1. Caratteristiche dell'elettroerosione dei materiali in grafite.
1.1. Velocità di lavorazione di scarico.
La grafite è un materiale non metallico con un punto di fusione molto elevato di 3.650 °C, mentre il rame ha un punto di fusione di 1.083 °C, quindi l'elettrodo di grafite può sopportare condizioni di corrente più elevate.
Quando l'area di scarica e la scala dimensionale dell'elettrodo sono maggiori, i vantaggi della lavorazione di sgrossatura ad alta efficienza del materiale grafitico risultano più evidenti.
La conduttività termica della grafite è pari a 1/3 di quella del rame, e il calore generato durante il processo di scarica può essere utilizzato per rimuovere i materiali metallici in modo più efficace. Pertanto, l'efficienza di lavorazione della grafite è superiore a quella dell'elettrodo di rame nelle lavorazioni di media e finezza.
Secondo l'esperienza di lavorazione, la velocità di scarica dell'elettrodo di grafite è da 1,5 a 2 volte superiore a quella dell'elettrodo di rame in condizioni di utilizzo corrette.
1.2. Consumo degli elettrodi.
L'elettrodo di grafite ha la caratteristica di poter resistere a condizioni di corrente elevata; inoltre, in presenza di un'impostazione di sgrossatura appropriata, inclusi i pezzi in acciaio al carbonio prodotti durante la lavorazione, la rimozione del contenuto e la decomposizione ad alta temperatura delle particelle di carbonio nel fluido di lavoro, l'effetto di polarità, sotto l'azione di una rimozione parziale del contenuto, le particelle di carbonio aderiranno alla superficie dell'elettrodo per formare uno strato protettivo, garantendo una minima perdita dell'elettrodo di grafite nella lavorazione di sgrossatura, o addirittura "zero sprechi".
La principale perdita di elettrodo nell'elettroerosione deriva dalla lavorazione di sgrossatura. Sebbene il tasso di perdita sia elevato nelle condizioni di finitura, la perdita complessiva è comunque bassa grazie al piccolo sovrametallo di lavorazione previsto per i pezzi.
In generale, la perdita dell'elettrodo di grafite è inferiore a quella dell'elettrodo di rame nella sgrossatura ad alta corrente e leggermente superiore a quella dell'elettrodo di rame nella finitura. La perdita dell'elettrodo di grafite è simile.
1.3. La qualità della superficie.
Il diametro delle particelle di grafite influisce direttamente sulla rugosità superficiale ottenuta con l'elettroerosione. Minore è il diametro, minore sarà la rugosità superficiale ottenibile.
Alcuni anni fa, utilizzando materiale di grafite con particelle di 5 micron di diametro, la migliore superficie poteva raggiungere solo VDI18 edm (Ra0,8 micron), oggigiorno il diametro dei grani dei materiali di grafite è stato in grado di raggiungere entro 3 micron di phi, la migliore superficie può raggiungere un livello stabile di VDI12 edm (Ra0,4 μm) o più sofisticato, ma l'elettrodo di grafite per specchiare edm.
Il rame, grazie alla sua bassa resistività e alla struttura compatta, può essere lavorato in modo stabile anche in condizioni difficili. La rugosità superficiale può essere inferiore a Ra0,1 μm e può essere lucidato a specchio.
Pertanto, se la lavorazione per elettroerosione mira a ottenere una superficie estremamente fine, è più opportuno utilizzare materiale in rame come elettrodo, che rappresenta il principale vantaggio dell'elettrodo in rame rispetto all'elettrodo in grafite.
Ma con un elettrodo di rame, in condizioni di elevata corrente, la superficie dell'elettrodo tende a diventare ruvida, con la comparsa anche di crepe, mentre i materiali in grafite non presentano questo problema. Il requisito di rugosità superficiale per VDI26 (Ra2.0 micron) riguarda la lavorazione dello stampo; utilizzando un elettrodo di grafite è possibile passare da una lavorazione grossolana a una fine, ottenendo un effetto superficiale uniforme e riducendo i difetti superficiali.
Inoltre, a causa della diversa struttura della grafite e del rame, il punto di corrosione da scarica superficiale dell'elettrodo di grafite è più regolare di quello dell'elettrodo di rame. Pertanto, quando si lavora con una rugosità superficiale pari o superiore a VDI20, la granularità superficiale del pezzo lavorato con l'elettrodo di grafite è più definita e questo effetto di superficie granulare è migliore dell'effetto di scarica superficiale dell'elettrodo di rame.
1.4. La precisione della lavorazione.
Il coefficiente di dilatazione termica della grafite è basso, mentre quello del rame è quattro volte superiore; pertanto, durante il processo di scarica, l'elettrodo di grafite è meno soggetto a deformazioni rispetto all'elettrodo di rame, il che consente di ottenere una precisione di lavorazione più stabile e affidabile.
In particolare, quando si lavora con nervature profonde e strette, l'alta temperatura locale fa sì che l'elettrodo di rame si pieghi facilmente, cosa che non accade con l'elettrodo di grafite.
Per gli elettrodi in rame con un elevato rapporto profondità-diametro, è necessario compensare un certo valore di dilatazione termica per correggere le dimensioni durante la lavorazione, mentre per gli elettrodi in grafite ciò non è necessario.
1.5. Peso dell'elettrodo.
La grafite è un materiale meno denso del rame e il peso dell'elettrodo di grafite, a parità di volume, è solo 1/5 di quello dell'elettrodo di rame.
Si può notare che l'utilizzo della grafite è molto adatto per elettrodi di grande volume, il che riduce notevolmente il carico sul mandrino della macchina utensile EDM. L'elettrodo non causerà inconvenienti nel serraggio a causa del suo peso elevato e produrrà spostamenti di deflessione durante la lavorazione, ecc. Si può quindi constatare che l'utilizzo di elettrodi in grafite riveste grande importanza nella lavorazione di stampi di grandi dimensioni.
1.6. Difficoltà nella fabbricazione degli elettrodi.
Le prestazioni di lavorazione del materiale in grafite sono buone. La resistenza al taglio è solo 1/4 di quella del rame. Nelle corrette condizioni di lavorazione, l'efficienza di fresatura dell'elettrodo in grafite è 2-3 volte superiore a quella dell'elettrodo in rame.
L'elettrodo di grafite è facile da pulire e permette di lavorare pezzi che normalmente richiederebbero l'utilizzo di più elettrodi, riducendoli a un singolo elettrodo.
L'esclusiva struttura particellare del materiale grafitico impedisce la formazione di bave dopo la fresatura e la formatura dell'elettrodo, soddisfacendo così direttamente i requisiti di utilizzo quando le bave non sono facilmente rimovibili nella modellazione complessa, eliminando in tal modo il processo di lucidatura manuale dell'elettrodo ed evitando le modifiche di forma e gli errori dimensionali causati dalla lucidatura.
Va notato che, poiché la grafite tende ad accumulare polvere, la sua macinazione produrrà una grande quantità di polvere; pertanto, la fresatrice deve essere dotata di un sistema di tenuta e di un dispositivo di aspirazione della polvere.
Se è necessario utilizzare l'elettrodo di grafite tramite elettroerosione (edM), le sue prestazioni di lavorazione non sono buone come quelle del rame, e la velocità di taglio è inferiore di circa il 40%.
1.7. Installazione e utilizzo degli elettrodi.
Il materiale in grafite possiede buone proprietà adesive. Può essere utilizzato per fissare la grafite al dispositivo di fissaggio mediante fresatura dell'elettrodo e successiva scarica, evitando così la necessità di fresare il foro della vite sul materiale dell'elettrodo e riducendo i tempi di lavorazione.
Il materiale in grafite è relativamente fragile, soprattutto gli elettrodi piccoli, stretti e lunghi, che si rompono facilmente se sottoposti a forze esterne durante l'uso, ma è possibile accorgersi immediatamente del danneggiamento dell'elettrodo.
Se si tratta di un elettrodo di rame, si piegherà soltanto anziché rompersi, il che è molto pericoloso e difficile da individuare durante l'utilizzo, e porterà facilmente allo scarto del pezzo in lavorazione.
1.8.Prezzo.
Il rame è una risorsa non rinnovabile, quindi il suo prezzo tenderà ad aumentare sempre di più, mentre quello della grafite tenderà a stabilizzarsi.
Con l'aumento del prezzo del rame negli ultimi anni, i principali produttori di grafite hanno migliorato il processo di produzione per ottenere un vantaggio competitivo. Ora, a parità di volume, il prezzo degli elettrodi in grafite e quelli in rame sono sostanzialmente simili, ma la grafite consente una lavorazione più efficiente, permettendo di risparmiare un numero maggiore di ore di lavoro rispetto all'utilizzo di elettrodi in rame, con una conseguente riduzione diretta dei costi di produzione.
In sintesi, tra le 8 caratteristiche dell'elettrodo di grafite, i suoi vantaggi sono evidenti: l'efficienza dell'elettrodo di fresatura e del processo di scarica è significativamente migliore di quella dell'elettrodo di rame; l'elettrodo di grandi dimensioni ha un peso ridotto, una buona stabilità dimensionale, l'elettrodo sottile non si deforma facilmente e la struttura superficiale è migliore di quella dell'elettrodo di rame.
Lo svantaggio del materiale grafitico è che non è adatto alla lavorazione di scarica superficiale fine secondo VDI12 (Ra0,4 m) e l'efficienza dell'utilizzo di edM per realizzare l'elettrodo è bassa.
Tuttavia, da un punto di vista pratico, uno dei motivi principali che ostacolano l'efficace promozione dei materiali in grafite in Cina è la necessità di macchine speciali per la lavorazione della grafite per la fresatura degli elettrodi, il che impone nuovi requisiti alle attrezzature di lavorazione delle aziende produttrici di stampi, e alcune piccole imprese potrebbero non essere in grado di soddisfare tali requisiti.
In generale, i vantaggi degli elettrodi di grafite coprono la stragrande maggioranza delle applicazioni di elettroerosione e meritano di essere diffusi e applicati, con notevoli benefici a lungo termine. La carenza di una finitura superficiale precisa può essere compensata dall'utilizzo di elettrodi di rame.
2. Selezione dei materiali degli elettrodi di grafite per l'elettroerosione
Per i materiali in grafite, i principali indicatori che determinano direttamente le prestazioni dei materiali sono i seguenti quattro:
1) Diametro medio delle particelle del materiale
Il diametro medio delle particelle del materiale influisce direttamente sulle condizioni di scarico del materiale stesso.
Quanto più piccola è la dimensione media delle particelle di grafite, tanto più uniforme è la scarica, tanto più stabili sono le condizioni di scarica, tanto migliore è la qualità della superficie e minori sono le perdite.
Maggiore è la dimensione media delle particelle, migliore è il tasso di rimozione che si può ottenere nella lavorazione di sgrossatura, ma l'effetto superficiale della finitura è scarso e la perdita dell'elettrodo è elevata.
2) La resistenza alla flessione del materiale
La resistenza alla flessione di un materiale è un riflesso diretto della sua resistenza, indicando la compattezza della sua struttura interna.
Il materiale ad alta resistenza presenta una resistenza alla scarica relativamente buona. Per gli elettrodi ad alta precisione, è preferibile scegliere, per quanto possibile, un materiale con buona resistenza.
3) Durezza Shore del materiale
La grafite è più dura dei materiali metallici e la perdita di materiale dell'utensile da taglio è maggiore rispetto a quella del metallo tagliato.
Allo stesso tempo, l'elevata durezza del materiale grafitico è migliore nel controllo delle perdite di scarica.
4) La resistività intrinseca del materiale
La velocità di scarica del materiale grafitico con elevata resistività intrinseca sarà più lenta rispetto a quella con bassa resistività.
Maggiore è la resistività intrinseca, minori saranno le perdite dell'elettrodo, ma maggiore è la resistività intrinseca, maggiore sarà la compromissione della stabilità della scarica.
Attualmente, sono disponibili diverse qualità di grafite offerte dai principali fornitori mondiali.
Generalmente, in base al diametro medio delle particelle di grafite da classificare, si definisce grafite fine quella con diametro ≤ 4 μm, grafite media quella con diametro compreso tra 5 e 10 μm e grafite grossolana quella con diametro superiore a 10 μm.
Quanto più piccolo è il diametro delle particelle, tanto più costoso è il materiale, tanto più adatto può essere il materiale di grafite selezionato in base ai requisiti e al costo dell'elettroerosione.
3. Fabbricazione dell'elettrodo di grafite
L'elettrodo di grafite viene prodotto principalmente mediante macinazione.
Dal punto di vista della tecnologia di lavorazione, la grafite e il rame sono due materiali diversi, e le loro differenti caratteristiche di taglio devono essere padroneggiate.
Se l'elettrodo di grafite viene lavorato con lo stesso processo utilizzato per gli elettrodi di rame, si verificheranno inevitabilmente problemi, come la frequente rottura della lamina, che richiede l'utilizzo di utensili e parametri di taglio appropriati.
Lavorazione con elettrodi di grafite: l'usura degli utensili è maggiore rispetto a quella degli utensili con elettrodi di rame. Da un punto di vista economico, la scelta di utensili in carburo è la più conveniente. Gli utensili con rivestimento diamantato (chiamati anche utensili con lama di grafite) hanno un prezzo più elevato, ma offrono una maggiore durata, un'elevata precisione di lavorazione e, di conseguenza, un buon rapporto costi-benefici.
Anche l'angolo frontale dell'utensile influisce sulla sua durata: un angolo frontale di 0° avrà una durata fino al 50% superiore rispetto a un angolo frontale di 15°, garantendo anche una migliore stabilità di taglio. Tuttavia, maggiore è l'angolo, migliore sarà la superficie lavorata; l'utilizzo di un angolo di 15° consente di ottenere la migliore superficie di lavorazione.
La velocità di taglio nella lavorazione può essere regolata in base alla forma dell'elettrodo, solitamente 10 m/min, simile alla lavorazione di alluminio o plastica, l'utensile di taglio può essere direttamente sul pezzo in lavorazione e rimosso nella lavorazione di sgrossatura, e il fenomeno di collasso dell'angolo e frammentazione si verifica facilmente nella lavorazione di finitura, e si adotta spesso il metodo di spostamento rapido della lama leggera.
Il processo di taglio con elettrodi di grafite produce una grande quantità di polvere. Per evitare che le particelle di grafite vengano aspirate dal mandrino e dalla vite della macchina, attualmente esistono due soluzioni principali: la prima consiste nell'utilizzare una macchina specifica per la lavorazione della grafite, la seconda nell'adattare un normale centro di lavoro, dotandolo di un apposito dispositivo di aspirazione della polvere.
La fresatrice ad alta velocità per grafite disponibile sul mercato offre un'elevata efficienza di fresatura e può completare facilmente la produzione di elettrodi complessi con elevata precisione e buona qualità superficiale.
Se è necessario utilizzare l'elettroerosione per realizzare un elettrodo di grafite, si consiglia di impiegare un materiale di grafite fine con un diametro delle particelle inferiore.
La lavorazione della grafite è di scarsa qualità; minore è il diametro delle particelle, maggiore è l'efficienza di taglio ottenibile, ed è possibile evitare problemi anomali come la frequente rottura del filo e la formazione di frange superficiali.
4. Parametri EDM dell'elettrodo di grafite
La selezione dei parametri di elettroerosione per la grafite e il rame è piuttosto diversa.
I parametri dell'elettroerosione includono principalmente la corrente, la larghezza dell'impulso, l'intervallo tra gli impulsi e la polarità.
Di seguito vengono descritte le basi per un utilizzo razionale di questi parametri principali.
La densità di corrente dell'elettrodo di grafite è generalmente di 10~12 A/cm², molto maggiore di quella dell'elettrodo di rame. Pertanto, nell'intervallo di corrente consentito nella zona corrispondente, maggiore è la corrente selezionata, maggiore sarà la velocità di processo di scarica della grafite, minori saranno le perdite dell'elettrodo, ma la rugosità superficiale sarà maggiore.
Maggiore è la larghezza dell'impulso, minore sarà la perdita dell'elettrodo.
Tuttavia, una maggiore larghezza dell'impulso peggiorerà la stabilità del processo, la velocità di elaborazione sarà più lenta e la superficie risulterà più ruvida.
Per garantire una bassa perdita di elettrodo durante la lavorazione di sgrossatura, si utilizza solitamente una larghezza di impulso relativamente ampia, che consente di realizzare efficacemente una lavorazione a bassa perdita dell'elettrodo di grafite quando il valore è compreso tra 100 e 300 US.
Per ottenere una superficie liscia e un effetto di scarica stabile, è necessario scegliere una larghezza di impulso più piccola.
In generale, la durata dell'impulso dell'elettrodo di grafite è inferiore di circa il 40% rispetto a quella dell'elettrodo di rame.
L'intervallo tra gli impulsi influisce principalmente sulla velocità di lavorazione a scarica e sulla stabilità della lavorazione. Maggiore è il valore, migliore sarà la stabilità della lavorazione, il che contribuisce a ottenere una migliore uniformità della superficie, ma la velocità di lavorazione risulterà ridotta.
A condizione che la stabilità del processo sia garantita, è possibile ottenere una maggiore efficienza scegliendo un intervallo tra gli impulsi più piccolo; tuttavia, quando lo stato di scarica è instabile, è possibile ottenere una maggiore efficienza scegliendo un intervallo tra gli impulsi più grande.
Nella lavorazione con elettrodo di grafite, l'intervallo tra gli impulsi e la durata degli impulsi sono generalmente impostati su un rapporto di 1:1, mentre nella lavorazione con elettrodo di rame, l'intervallo tra gli impulsi e la durata degli impulsi sono generalmente impostati su un rapporto di 1:3.
In condizioni di lavorazione stabile della grafite, il rapporto di corrispondenza tra intervallo tra impulsi e larghezza dell'impulso può essere regolato a 2:3.
Nel caso di piccoli intervalli tra gli impulsi, è vantaggioso formare uno strato di rivestimento sulla superficie dell'elettrodo, il che contribuisce a ridurre le perdite dell'elettrodo.
La selezione della polarità dell'elettrodo di grafite nell'elettroerosione è sostanzialmente la stessa di quella dell'elettrodo di rame.
In base all'effetto di polarità dell'elettroerosione, nella lavorazione dell'acciaio per stampi si utilizza solitamente la lavorazione a polarità positiva, ovvero l'elettrodo è collegato al polo positivo dell'alimentatore e il pezzo in lavorazione è collegato al polo negativo dell'alimentatore.
Utilizzando correnti e impulsi di grande ampiezza, selezionando la lavorazione a polarità positiva è possibile ottenere perdite dell'elettrodo estremamente basse. Se la polarità è errata, le perdite dell'elettrodo diventeranno molto elevate.
Solo quando è richiesta una lavorazione superficiale di precisione inferiore a VDI18 (Ra0,8 μm) e la larghezza dell'impulso è molto piccola, si utilizza la lavorazione a polarità negativa per ottenere una migliore qualità superficiale, ma le perdite dell'elettrodo sono elevate.
Oggi le macchine utensili CNC edM sono dotate di parametri per la lavorazione a scarica di grafite.
L'utilizzo dei parametri elettrici è intelligente e può essere generato automaticamente dal sistema esperto della macchina utensile.
In genere, durante la programmazione, la macchina può configurare i parametri di lavorazione ottimizzati selezionando la coppia di materiali, il tipo di applicazione, il valore di rugosità superficiale e inserendo l'area di lavorazione, la profondità di lavorazione, la scalatura delle dimensioni dell'elettrodo, ecc.
Impostato per elettrodo di grafite della libreria di macchine utensili EDM, ricchi parametri di lavorazione, il tipo di materiale può essere scelto tra grafite grossa, grafite, la grafite corrisponde a una varietà di materiali del pezzo, per suddividere il tipo di applicazione in standard, scanalatura profonda, punta affilata, ampia area, cavità grande, come fine, fornisce anche bassa perdita, standard, alta efficienza e così via molti tipi di scelta della priorità di lavorazione.
5. Conclusione
Il nuovo materiale per elettrodi in grafite merita di essere promosso con vigore e i suoi vantaggi saranno gradualmente riconosciuti e accettati dall'industria nazionale della produzione di stampi.
La corretta selezione dei materiali per gli elettrodi di grafite e il miglioramento dei relativi collegamenti tecnologici apporteranno alle imprese produttrici di stampi vantaggi in termini di elevata efficienza, alta qualità e bassi costi.
Data di pubblicazione: 4 dicembre 2020