1.グラファイト材料のEDM特性。
1.1.放電加工速度。
グラファイトは3,650℃と非常に高い融点を持つ非金属材料ですが、銅の融点は1,083℃であるため、グラファイト電極はより高い電流設定条件に耐えることができます。
放電面積と電極サイズのスケールが大きいほど、グラファイト材料の高効率粗加工の利点がより明らかになります。
グラファイトの熱伝導率は銅の1/3であり、放電加工時に発生する熱を利用して金属材料をより効率的に除去できるため、中・微細加工においてグラファイトの加工効率は銅電極よりも高くなります。
処理経験によれば、正しい使用条件下では、グラファイト電極の放電処理速度は銅電極の1.5〜2倍速くなります。
1.2.電極の消費量。
グラファイト電極は、高電流条件に耐えられる特性があり、加えて、適切な粗加工設定の条件下では、加工中に生成された炭素鋼ワークピースの内容物の除去や、加工液中の高温での炭素粒子の分解、極性効果、内容物の部分的な除去作用により、炭素粒子が電極表面に付着して保護層を形成し、グラファイト電極の粗加工時の損失が小さくなり、「無駄がゼロ」になることを保証します。
放電加工における電極損失の主な要因は、粗加工です。仕上げ加工の設定条件では損失率は高くなりますが、部品加工に残される取り代が小さいため、全体的な損失は低くなります。
一般的に、大電流での荒加工においては、グラファイト電極の電極損失は銅電極よりも少なく、仕上げ加工においては銅電極よりもわずかに多くなります。グラファイト電極の電極損失は銅電極とほぼ同等です。
1.3.表面の品質。
グラファイト材料の粒子径は、放電加工面粗さに直接影響します。粒子径が小さいほど、より低い面粗さが得られます。
数年前、グラファイト材料の粒子径が 5 ミクロンの場合、最高の表面品質は VDI18 edm (Ra0.8 ミクロン) しか達成できませんでしたが、現在ではグラファイト材料の粒子径は 3 ミクロン以内まで達成できるようになり、最高の表面品質は安定した VDI12 edm (Ra0.4 ミクロン) またはより高度なレベルを達成できますが、グラファイト電極はミラー edm になります。
銅素材は低抵抗で構造がコンパクトであるため、厳しい加工条件でも安定した加工が可能です。表面粗さはRa0.1μm未満を実現し、鏡面加工も可能です。
したがって、放電加工で極めて微細な表面を追求する場合は、電極として銅材料を使用する方が適しており、これがグラファイト電極に対する銅電極の主な利点です。
しかし、銅電極は大電流設定条件下では電極表面が荒れやすく、ひび割れも発生しやすくなりますが、グラファイト材料ではこの問題は発生しません。金型加工における表面粗さの要件はVDI26（Ra2.0ミクロン）程度で、グラファイト電極を使用すると粗加工から微細加工まで行うことができ、均一な表面効果と表面欠陥を実現します。
さらに、グラファイトと銅の構造が異なるため、グラファイト電極の表面放電腐食点は銅電極よりも規則的です。そのため、VDI20以上の同じ表面粗さを加工する場合、グラファイト電極で加工したワークの表面粒度はより明確になり、この粒度表面効果は銅電極の放電表面効果よりも優れています。
1.4.加工精度
グラファイト材料の熱膨張係数は小さく、銅材料の熱膨張係数はグラファイト材料の4倍であるため、放電加工においてグラファイト電極は銅電極よりも変形しにくく、より安定した信頼性の高い加工精度が得られます。
特に深く狭いリブを加工する場合、局所的に高温になるため銅電極は曲がりやすくなりますが、グラファイト電極は曲がりません。
深さと直径の比率が大きい銅電極の場合、加工設定時にサイズを修正するために一定の熱膨張値を補正する必要がありますが、グラファイト電極は必要ありません。
1.5.電極の重量。
グラファイト素材は銅よりも密度が低く、同じ体積のグラファイト電極の重量は銅電極のわずか 1/5 です。
グラファイト電極は、大容量の電極に非常に適しており、放電加工機のスピンドル負荷を大幅に軽減することがわかります。電極の重量が大きいため、クランプ時に不都合が生じたり、加工時にたわみ変位が生じたりすることはありません。大型金型加工においてグラファイト電極を使用することの意義は大きいことがわかります。
1.6.電極製造の難しさ。
グラファイト材料の加工性能は良好で、切削抵抗は銅の1/4に過ぎません。適切な加工条件下であれば、グラファイト電極のフライス加工効率は銅電極の2～3倍になります。
グラファイト電極は角度クリアが容易で、複数の電極で仕上げる必要があるワークを1本の電極で加工することができます。
グラファイト材料の独特な粒子構造により、電極のミリングおよび成形後にバリが発生するのを防ぎ、複雑なモデリングでバリが簡単に除去できない場合の使用要件を直接満たすことができます。これにより、電極を手動で研磨するプロセスがなくなり、研磨による形状の変化やサイズの誤差を回避できます。
グラファイトは粉塵が蓄積するため、グラファイトを粉砕すると大量の粉塵が発生するため、粉砕機にはシールと集塵装置が必要です。
グラファイト電極を加工するために edM を使用する必要がある場合、その加工性能は銅材料ほど良くなく、切断速度は銅よりも約 40% 遅くなります。
1.7.電極の取り付けと使用。
グラファイト材料は優れた接着性を有しており、電極をフライス加工して放電させることでグラファイトと治具を接着できるため、電極材料へのネジ穴加工の手間が省け、作業時間を短縮できます。
グラファイト材料は比較的脆く、特に小さく、細く、長い電極は、使用中に外力を受けると壊れやすく、電極が損傷したことがすぐにわかります。
銅電極の場合は、曲がるだけで折れないため、非常に危険であり、使用過程で発見するのが難しく、簡単にワークピースのスクラップにつながります。
1.8.価格。
銅素材は再生不可能な資源であるため、価格動向はますます高価になりますが、グラファイト素材の価格は安定する傾向があります。
近年、銅材料の価格が高騰しており、大手グラファイトメーカーはグラファイト生産工程を改善して競争上の優位性を築いています。現在、同じ量であれば、グラファイト電極材料の価格と銅電極材料の価格の差はごくわずかですが、グラファイトの方が効率的な処理が実現できるため、銅電極を使用するよりも作業時間を大幅に短縮でき、生産コストを直接的に削減できます。
まとめると、グラファイト電極の 8 つの edM 特性の中で、その利点は明らかです。ミリング電極と放電処理の効率は銅電極よりも大幅に優れています。大きな電極は軽量で、寸法安定性が良好で、薄い電極は変形しにくく、表面の質感は銅電極よりも優れています。
グラファイト材料の欠点は、VDI12（Ra0.4m）以下の微細表面放電加工には適しておらず、edMを使用して電極を作る効率が低いことです。
しかし、実際的な観点から見ると、中国でのグラファイト材料の有効な普及に影響を与える重要な理由の1つは、電極をミリングするために専用のグラファイト加工機が必要であり、これが金型企業の加工設備に新たな要件を課し、一部の中小企業にはこの条件が整っていない可能性があることです。
一般的に、グラファイト電極の利点は、放電加工のほとんどの用途をカバーし、普及と応用に価値があり、長期的なメリットも大きい。微細表面処理の欠点は、銅電極の使用によって補うことができる。
2.放電加工用グラファイト電極材料の選択
グラファイト材料の場合、材料の性能を直接決定する指標は主に以下の4つです。
1) 材料の平均粒子径
材料の平均粒子径は、材料の排出状態に直接影響します。
グラファイト材料の平均粒子が小さいほど、放電が均一になり、放電状態が安定し、表面品質が向上し、損失が少なくなります。
平均粒径が大きいほど、荒加工では優れた除去率が得られますが、仕上げ加工では表面効果が悪く、電極損失が大きくなります。
2) 材料の曲げ強度
材料の曲げ強度はその強度を直接反映し、内部構造の堅固さを示します。
強度の高い材料は比較的良好な耐放電性能を有します。高精度な電極には、可能な限り強度の高い材料を選択する必要があります。
3) 材料のショア硬度
グラファイトは金属材料よりも硬く、切削工具の損失は切削金属の損失よりも大きくなります。
同時に、グラファイト材料の高硬度により、放電損失の抑制も向上します。
4) 材料の固有抵抗
固有抵抗率の高いグラファイト材料の放電速度は、固有抵抗率の低いグラファイト材料の放電速度よりも遅くなります。
固有抵抗が高いほど電極損失は小さくなりますが、固有抵抗が高くなると放電の安定性に影響します。
現在、世界の主要なグラファイト供給業者から、さまざまなグレードのグラファイトが提供されています。
一般的に、分類されるグラファイト材料の平均粒子径に応じて、粒子径が 4 μm 以下のものは細粒グラファイト、5 ～ 10 μm の粒子は中粒グラファイト、10 μm 以上の粒子は粗粒グラファイトと定義されます。
粒子径が小さいほど材料が高価になるため、EDM の要件とコストに応じて、より適切なグラファイト材料を選択できます。
3.グラファイト電極の製造
グラファイト電極は主に粉砕によって製造されます。
加工技術の観点から見ると、グラファイトと銅は2つの異なる材料であり、それぞれの異なる切削特性を習得する必要があります。
グラファイト電極を銅電極のプロセスで加工すると、シートが頻繁に破損するなどの問題が必然的に発生するため、適切な切削工具と切削パラメータを使用する必要があります。
グラファイト電極を加工すると銅電極工具の摩耗よりも少なくなるため、経済性を考慮すると、超硬工具を選択するのが最も経済的です。ダイヤモンドコーティング工具（グラファイトナイフと呼ばれる）を選択すると、価格はより高価になりますが、ダイヤモンドコーティング工具の耐用年数が長く、加工精度が高く、全体的な経済効果が良好です。
工具の先端角度の大きさも工具の耐用年数に影響します。工具の先端角度が 0° の場合、工具の耐用年数は先端角度が 15° の場合よりも最大 50% 長くなり、切削安定性も向上します。また、角度が大きいほど加工面も良くなるため、工具の先端角度が 15° の場合、最高の加工面を実現できます。
加工時の切削速度は電極の形状に応じて調整でき、通常は10m/分で、アルミニウムやプラスチックの加工と同様に、荒加工では切削工具がワークに直接接したり離れたりするため、仕上げ加工では角度の崩れや断片化の現象が発生しやすく、軽刃高速歩行方式がよく採用されます。
グラファイト電極は切断工程で大量の粉塵を発生させるため、機械のスピンドルとスクリューにグラファイト粒子が吸い込まれるのを避けるために、現在、主に 2 つの解決策があります。1 つは専用のグラファイト加工機を使用すること、もう 1 つは通常の加工センターを改造し、専用の集塵装置を備えることです。
市販の特殊なグラファイト高速フライス盤は、フライス加工効率が高く、複雑な電極の製造を高精度で表面品質の良好な状態で簡単に完了できます。
グラファイト電極の製造に EDM が必要な場合は、粒子径の小さい微細グラファイト材料を使用することをお勧めします。
グラファイトの加工性能は悪く、粒径が小さいほど、より高い切削効率が得られ、頻繁な断線や表面フリンジなどの異常な問題を回避できます。
4.グラファイト電極のEDMパラメータ
グラファイトと銅の EDM パラメータの選択はまったく異なります。
EDM のパラメータには主に、電流、パルス幅、パルスギャップ、極性が含まれます。
以下では、これらの主要なパラメータを合理的に使用するための根拠について説明します。
グラファイト電極の電流密度は一般的に10～12A/cm²で、銅電極よりもはるかに大きいです。そのため、当該領域で許容される電流値の範囲内で、より大きな電流値を選択するほど、グラファイトの放電処理速度は速くなり、電極損失は少なくなりますが、表面粗さは厚くなります。
パルス幅が広いほど、電極の損失は少なくなります。
ただし、パルス幅が広くなると加工の安定性が悪くなり、加工速度が遅くなり、表面が粗くなります。
粗加工時の電極損失を低く抑えるために、通常は比較的大きなパルス幅が使用され、その値が 100 ～ 300 US の範囲にある場合、グラファイト電極の低損失加工を効果的に実現できます。
微細な表面と安定した放電効果を得るためには、より小さいパルス幅を選択する必要があります。
一般的に、グラファイト電極のパルス幅は銅電極のそれより約40％小さい。
パルスギャップは主に放電加工速度と加工安定性に影響します。値が大きいほど加工安定性が向上し、表面均一性が向上しますが、加工速度は低下します。
処理安定性が確保される条件下では、より小さなパルスギャップを選択することによって、より高い処理効率が得られるが、放電状態が不安定な場合には、より大きなパルスギャップを選択することによって、より高い処理効率が得られる。
グラファイト電極放電加工では、パルスギャップとパルス幅は通常 1:1 に設定され、銅電極加工では、パルスギャップとパルス幅は通常 1:3 に設定されます。
安定したグラファイト処理では、パルスギャップとパルス幅のマッチング比を 2:3 に調整できます。
パルスクリアランスが小さい場合、電極表面に被覆層を形成すると電極損失の低減に役立ちます。
EDM におけるグラファイト電極の極性選択は、基本的に銅電極の場合と同じです。
EDM の極性効果によると、金型鋼を加工するときは通常、正極性加工が使用されます。つまり、電極は電源の正極に接続され、ワークピースは電源の負極に接続されます。
大電流・大パルス幅で正極性加工を選択すると、電極損失を極めて低く抑えることができます。極性を間違えると、電極損失が非常に大きくなります。
表面をVDI18（Ra0.8μm）以下の微細加工する必要があり、パルス幅が非常に狭い場合にのみ、負極性加工を使用して表面品質を向上させますが、電極の損失が大きくなります。
現在、CNC edM 工作機械にはグラファイト放電加工パラメータが装備されています。
電気パラメータの使用はインテリジェントであり、工作機械のエキスパート システムによって自動的に生成できます。
一般的に、機械はプログラミング中に材料ペア、アプリケーションタイプ、表面粗さ値を選択し、処理領域、処理深さ、電極サイズのスケーリングなどを入力することで、最適化された処理パラメータを設定できます。
EDM 工作機械のグラファイト電極ライブラリには豊富な処理パラメータが設定されており、材料タイプは粗グラファイト、グラファイト、グラファイトから選択でき、さまざまなワークピース材料に対応し、標準、深溝、鋭利ポイント、大面積、大キャビティ、微細などのアプリケーションタイプを細分化し、低損失、標準、高効率など、さまざまな処理優先順位の選択肢も提供します。
5.結論
新しいグラファイト電極材料は積極的に普及させる価値があり、その利点は国内の金型製造業界に徐々に認識され受け入れられるでしょう。
グラファイト電極材料の適切な選択と関連技術リンクの改善は、金型製造企業に高効率、高品質、低コストの利益をもたらすでしょう。
投稿日時: 2020年12月4日