch die Verwendung eines Werkzeugwinkels von 15° lässt sich die beste Bearbeitungsoberfläche erzielen.
Die Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung kann entsprechend der Elektrodenform angepasst werden und beträgt normalerweise 10 m/min, ähnlich wie bei der Bearbeitung von Aluminium oder Kunststoff. Bei der Grobbearbeitung kann das Schneidwerkzeug direkt auf das Werkstück aufgesetzt und wieder abgenommen werden. Bei der Schlichtbearbeitung kann es leicht zu Winkelversagen und Fragmentierung kommen. Oft wird die Methode des schnellen Messerlaufens mit leichtem Vorschub gewählt.
Beim Schneiden von Graphitelektroden entsteht viel Staub. Um zu verhindern, dass Graphitpartikel in die Spindel und Schraube der Maschine eingeatmet werden, gibt es derzeit zwei Hauptlösungen: eine ist die Verwendung einer speziellen Graphitverarbeitungsmaschine, die andere ist die Umrüstung eines gewöhnlichen Verarbeitungszentrums, das mit einer speziellen Staubsammelvorrichtung ausgestattet ist.
Die spezielle Graphit-Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine auf dem Markt verfügt über eine hohe Fräsleistung und kann die Herstellung komplexer Elektroden mit hoher Präzision und guter Oberflächenqualität problemlos abschließen.
Wenn zur Herstellung einer Graphitelektrode EDM erforderlich ist, wird empfohlen, ein feines Graphitmaterial mit einem kleineren Partikeldurchmesser zu verwenden.
Die Bearbeitungsleistung von Graphit ist schlecht. Je kleiner der Partikeldurchmesser ist, desto höher ist die Schneidleistung und desto ungewöhnlichere Probleme wie häufiges Brechen des Drahts und Ausfransen der Oberfläche können vermieden werden.
4.EDM-Parameter der Graphitelektrode
Die Auswahl der EDM-Parameter von Graphit und Kupfer ist sehr unterschiedlich.
Zu den Parametern der elektroerosiven Energiegewinnung (EDM) zählen vor allem Strom, Impulsbreite, Impulsabstand und Polarität.
Im Folgenden werden die Grundlagen für die sinnvolle Nutzung dieser Hauptparameter beschrieben.
Die Stromdichte von Graphitelektroden beträgt im Allgemeinen 10–12 A/cm² und ist damit deutlich höher als die von Kupferelektroden. Daher gilt innerhalb des zulässigen Strombereichs: Je höher der Strom gewählt wird, desto schneller ist die Graphitentladungsgeschwindigkeit und desto geringer ist der Elektrodenverlust, aber auch die Oberflächenrauigkeit.
Je größer die Impulsbreite ist, desto geringer ist der Elektrodenverlust.
Eine größere Impulsbreite verschlechtert jedoch die Verarbeitungsstabilität, verlangsamt die Verarbeitungsgeschwindigkeit und führt zu einer raueren Oberfläche.
Um einen geringen Elektrodenverlust bei der Grobbearbeitung zu gewährleisten, wird üblicherweise eine relativ große Impulsbreite verwendet, die bei einem Wert zwischen 100 und 300 US eine verlustarme Bearbeitung der Graphitelektrode effektiv realisieren kann.
Um eine feine Oberfläche und einen stabilen Entladungseffekt zu erzielen, sollte eine kleinere Impulsbreite gewählt werden.
Im Allgemeinen ist die Impulsbreite der Graphitelektrode etwa 40 % geringer als die der Kupferelektrode
Der Impulsabstand beeinflusst hauptsächlich die Entladungsbearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsstabilität. Je höher der Wert, desto besser ist die Bearbeitungsstabilität, was zu einer gleichmäßigeren Oberflächenbeschaffenheit beiträgt. Allerdings verringert sich dadurch auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Unter der Voraussetzung, dass die Verarbeitungsstabilität gewährleistet ist, kann durch die Wahl eines kleineren Impulsabstands eine höhere Verarbeitungseffizienz erreicht werden. Wenn der Entladungszustand jedoch instabil ist, kann durch die Wahl eines größeren Impulsabstands eine höhere Verarbeitungseffizienz erreicht werden.
Bei der Entladungsbearbeitung mit Graphitelektroden werden Impulsabstand und Impulsbreite normalerweise auf 1:1 eingestellt, während bei der Bearbeitung mit Kupferelektroden Impulsabstand und Impulsbreite normalerweise auf 1:3 eingestellt werden.
Bei stabiler Graphitverarbeitung kann das Anpassungsverhältnis zwischen Impulsabstand und Impulsbreite auf 2:3 eingestellt werden.
Bei geringem Impulsabstand ist es vorteilhaft, eine Deckschicht auf der Elektrodenoberfläche zu bilden, die zur Reduzierung des Elektrodenverlusts beiträgt.
Die Polaritätsauswahl der Graphitelektrode beim EDM ist grundsätzlich die gleiche wie bei der Kupferelektrode.
Aufgrund des Polaritätseffekts der Funkenerosion wird bei der Bearbeitung von Matrizenstahl üblicherweise eine Bearbeitung mit positiver Polarität verwendet, d. h. die Elektrode wird mit dem Pluspol der Stromversorgung und das Werkstück mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden.
Durch die Wahl einer positiven Polarität bei hoher Stromstärke und Impulsbreite kann ein extrem geringer Elektrodenverlust erzielt werden. Bei falscher Polarität ist der Elektrodenverlust sehr groß.
Nur wenn eine Oberflächenfeinbearbeitung unter VDI18 (Ra0,8 m) erforderlich ist und die Impulsbreite sehr gering ist, wird die Bearbeitung mit negativer Polarität verwendet, um eine bessere Oberflächenqualität zu erzielen, der Elektrodenverlust ist jedoch groß.
Jetzt sind CNC-EDM-Werkzeugmaschinen mit Parametern für die Graphitentladungsbearbeitung ausgestattet.
Die Verwendung elektrischer Parameter ist intelligent und kann automatisch vom Expertensystem der Werkzeugmaschine generiert werden.
Im Allgemeinen kann die Maschine die optimierten Verarbeitungsparameter konfigurieren, indem sie während der Programmierung das Materialpaar, den Anwendungstyp, den Oberflächenrauheitswert auswählt und den Verarbeitungsbereich, die Verarbeitungstiefe, die Skalierung der Elektrodengröße usw. eingibt.
Für die Graphitelektrode der EDM-Werkzeugmaschine sind umfangreiche Verarbeitungsparameter in der Bibliothek eingestellt. Der Materialtyp kann zwischen grobem Graphit und Graphit gewählt werden. Graphit entspricht verschiedenen Werkstückmaterialien und kann in den Anwendungstyp Standard, tiefe Rillen, scharfe Spitzen, große Flächen, große Hohlräume usw. unterteilt werden. Außerdem werden viele Verarbeitungsprioritäten wie geringer Verlust, Standard, hohe Effizienz usw. ausgewählt.
5. Schlussfolgerung
Das neue Graphitelektrodenmaterial sollte intensiv bekannt gemacht werden, und seine Vorteile werden von der heimischen Formenbauindustrie nach und nach erkannt und akzeptiert.
Die richtige Auswahl von Graphitelektrodenmaterialien und die Verbesserung der damit verbundenen technologischen Verbindungen werden Formenbauunternehmen hohe Effizienz, hohe Qualität und niedrige Kosten bringen.
Veröffentlichungszeit: 04.12.2020