1. Características de los materiales de grafito en el proceso de electroerosión.
1.1. Velocidad de mecanizado de descarga.
El grafito es un material no metálico con un punto de fusión muy alto de 3650 °C, mientras que el cobre tiene un punto de fusión de 1083 °C, por lo que el electrodo de grafito puede soportar condiciones de ajuste de corriente más elevadas.
Cuando la zona de descarga y la escala del tamaño del electrodo son mayores, las ventajas del mecanizado basto de alta eficiencia del material de grafito son más evidentes.
La conductividad térmica del grafito es un tercio de la del cobre, y el calor generado durante el proceso de descarga puede utilizarse para eliminar materiales metálicos con mayor eficacia. Por lo tanto, la eficiencia de procesamiento del grafito es superior a la del electrodo de cobre en procesos de mecanizado medio y fino.
Según la experiencia de procesamiento, la velocidad de descarga del electrodo de grafito es entre 1,5 y 2 veces más rápida que la del electrodo de cobre en las condiciones de uso correctas.
1.2.Consumo de electrodos.
El electrodo de grafito tiene la característica de poder soportar condiciones de alta corriente; además, bajo la condición de una configuración de desbaste apropiada, incluyendo piezas de trabajo de acero al carbono producidas durante la eliminación de contenido en el mecanizado y la descomposición de partículas de carbono a alta temperatura del fluido de trabajo, el efecto de polaridad, bajo la acción de eliminación parcial de contenido, las partículas de carbono se adhieren a la superficie del electrodo para formar una capa protectora, asegurando que el electrodo de grafito tenga una pérdida mínima en el mecanizado de desbaste, o incluso "cero desperdicio".
La principal pérdida de electrodo en el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) se produce durante el desbaste. Si bien la tasa de pérdida es alta en las condiciones de acabado, la pérdida total es baja debido al pequeño margen de mecanizado reservado para las piezas.
En general, la pérdida del electrodo de grafito es menor que la del electrodo de cobre en el mecanizado de desbaste con corriente elevada y ligeramente mayor que la del electrodo de cobre en el mecanizado de acabado. La pérdida del electrodo de grafito es similar.
1.3.La calidad de la superficie.
El diámetro de las partículas de grafito afecta directamente a la rugosidad superficial del mecanizado por electroerosión (EDM). Cuanto menor sea el diámetro, menor será la rugosidad superficial obtenida.
Hace unos años, utilizando material de grafito con partículas de phi de 5 micras de diámetro, la mejor superficie solo podía alcanzar VDI18 edm (Ra0,8 micras), hoy en día el diámetro de grano de los materiales de grafito se ha podido alcanzar dentro de 3 micras de phi, la mejor superficie puede alcanzar VDI12 edm estable (Ra0,4 μm) o un nivel más sofisticado, pero el electrodo de grafito es un espejo edm.
El cobre posee baja resistividad y una estructura compacta, y puede procesarse de forma estable incluso en condiciones difíciles. Su rugosidad superficial puede ser inferior a Ra0,1 μm, y puede pulirse hasta obtener un acabado de espejo.
Por lo tanto, si el mecanizado por descarga eléctrica busca obtener una superficie extremadamente fina, es más adecuado utilizar material de cobre como electrodo, lo cual es la principal ventaja del electrodo de cobre sobre el electrodo de grafito.
Pero en el caso de electrodos de cobre con ajustes de corriente elevados, la superficie del electrodo tiende a volverse rugosa e incluso a agrietarse, mientras que los materiales de grafito no presentan este problema. El requisito de rugosidad superficial para el procesamiento de moldes VDI26 (Ra2.0 micras) permite, mediante el uso de electrodos de grafito, un procesamiento que va de grueso a fino, logrando un efecto superficial uniforme y minimizando los defectos superficiales.
Además, debido a la diferente estructura del grafito y el cobre, el punto de corrosión por descarga superficial del electrodo de grafito es más regular que el del electrodo de cobre. Por lo tanto, al procesar la misma rugosidad superficial de VDI20 o superior, la granularidad superficial de la pieza procesada con el electrodo de grafito es más definida, y este efecto de granularidad superficial es mejor que el efecto de descarga superficial del electrodo de cobre.
1.4. La precisión del mecanizado.
El coeficiente de dilatación térmica del grafito es pequeño, mientras que el del cobre es cuatro veces mayor. Por lo tanto, en el proceso de descarga, el electrodo de grafito es menos propenso a la deformación que el de cobre, lo que permite obtener una precisión de procesamiento más estable y fiable.
Especialmente cuando se procesa una nervadura profunda y estrecha, la alta temperatura localizada hace que el electrodo de cobre se doble fácilmente, pero el electrodo de grafito no.
En el caso de electrodos de cobre con una gran relación profundidad-diámetro, se debe compensar un cierto valor de expansión térmica para corregir el tamaño durante el proceso de mecanizado, mientras que para los electrodos de grafito no es necesario.
1.5.Peso del electrodo.
El grafito es un material menos denso que el cobre, y el peso del electrodo de grafito del mismo volumen es solo 1/5 del peso del electrodo de cobre.
Se observa que el uso de grafito es muy adecuado para electrodos de gran volumen, lo que reduce considerablemente la carga del husillo de la máquina herramienta de electroerosión. El electrodo no presenta inconvenientes en la sujeción debido a su gran peso, ni produce desplazamientos de flexión durante el mecanizado, etc. Por lo tanto, el uso de electrodos de grafito resulta de gran importancia en el mecanizado de moldes a gran escala.
1.6. Dificultad en la fabricación de electrodos.
El grafito presenta un buen rendimiento en el mecanizado. Su resistencia al corte es solo una cuarta parte de la del cobre. En las condiciones de procesamiento adecuadas, la eficiencia del fresado con electrodo de grafito es de dos a tres veces mayor que la del electrodo de cobre.
El electrodo de grafito es fácil de trabajar en ángulo y se puede utilizar para procesar piezas que normalmente requerirían el uso de múltiples electrodos, utilizando un solo electrodo.
La estructura de partículas única del material de grafito evita la aparición de rebabas después del fresado y conformado del electrodo, lo que permite satisfacer directamente los requisitos de uso cuando las rebabas no se eliminan fácilmente en el modelado complejo, eliminando así el proceso de pulido manual del electrodo y evitando los cambios de forma y los errores de tamaño causados por el pulido.
Cabe señalar que, debido a que el grafito acumula polvo, su molienda producirá mucho polvo, por lo que la fresadora debe contar con un sello y un dispositivo de recolección de polvo.
Si es necesario utilizar electroerosión para procesar electrodos de grafito, su rendimiento de procesamiento no es tan bueno como el del cobre, y la velocidad de corte es aproximadamente un 40% más lenta que la del cobre.
1.7. Instalación y uso de los electrodos.
El material de grafito posee buenas propiedades de adhesión. Se puede utilizar para unir el grafito al accesorio mediante el fresado del electrodo y la posterior descarga, lo que permite ahorrar tiempo y evitar el mecanizado del orificio del tornillo en el material del electrodo.
El material de grafito es relativamente frágil, especialmente el electrodo pequeño, estrecho y largo, que se rompe fácilmente al ser sometido a una fuerza externa durante su uso, pero se puede saber inmediatamente si el electrodo ha sufrido daños.
Si se trata de un electrodo de cobre, solo se doblará y no se romperá, lo cual es muy peligroso y difícil de detectar durante su uso, y fácilmente provocará el descarte de la pieza de trabajo.
1.8.Precio.
El cobre es un recurso no renovable, por lo que su precio tenderá a encarecerse cada vez más, mientras que el precio del grafito tiende a estabilizarse.
Debido al aumento del precio del cobre en los últimos años, los principales fabricantes de grafito han mejorado sus procesos de producción para obtener una ventaja competitiva. Actualmente, para el mismo volumen, el precio del material de electrodo de grafito y el del material de electrodo de cobre son bastante similares, pero el grafito permite un procesamiento más eficiente, ahorrando una gran cantidad de horas de trabajo en comparación con el uso de electrodos de cobre, lo que equivale a una reducción directa del costo de producción.
En resumen, entre las 8 características del electrodo de grafito, sus ventajas son evidentes: la eficiencia del mecanizado y del procesamiento por descarga es significativamente mejor que la del electrodo de cobre; el electrodo grande tiene poco peso, buena estabilidad dimensional, el electrodo delgado no se deforma fácilmente y la textura de la superficie es mejor que la del electrodo de cobre.
La desventaja del material de grafito es que no es adecuado para el procesamiento de descarga de superficie fina bajo VDI12 (Ra0,4 m), y la eficiencia del uso de edM para hacer electrodos es baja.
Sin embargo, desde un punto de vista práctico, una de las razones importantes que afectan a la promoción efectiva de los materiales de grafito en China es que se necesita una máquina especial para el procesamiento de grafito para la fabricación de electrodos, lo que plantea nuevos requisitos para los equipos de procesamiento de las empresas de moldes, y algunas pequeñas empresas pueden no tener esta condición.
En general, las ventajas de los electrodos de grafito abarcan la gran mayoría de las aplicaciones de electroerosión y merecen ser popularizadas y utilizadas, con considerables beneficios a largo plazo. La deficiencia en el procesamiento de superficies finas puede compensarse con el uso de electrodos de cobre.
2. Selección de materiales de electrodos de grafito para EDM
En el caso de los materiales de grafito, existen principalmente los siguientes cuatro indicadores que determinan directamente el rendimiento de los materiales:
1) Diámetro promedio de las partículas del material
El diámetro medio de las partículas del material afecta directamente a las condiciones de descarga del mismo.
Cuanto menor sea el tamaño medio de las partículas de material de grafito, más uniforme será la descarga, más estables serán las condiciones de descarga, mejor será la calidad de la superficie y menores serán las pérdidas.
Cuanto mayor sea el tamaño medio de las partículas, mejor será la tasa de eliminación que se pueda obtener en el mecanizado basto, pero el efecto de acabado superficial será deficiente y la pérdida de electrodo será grande.
2) La resistencia a la flexión del material
La resistencia a la flexión de un material es un reflejo directo de su resistencia, e indica la compacidad de su estructura interna.
El material de alta resistencia presenta un rendimiento de resistencia a la descarga relativamente bueno. Para electrodos de alta precisión, se debe seleccionar, en la medida de lo posible, un material de buena resistencia.
3) Dureza Shore del material
El grafito es más duro que los materiales metálicos, y la pérdida de material de la herramienta de corte es mayor que la del metal que se está cortando.
Al mismo tiempo, la alta dureza del material de grafito ofrece un mejor control de las pérdidas por descarga.
4) La resistividad inherente del material
La tasa de descarga del material de grafito con alta resistividad intrínseca será más lenta que la de aquel con baja resistividad.
Cuanto mayor sea la resistividad inherente, menor será la pérdida del electrodo, pero cuanto mayor sea la resistividad inherente, más se verá afectada la estabilidad de la descarga.
Actualmente, existen muchos grados diferentes de grafito disponibles de los principales proveedores de grafito del mundo.
En general, según el diámetro medio de las partículas de los materiales de grafito que se van a clasificar, se define como grafito fino aquel con un diámetro ≤ 4 m, como grafito medio aquel con un diámetro de 5 a 10 m y como grafito grueso aquel con un diámetro superior a 10 m.
Cuanto menor sea el diámetro de la partícula, más caro será el material, por lo que se podrá seleccionar un material de grafito más adecuado según los requisitos y el coste del mecanizado por descarga eléctrica (EDM).
3. Fabricación del electrodo de grafito
El electrodo de grafito se fabrica principalmente mediante molienda.
Desde el punto de vista de la tecnología de procesamiento, el grafito y el cobre son dos materiales diferentes, y es necesario dominar sus diferentes características de corte.
Si el electrodo de grafito se procesa mediante el mismo proceso que el electrodo de cobre, inevitablemente surgirán problemas, como la fractura frecuente de la lámina, lo que requiere el uso de herramientas y parámetros de corte adecuados.
En el mecanizado, el electrodo de grafito se desgasta más que el electrodo de cobre. Desde un punto de vista económico, la elección de una herramienta de carburo es la más económica. Elegir una herramienta con recubrimiento de diamante (llamada cuchilla de grafito) tiene un precio más elevado, pero ofrece una larga vida útil, alta precisión de procesamiento y un buen beneficio económico general.
El tamaño del ángulo frontal de la herramienta también afecta su vida útil; un ángulo frontal de 0° tendrá una vida útil hasta un 50% mayor que un ángulo frontal de 15°, la estabilidad de corte también es mejor, pero cuanto mayor sea el ángulo, mejor será la superficie mecanizada, y el uso de una herramienta con un ángulo de 15° permite obtener la mejor superficie mecanizada.
La velocidad de corte en el mecanizado se puede ajustar según la forma del electrodo, generalmente 10 m/min, similar al mecanizado de aluminio o plástico, la herramienta de corte puede entrar y salir directamente de la pieza de trabajo en el mecanizado basto, y el fenómeno de colapso angular y fragmentación es fácil que ocurra en el mecanizado de acabado, y a menudo se adopta el método de desplazamiento rápido de la cuchilla ligera.
Durante el proceso de corte, el electrodo de grafito genera mucho polvo. Para evitar que las partículas de grafito sean inhaladas por el husillo y el tornillo de la máquina, actualmente existen dos soluciones principales: una es utilizar una máquina especial para el procesamiento de grafito, y la otra es la adaptación del centro de procesamiento convencional, equipándolo con un dispositivo especial de recolección de polvo.
La fresadora de alta velocidad especial para grafito disponible en el mercado ofrece una alta eficiencia de fresado y puede completar fácilmente la fabricación de electrodos complejos con alta precisión y buena calidad superficial.
Si se necesita utilizar electroerosión para fabricar un electrodo de grafito, se recomienda utilizar un material de grafito fino con un diámetro de partícula menor.
El rendimiento de mecanizado del grafito es deficiente; cuanto menor sea el diámetro de las partículas, mayor será la eficiencia de corte que se puede obtener y se pueden evitar problemas anormales como la rotura frecuente del alambre y la aparición de franjas en la superficie.
4. Parámetros de electroerosión del electrodo de grafito
La selección de parámetros de electroerosión para grafito y cobre es bastante diferente.
Los parámetros de la electroerosión incluyen principalmente la corriente, el ancho del pulso, el intervalo entre pulsos y la polaridad.
A continuación se describen las bases para el uso racional de estos parámetros principales.
La densidad de corriente del electrodo de grafito suele ser de 10 a 12 A/cm², mucho mayor que la del electrodo de cobre. Por lo tanto, dentro del rango de corriente permitido en la zona correspondiente, cuanto mayor sea la corriente seleccionada, mayor será la velocidad de descarga del grafito y menor la pérdida del electrodo, pero mayor será la rugosidad de la superficie.
Cuanto mayor sea la duración del pulso, menor será la pérdida del electrodo.
Sin embargo, un ancho de pulso mayor empeorará la estabilidad del procesamiento, disminuirá la velocidad de procesamiento y hará que la superficie sea más rugosa.
Para garantizar una baja pérdida de electrodo durante el mecanizado en bruto, se suele utilizar un ancho de pulso relativamente grande, lo que permite lograr un mecanizado con bajas pérdidas del electrodo de grafito cuando el valor se encuentra entre 100 y 300 US.
Para obtener una superficie fina y un efecto de descarga estable, se debe elegir un ancho de pulso más pequeño.
En general, el ancho de pulso del electrodo de grafito es aproximadamente un 40% menor que el del electrodo de cobre.
La duración del pulso afecta principalmente a la velocidad y la estabilidad del mecanizado por descarga eléctrica. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la estabilidad del mecanizado, lo que contribuye a obtener una mayor uniformidad superficial, pero la velocidad de mecanizado se verá reducida.
Si se garantiza la estabilidad del procesamiento, se puede obtener una mayor eficiencia de procesamiento eligiendo un intervalo de pulso más pequeño, pero cuando el estado de descarga es inestable, se puede obtener una mayor eficiencia de procesamiento eligiendo un intervalo de pulso más grande.
En el mecanizado por descarga con electrodo de grafito, la relación entre el intervalo de pulsos y el ancho de pulsos se suele establecer en 1:1, mientras que en el mecanizado con electrodo de cobre, la relación entre el intervalo de pulsos y el ancho de pulsos se suele establecer en 1:3.
En condiciones de procesamiento estable del grafito, la relación de coincidencia entre el intervalo de pulso y el ancho del pulso se puede ajustar a 2:3.
En el caso de pulsos pequeños, es beneficioso formar una capa protectora sobre la superficie del electrodo, lo que ayuda a reducir la pérdida de electrodo.
La selección de polaridad del electrodo de grafito en el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) es básicamente la misma que la del electrodo de cobre.
Según el efecto de polaridad de la electroerosión, el mecanizado con polaridad positiva se utiliza habitualmente al mecanizar acero para matrices; es decir, el electrodo se conecta al polo positivo de la fuente de alimentación y la pieza de trabajo se conecta al polo negativo de la fuente de alimentación.
Al utilizar una corriente y un ancho de pulso elevados, seleccionar el mecanizado con polaridad positiva permite obtener pérdidas de electrodo extremadamente bajas. Si la polaridad es incorrecta, las pérdidas de electrodo serán muy elevadas.
Solo cuando se requiere que la superficie tenga un acabado fino inferior a VDI18 (Ra0,8 m) y el ancho del pulso es muy pequeño, se utiliza el procesamiento de polaridad negativa para obtener una mejor calidad de la superficie, pero la pérdida del electrodo es grande.
Actualmente, las máquinas herramienta CNC para electroerosión están equipadas con parámetros de mecanizado por descarga de grafito.
El uso de parámetros eléctricos es inteligente y puede generarse automáticamente mediante el sistema experto de la máquina herramienta.
En general, durante la programación, la máquina puede configurar los parámetros de procesamiento optimizados seleccionando el par de materiales, el tipo de aplicación, el valor de rugosidad de la superficie e introduciendo el área de procesamiento, la profundidad de procesamiento, el escalado del tamaño del electrodo, etc.
Configurado para electrodo de grafito de la biblioteca de máquinas herramienta EDM con ricos parámetros de procesamiento, el tipo de material puede elegirse en grafito grueso, grafito, grafito que corresponde a una variedad de materiales de piezas de trabajo, para subdividir el tipo de aplicación para estándar, ranura profunda, punta afilada, área grande, cavidad grande, como fino, también proporciona baja pérdida, estándar, alta eficiencia y muchos tipos de elección de prioridad de procesamiento.
5. Conclusión
Merece la pena popularizar enérgicamente el nuevo material de electrodo de grafito, y sus ventajas serán reconocidas y aceptadas gradualmente por la industria nacional de fabricación de moldes.
La correcta selección de materiales para electrodos de grafito y la mejora de los vínculos tecnológicos relacionados aportarán alta eficiencia, alta calidad y bajos costos a las empresas de fabricación de moldes.
Fecha de publicación: 4 de diciembre de 2020