1. EDM-Eigenschaften von Graphitwerkstoffen.
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. Daher kann die Graphitelektrode höheren Stromstärken standhalten.
Bei größeren Entladungsflächen und Elektrodenabmessungen treten die Vorteile der hocheffizienten Grobbearbeitung von Graphitmaterialien deutlicher hervor.
Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit beträgt nur ein Drittel derjenigen von Kupfer, und die beim Entladungsprozess entstehende Wärme kann zur effektiveren Abtragung von Metallmaterialien genutzt werden. Daher ist die Bearbeitungseffizienz von Graphitelektroden bei der mittleren und feinen Bearbeitung höher als die von Kupferelektroden.
Nach den bisherigen Erfahrungen ist die Entladegeschwindigkeit einer Graphitelektrode unter korrekten Anwendungsbedingungen 1,5- bis 2-mal schneller als die einer Kupferelektrode.
1.2.Elektrodenverbrauch.
Graphitelektroden besitzen die Eigenschaft, hohen Stromstärken standzuhalten. Darüber hinaus kommt es bei geeigneten Schruppbearbeitungseinstellungen, wie z. B. der Materialabtrag bei der Bearbeitung von Kohlenstoffstahlwerkstücken, zur Zersetzung von Kohlenstoffpartikeln durch das Arbeitsmedium bei hohen Temperaturen und dem Polaritätseffekt, bei dem Kohlenstoffpartikel teilweise abgetragen werden. Diese Kohlenstoffpartikel haften an der Elektrodenoberfläche und bilden eine Schutzschicht, wodurch der Verlust der Graphitelektrode bei der Schruppbearbeitung gering oder sogar „abfallfrei“ ist.
Der Hauptelektrodenverlust beim EDM-Verfahren entsteht durch die Schruppbearbeitung. Obwohl die Verlustrate unter den Einstellbedingungen für die Schlichtbearbeitung hoch ist, ist der Gesamtverlust aufgrund des geringen Bearbeitungszuschlags für die Teile dennoch niedrig.
Im Allgemeinen ist der Elektrodenverlust bei der Schruppbearbeitung mit hohem Strom geringer als bei der Kupferelektrode und bei der Schlichtbearbeitung etwas höher. Der Elektrodenverlust beider Elektrodenarten ist vergleichbar.
1.3. Die Oberflächenqualität.
Der Partikeldurchmesser des Graphitmaterials beeinflusst direkt die Oberflächenrauheit beim EDM-Verfahren. Je kleiner der Durchmesser ist, desto geringer ist die erzielbare Oberflächenrauheit.
Vor einigen Jahren konnte mit Graphitpartikeln mit einem Durchmesser von 5 Mikrometern als beste Oberfläche lediglich ein VDI18-EDM-Wert (Ra 0,8 Mikrometer) erreicht werden. Heutzutage ist es möglich, den Korndurchmesser von Graphitmaterialien auf unter 3 Mikrometer zu reduzieren, wodurch die beste Oberfläche einen stabilen VDI12-EDM-Wert (Ra 0,4 µm) oder sogar ein höheres Niveau erreicht, wobei die Graphitelektrode die EDM-Eigenschaften widerspiegelt.
Das Kupfermaterial zeichnet sich durch einen niedrigen spezifischen Widerstand und eine kompakte Struktur aus und lässt sich auch unter schwierigen Bedingungen stabil verarbeiten. Die Oberflächenrauheit liegt unter Ra 0,1 µm, und es ist spiegelpolierbar.
Wenn beim Entladungsbearbeiten eine extrem feine Oberfläche angestrebt wird, ist die Verwendung von Kupfer als Elektrode besser geeignet; dies ist der Hauptvorteil der Kupferelektrode gegenüber der Graphitelektrode.
Bei Kupferelektroden neigt die Oberfläche unter Bedingungen hoher Stromstärke dazu, rau zu werden und sogar Risse zu bilden. Graphitmaterialien weisen dieses Problem nicht auf. Die Oberflächenrauheitsanforderung VDI26 (Ra 2,0 Mikrometer) für die Formbearbeitung kann durch die Verwendung einer Graphitelektrode von grob bis fein durchgeführt werden, wodurch ein gleichmäßiger Oberflächeneffekt ohne Oberflächenfehler erzielt wird.
Aufgrund der unterschiedlichen Struktur von Graphit und Kupfer ist die Oberflächenkorrosion bei Graphitelektroden regelmäßiger als bei Kupferelektroden. Daher ist bei Werkstücken mit einer Oberflächenrauheit von VDI20 oder höher die Oberflächenkörnung bei der Bearbeitung mit Graphitelektroden deutlich ausgeprägter, und dieser Kornoberflächeneffekt ist dem Oberflächeneffekt bei Kupferelektroden überlegen.
1.4. Die Bearbeitungsgenauigkeit.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Graphit ist gering, der von Kupfer ist viermal so hoch wie der von Graphit. Daher ist die Graphitelektrode bei der Entladungsbearbeitung weniger anfällig für Verformungen als die Kupferelektrode, wodurch eine stabilere und zuverlässigere Bearbeitungsgenauigkeit erzielt werden kann.
Insbesondere bei der Bearbeitung tiefer und schmaler Rippen führt die lokal hohe Temperatur dazu, dass sich die Kupferelektrode leicht verbiegt, die Graphitelektrode jedoch nicht.
Bei Kupferelektroden mit einem großen Tiefen-Durchmesser-Verhältnis muss ein bestimmter Wärmeausdehnungswert kompensiert werden, um die Größe während der Bearbeitungseinstellung zu korrigieren; bei Graphitelektroden ist dies nicht erforderlich.
1.5. Elektrodengewicht.
Graphit ist ein Material mit geringerer Dichte als Kupfer, und das Gewicht einer Graphitelektrode mit gleichem Volumen beträgt nur 1/5 des Gewichts einer Kupferelektrode.
Es zeigt sich, dass Graphitelektroden aufgrund ihres großen Volumens sehr gut geeignet sind, da sie die Spindelbelastung von EDM-Werkzeugmaschinen erheblich reduzieren. Die Elektrode verursacht aufgrund ihres hohen Gewichts keine Probleme beim Einspannen und führt während der Bearbeitung zu keiner Durchbiegung. Daher ist der Einsatz von Graphitelektroden bei der Bearbeitung großflächiger Formen von großer Bedeutung.
1.6. Schwierigkeiten bei der Elektrodenherstellung.
Graphit lässt sich gut bearbeiten. Der Schnittwiderstand beträgt nur ein Viertel desjenigen von Kupfer. Unter optimalen Bearbeitungsbedingungen ist die Effizienz beim Fräsen von Graphitelektroden 2- bis 3-mal höher als bei Kupferelektroden.
Graphitelektroden lassen sich leicht reinigen und eignen sich zur Bearbeitung von Werkstücken, die normalerweise mit mehreren Elektroden bearbeitet werden müssten, mit nur einer Elektrode.
Die einzigartige Partikelstruktur des Graphitmaterials verhindert die Entstehung von Graten nach dem Mahlen und Formen der Elektrode. Dadurch können die Anforderungen an die Anwendung direkt erfüllt werden, wenn sich die Grate bei komplexen Modellierungen nicht leicht entfernen lassen. So entfällt das manuelle Polieren der Elektrode und es werden Form- und Größenfehler vermieden, die durch das Polieren entstehen.
Es ist zu beachten, dass Graphit Staubansammlungen verursacht und daher beim Mahlen von Graphit viel Staub entsteht. Aus diesem Grund muss die Fräsmaschine über eine Dichtung und eine Staubabsaugung verfügen.
Wenn es notwendig ist, edM zur Bearbeitung von Graphitelektroden einzusetzen, ist die Bearbeitungsleistung nicht so gut wie bei Kupfermaterialien; die Schnittgeschwindigkeit ist etwa 40 % langsamer als bei Kupfer.
1.7.Elektrodeninstallation und -verwendung.
Graphit besitzt gute Hafteigenschaften. Durch Fräsen der Elektrode und anschließendes Entladen kann Graphit mit der Vorrichtung verbunden werden, wodurch das Bearbeiten von Schraubenlöchern im Elektrodenmaterial entfällt und Arbeitszeit gespart wird.
Das Graphitmaterial ist relativ spröde, insbesondere die kleine, schmale und lange Elektrode, die bei Einwirkung äußerer Kräfte während des Gebrauchs leicht bricht; man kann aber sofort erkennen, dass die Elektrode beschädigt ist.
Wenn es sich um eine Kupferelektrode handelt, wird sie sich nur verbiegen und nicht brechen, was sehr gefährlich und im Gebrauch schwer zu erkennen ist und leicht zu Ausschuss am Werkstück führen kann.
1.8.Preis.
Kupfer ist ein nicht erneuerbarer Rohstoff, daher wird der Preistrend immer höher werden, während sich der Preis für Graphit tendenziell stabilisiert.
Da die Kupferpreise in den letzten Jahren gestiegen sind, haben die großen Graphithersteller ihre Produktionsprozesse verbessert und sich dadurch Wettbewerbsvorteile verschafft. Bei gleichem Volumen sind die Preise für Graphit-Elektrodenmaterialien und Kupfer-Elektrodenmaterialien im Allgemeinen recht ähnlich, aber Graphit kann effizienter verarbeitet werden als Kupferelektroden, wodurch eine große Anzahl von Arbeitsstunden eingespart wird, was einer direkten Reduzierung der Produktionskosten entspricht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vorteile der Graphitelektrode hinsichtlich der acht edM-Eigenschaften klar auf der Hand liegen: Die Effizienz der Elektrodenmahlung und der Entladungsverarbeitung ist deutlich besser als bei der Kupferelektrode; große Elektroden weisen ein geringes Gewicht und eine gute Dimensionsstabilität auf, dünne Elektroden sind nicht leicht zu verformen und die Oberflächenstruktur ist besser als bei der Kupferelektrode.
Der Nachteil von Graphitmaterial besteht darin, dass es für die Feinbearbeitung von Oberflächenentladungen unter VDI12 (Ra0,4 m) nicht geeignet ist und die Effizienz der Elektrodenherstellung mittels edM gering ist.
Aus praktischer Sicht ist jedoch einer der wichtigsten Gründe, der die effektive Förderung von Graphitwerkstoffen in China beeinträchtigt, dass für das Mahlen von Elektroden spezielle Graphitverarbeitungsmaschinen benötigt werden, was neue Anforderungen an die Verarbeitungsausrüstung von Formenbauunternehmen stellt, die einige kleine Unternehmen möglicherweise nicht erfüllen können.
Im Allgemeinen decken die Vorteile von Graphitelektroden die überwiegende Mehrheit der Anwendungsfälle der Elektronenstrahlbearbeitung ab und rechtfertigen daher eine breitere Anwendung mit erheblichen langfristigen Vorteilen. Der Nachteil der Feinbearbeitung von Oberflächen kann durch den Einsatz von Kupferelektroden ausgeglichen werden.
2. Auswahl von Graphitelektrodenmaterialien für die Funkenerosion
Bei Graphitwerkstoffen gibt es im Wesentlichen die folgenden vier Indikatoren, die die Leistungsfähigkeit der Werkstoffe direkt bestimmen:
1) Mittlerer Partikeldurchmesser des Materials
Der mittlere Partikeldurchmesser des Materials beeinflusst direkt den Austragszustand des Materials.
Je kleiner die durchschnittliche Partikelgröße des Graphitmaterials ist, desto gleichmäßiger ist die Entladung, desto stabiler ist der Entladungszustand, desto besser ist die Oberflächenqualität und desto geringer sind die Verluste.
Je größer die durchschnittliche Partikelgröße ist, desto besser ist die Abtragsrate bei der Schruppbearbeitung, aber der Oberflächeneffekt der Endbearbeitung ist schlecht und der Elektrodenverlust ist groß.
2) Die Biegefestigkeit des Materials
Die Biegefestigkeit eines Materials spiegelt direkt seine Festigkeit wider und gibt Aufschluss über die Dichte seiner inneren Struktur.
Das Material mit hoher Festigkeit weist eine relativ gute Entladungsbeständigkeit auf. Für die Elektrode mit hoher Präzision sollte daher möglichst ein Material mit guter Festigkeit gewählt werden.
3) Shore-Härte des Materials
Graphit ist härter als Metalle, und der Verschleiß des Schneidwerkzeugs ist größer als der des zu schneidenden Metalls.
Gleichzeitig ist die hohe Härte des Graphitmaterials bei der Kontrolle von Entladungsverlusten von Vorteil.
4) Der spezifische Widerstand des Materials
Die Entladungsrate von Graphitmaterial mit hohem spezifischem Widerstand ist geringer als die von Graphitmaterial mit niedrigem spezifischem Widerstand.
Je höher der spezifische Widerstand, desto geringer der Elektrodenverlust, aber je höher der spezifische Widerstand, desto geringer die Stabilität der Entladung.
Derzeit sind viele verschiedene Graphitsorten von den weltweit führenden Graphitlieferanten erhältlich.
Im Allgemeinen werden Graphitmaterialien nach ihrem mittleren Partikeldurchmesser klassifiziert. Partikel mit einem Durchmesser von ≤ 4 µm werden als Feingraphit, Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 10 µm als Mittelgraphit und Partikel mit einem Durchmesser von 10 µm und mehr als Grobgraphit definiert.
Je kleiner der Partikeldurchmesser, desto teurer das Material; je besser das Graphitmaterial geeignet ist, desto eher kann es entsprechend den Anforderungen und Kosten der Funkenerosion ausgewählt werden.
3. Herstellung der Graphitelektrode
Die Graphitelektrode wird hauptsächlich durch Mahlen hergestellt.
Aus verarbeitungstechnischer Sicht sind Graphit und Kupfer zwei verschiedene Werkstoffe, deren unterschiedliche Schneideigenschaften beherrscht werden müssen.
Wird die Graphitelektrode nach dem gleichen Verfahren wie eine Kupferelektrode bearbeitet, treten unweigerlich Probleme auf, wie zum Beispiel häufiges Brechen des Blechs, weshalb geeignete Schneidwerkzeuge und Schnittparameter verwendet werden müssen.
Bei der Bearbeitung von Graphitelektroden ist der Werkzeugverschleiß höher als bei Kupferelektroden. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Wahl eines Hartmetallwerkzeugs am wirtschaftlichsten. Die Wahl eines diamantbeschichteten Werkzeugs (auch Graphitmesser genannt) ist zwar teurer, bietet aber eine lange Lebensdauer, eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und insgesamt einen guten wirtschaftlichen Nutzen.
Die Größe des Schneidwinkels des Werkzeugs beeinflusst auch seine Standzeit. Ein Werkzeug mit 0° Schneidwinkel hat eine bis zu 50 % längere Standzeit als eines mit 15° Schneidwinkel, die Schnittstabilität ist ebenfalls besser, aber je größer der Winkel, desto besser die bearbeitete Oberfläche. Mit einem Schneidwinkel von 15° lässt sich die beste bearbeitete Oberfläche erzielen.
Die Schnittgeschwindigkeit bei der Zerspanung kann je nach Elektrodenform angepasst werden, üblicherweise beträgt sie 10 m/min, ähnlich wie bei der Bearbeitung von Aluminium oder Kunststoff. Bei der Schruppbearbeitung kann das Schneidwerkzeug direkt auf das Werkstück aufgesetzt und wieder abgehoben werden. Bei der Feinbearbeitung hingegen kann es leicht zu Winkelkollaps und Fragmentierung kommen, weshalb häufig die Methode des schnellen Vorschubs mit leichtem Messer angewendet wird.
Beim Schneidprozess mit Graphitelektroden entsteht viel Staub. Um zu vermeiden, dass Graphitpartikel in die Maschinenspindel und -schraube gelangen, gibt es derzeit zwei Hauptlösungen: Zum einen die Verwendung einer speziellen Graphitbearbeitungsmaschine, zum anderen die Umrüstung eines herkömmlichen Bearbeitungszentrums mit einer speziellen Staubabsaugungseinrichtung.
Die auf dem Markt erhältliche spezielle Graphit-Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine zeichnet sich durch eine hohe Fräsleistung aus und kann problemlos die Herstellung komplexer Elektroden mit hoher Präzision und guter Oberflächenqualität durchführen.
Falls zur Herstellung einer Graphitelektrode eine Funkenerosion erforderlich ist, empfiehlt sich die Verwendung eines feinen Graphitmaterials mit kleinerem Partikeldurchmesser.
Graphit lässt sich schlecht bearbeiten; je kleiner der Partikeldurchmesser ist, desto höher ist die Schneidleistung, und es lassen sich anormale Probleme wie häufiges Drahtbrechen und Oberflächenausfransungen vermeiden.
4. EDM-Parameter der Graphitelektrode
Die Auswahl der EDM-Parameter für Graphit und Kupfer ist sehr unterschiedlich.
Zu den Parametern der Funkenerosion gehören hauptsächlich Stromstärke, Impulsbreite, Impulsabstand und Polarität.
Im Folgenden wird die Grundlage für den rationalen Einsatz dieser wichtigen Parameter beschrieben.
Die Stromdichte einer Graphitelektrode liegt im Allgemeinen bei 10–12 A/cm², deutlich höher als die einer Kupferelektrode. Daher gilt: Je höher der im jeweiligen Bereich zulässige Strom gewählt wird, desto schneller verläuft die Graphitentladung und desto geringer ist der Elektrodenverlust, allerdings erhöht sich dadurch auch die Oberflächenrauheit.
Je größer die Impulsbreite ist, desto geringer ist der Elektrodenverlust.
Eine größere Impulsbreite verschlechtert jedoch die Stabilität des Prozesses, verringert die Bearbeitungsgeschwindigkeit und führt zu einer raueren Oberfläche.
Um einen geringen Elektrodenverlust bei der Schruppbearbeitung zu gewährleisten, wird üblicherweise eine relativ große Impulsbreite verwendet, die eine verlustarme Bearbeitung der Graphitelektrode effektiv ermöglicht, wenn der Wert zwischen 100 und 300 US liegt.
Um eine feine Oberfläche und einen stabilen Entladungseffekt zu erzielen, sollte eine kleinere Impulsbreite gewählt werden.
Im Allgemeinen ist die Impulsbreite einer Graphitelektrode etwa 40 % geringer als die einer Kupferelektrode.
Der Impulsabstand beeinflusst hauptsächlich die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsstabilität beim Entladungsverfahren. Je größer der Wert, desto besser die Bearbeitungsstabilität, was zu einer besseren Oberflächenhomogenität beiträgt, jedoch die Bearbeitungsgeschwindigkeit verringert.
Unter der Voraussetzung, dass die Verarbeitungsstabilität gewährleistet ist, kann eine höhere Verarbeitungseffizienz durch die Wahl eines kleineren Impulsabstands erzielt werden; ist der Entladungszustand jedoch instabil, kann eine höhere Verarbeitungseffizienz durch die Wahl eines größeren Impulsabstands erzielt werden.
Bei der Graphit-Elektrodenentladung werden Impulsabstand und Impulsbreite üblicherweise auf 1:1 eingestellt, während bei der Kupfer-Elektrodenentladung der Impulsabstand und die Impulsbreite üblicherweise auf 1:3 eingestellt werden.
Bei stabiler Graphitverarbeitung kann das Anpassungsverhältnis zwischen Impulsabstand und Impulsbreite auf 2:3 eingestellt werden.
Bei kleinen Impulsabständen ist es von Vorteil, eine Deckschicht auf der Elektrodenoberfläche zu bilden, da dies dazu beiträgt, den Elektrodenverlust zu reduzieren.
Die Polaritätswahl bei Graphitelektroden in der Funkenerosion ist im Prinzip die gleiche wie bei Kupferelektroden.
Aufgrund des Polaritätseffekts beim EDM wird bei der Bearbeitung von Werkzeugstahl üblicherweise die Bearbeitung mit positiver Polarität angewendet, d. h. die Elektrode wird an den Pluspol der Stromversorgung angeschlossen und das Werkstück an den Minuspol der Stromversorgung.
Durch die Verwendung hoher Stromstärken und Impulsbreiten sowie die Wahl positiver Polarität bei der Bearbeitung lassen sich extrem geringe Elektrodenverluste erzielen. Bei falscher Polarität hingegen steigen die Elektrodenverluste erheblich an.
Nur wenn eine Oberflächenbearbeitung unterhalb von VDI18 (Ra0,8 m) erforderlich ist und die Impulsbreite sehr klein ist, wird die Bearbeitung mit negativer Polarität eingesetzt, um eine bessere Oberflächenqualität zu erzielen, allerdings sind die Elektrodenverluste groß.
CNC-EDM-Werkzeugmaschinen sind heute 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 Bearbeitungsparameter konfigurieren, indem sie das Materialpaar, die Anwendungsart, den Wert der Oberflächenrauheit auswählt und den Bearbeitungsbereich, die Bearbeitungstiefe, die Elektrodenabmessung usw. während der Programmierung eingibt.
Für die Graphitelektrode der EDM-Werkzeugmaschine stehen zahlreiche Bearbeitungsparameter zur Verfügung. Der Materialtyp kann in Grobgraphit, Graphit und Graphit für verschiedene Werkstückmaterialien ausgewählt werden. Die Anwendungsarten lassen sich in Standard, Tiefnut, Spitze, große Fläche, große Kavität usw. unterteilen. Zudem bietet die Elektrode Optionen wie geringe Verluste, Standard, hohe Effizienz usw. für viele verschiedene Bearbeitungsprioritäten.
5. Schlussfolgerung
Das neue Graphitelektrodenmaterial verdient eine intensive Popularisierung und seine Vorteile werden von der heimischen Formenbauindustrie nach und nach erkannt und akzeptiert werden.
Die richtige Auswahl von Graphitelektrodenmaterialien und die Verbesserung der damit verbundenen technologischen Prozesse werden Formenbauunternehmen hohe Effizienz, hohe Qualität und geringe Kostenvorteile bringen.
Veröffentlichungsdatum: 04.12.2020