1.グラファイト材料の放電加工特性
1.1. 排出加工速度
グラファイトは融点が3,650℃と非常に高い非金属材料であるのに対し、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る。
放電面積と電極サイズが大きいほど、グラファイト材料の高効率粗加工の利点はより顕著になる。
グラファイトの熱伝導率は銅の3分の1であり、放電プロセス中に発生する熱を金属材料の除去に効果的に利用できる。したがって、中・微細加工においては、グラファイト電極の加工効率は銅電極よりも高い。
加工経験によると、適切な使用条件下では、グラファイト電極の放電処理速度は銅電極の1.5～2倍速い。
1.2.電極の消費量
グラファイト電極は、高電流条件に耐えることができる特性を持ち、さらに、適切な荒加工設定条件下では、加工中に発生する炭素鋼ワークピースの除去や高温での作動液中の炭素粒子の分解、極性効果などにより、部分的な除去作用の下で炭素粒子が電極表面に付着して保護層を形成し、荒加工時のグラファイト電極の損失を最小限に抑え、さらには「ゼロ廃棄物」を実現します。
放電加工における電極の主な損失は、粗加工時に発生します。仕上げ加工の設定条件では損失率が高いものの、部品に確保される加工代が小さいため、全体的な損失は低くなります。
一般的に、大電流での粗加工では黒鉛電極の損失は銅電極よりも少なく、仕上げ加工では銅電極よりもわずかに多い。黒鉛電極の電極損失は同程度である。
1.3.表面品質。
グラファイト材料の粒子径は、放電加工（EDM）の表面粗さに直接影響する。粒子径が小さいほど、より低い表面粗さを得ることができる。
数年前は、直径5ミクロンの粒子径のグラファイト材料を使用していたため、最高の表面は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径は3ミクロン以内のφを達成できるようになり、最高の表面は安定したVDI12 edm（Ra0.4μm）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edmを鏡のように映し出します。
銅材料は低抵抗率で緻密な構造を持ち、厳しい条件下でも安定して加工できる。表面粗さはRa0.1m未満に抑えることができ、鏡面加工も可能である。
したがって、放電加工で極めて微細な表面仕上げを目指す場合、電極として銅材料を使用する方が適しており、これが銅電極がグラファイト電極よりも優れている主な利点である。
しかし、銅電極は大電流設定条件下では電極表面が粗くなりやすく、ひび割れも発生しやすいが、グラファイト材料にはこの問題はなく、金型加工における表面粗さの要件はVDI26（Ra2.0ミクロン）であり、グラファイト電極を使用することで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できる。
さらに、グラファイトと銅は構造が異なるため、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。したがって、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ピースの表面粒状性がより顕著になり、この粒状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を得ることができる。
特に深くて狭いリブを加工する場合、局所的な高温によって銅電極は容易に曲がってしまうが、グラファイト電極は曲がらない。
深さ対直径比が大きい銅電極の場合、加工設定時に寸法を補正するために一定の熱膨張値を補正する必要があるが、グラファイト電極の場合はその必要はない。
1.5.電極重量
グラファイト材料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5分の1である。
グラファイト電極は体積の大きい電極に非常に適しており、放電加工機のスピンドルへの負荷を大幅に軽減できることがわかります。電極は重量が大きいためクランプ時に不便が生じず、加工時にたわみ変位なども発生しません。したがって、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は非常に意義深いと言えます。
1.6.電極製造の難しさ
グラファイト材料の加工性は良好である。切削抵抗は銅のわずか1/4である。適切な加工条件下では、グラファイト電極のフライス加工効率は銅電極の2～3倍となる。
グラファイト電極は角度が簡単に除去できるため、複数の電極で仕上げる必要のあるワークピースを単一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、電極の切削・成形後にバリが発生するのを防ぎ、複雑な形状においてバリが容易に除去できない場合でも、使用要件を直接満たすことができます。これにより、電極の手動研磨工程が不要になり、研磨による形状変化や寸法誤差を回避できます。
なお、黒鉛は粉塵が蓄積しやすい性質を持つため、黒鉛を粉砕すると大量の粉塵が発生します。したがって、粉砕機にはシールと集塵装置が必須となります。
グラファイト電極の加工に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.電極の設置と使用。
グラファイト材料は優れた接着性を有しています。電極をフライス加工して放電させることで、グラファイトを治具に接着させることができ、電極材料にねじ穴を加工する工程を省き、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、特に小さくて細長い電極は、使用中に外部からの力が加わると簡単に破損しますが、電極が損傷したことをすぐに知ることができます。
銅電極の場合、折れることはなく曲がるだけなので、使用中に発見するのが非常に危険で困難であり、加工物の廃棄につながりやすい。
1.8.価格。
銅は再生不可能な資源であり、価格は今後ますます高騰していく一方、黒鉛の価格は安定する傾向にある。
近年、銅材料の価格が上昇する中、主要な黒鉛メーカーは黒鉛の製造工程を改善することで競争優位性を確立しました。現在、同量であれば、黒鉛電極材料の価格と銅電極材料の価格はかなり近い水準ですが、黒鉛は効率的な加工が可能であり、銅電極を使用する場合よりも多くの作業時間を節約できるため、生産コストを直接削減できます。
まとめると、グラファイト電極の8つのedM特性のうち、その利点は明らかです。電極の粉砕および放電処理の効率は銅電極よりも著しく優れています。大型電極は軽量で、寸法安定性に優れ、薄型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ある。
しかし、実際的な観点から見ると、中国における黒鉛材料の効果的な普及を阻害する重要な理由の一つは、電極を粉砕するために専用の黒鉛加工機が必要となることであり、これは金型企業の加工設備に新たな要求を突きつけるものであり、一部の小規模企業はこの条件を満たしていない可能性がある。
一般的に、グラファイト電極の利点は、ほとんどの放電加工用途を網羅しており、普及と応用に値するものであり、長期的に見て大きなメリットがある。表面の微細加工における欠点は、銅電極を用いることで補うことができる。
2. 放電加工用グラファイト電極材料の選定
グラファイト材料の場合、材料の性能を直接決定する主な指標は以下の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を与える。
グラファイト材料の平均粒子径が小さいほど、放電はより均一になり、放電状態はより安定し、表面品質はより良好になり、損失はより少なくなる。
平均粒子径が大きいほど、粗加工における除去率は向上するが、仕上げ加工における表面効果は劣り、電極の消耗も大きくなる。
2) 材料の曲げ強度
材料の曲げ強度は、その材料の強度を直接反映するものであり、内部構造の堅固さを示す指標となる。
高強度材料は、比較的良好な放電耐性特性を有する。高精度電極の場合、可能な限り高強度材料を選択すべきである。
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対象金属の損失よりも大きい。
同時に、放電損失制御においては、黒鉛材料の高い硬度がより優れている。
4) 材料固有の抵抗率
固有抵抗率の高い黒鉛材料の放電速度は、抵抗率の低い黒鉛材料の放電速度よりも遅くなる。
固有抵抗率が高いほど電極損失は小さくなるが、固有抵抗率が高いほど放電の安定性に影響が出る。
現在、世界有数の黒鉛供給業者からは、さまざまなグレードの黒鉛が入手可能である。
一般的に、分類対象となる黒鉛材料の平均粒径に基づいて、粒径が4μm以下のものは微細黒鉛、5～10μmのものは中粒黒鉛、10μm以上のものは粗粒黒鉛と定義される。
粒子径が小さいほど材料は高価になるため、放電加工の要件とコストに応じて、より適切な黒鉛材料を選択することができます。
3. グラファイト電極の作製
グラファイト電極は主に粉砕によって製造される。
加工技術の観点から見ると、黒鉛と銅は異なる材料であり、それぞれの切削特性の違いを習得する必要がある。
グラファイト電極を銅電極と同じ方法で加工すると、シートの頻繁な破損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る。
グラファイト電極は銅電極よりも工具摩耗が激しいため、経済的な観点からは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も呼ばれる）は価格が高くなりますが、ダイヤモンドコーティング工具は長寿命で加工精度が高く、全体的な経済効果は良好です。
工具の先端角度の大きさも寿命に影響します。先端角度が0°の工具は、先端角度が15°の工具よりも寿命が最大50%長くなり、切削安定性も向上しますが、角度が大きいほど加工面が良好になり、15°の角度の工具を使用することで最高の加工面が得られます。
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です。粗加工では切削工具をワークピースに直接接触させたり離したりできますが、仕上げ加工では角度崩壊や破断現象が発生しやすく、軽いナイフを高速で移動させる方法がよく採用されます。
切断工程における黒鉛電極は大量の粉塵を発生させるため、機械のスピンドルやネジに黒鉛粒子が吸い込まれるのを防ぐために、現在主な解決策は2つあります。1つは専用の黒鉛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、専用の集塵装置を装備することです。
市販されている特殊なグラファイト高速フライス盤は、高いフライス加工効率を持ち、高精度かつ良好な表面品質で複雑な電極の製造を容易に完了できる。
グラファイト電極の製造に放電加工が必要な場合は、粒子径の小さい微細なグラファイト材料を使用することを推奨します。
グラファイトの機械加工性能は劣悪であり、粒子径が小さいほど切削効率が高くなり、頻繁なワイヤ断線や表面のフリンジなどの異常問題を回避できる。
4.グラファイト電極の放電加工パラメータ
グラファイトと銅の放電加工（EDM）パラメータの選択方法は大きく異なる。
放電加工のパラメータは主に、電流、パルス幅、パルス間隔、極性などである。
以下では、これらの主要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10～12 A/cm2であり、銅電極の電流密度よりもはるかに大きい。したがって、対応する領域で許容される電流の範囲内では、電流を大きく選択するほど、グラファイトの放電処理速度は速くなり、電極の損失は小さくなるが、表面粗さは厚くなる。
パルス幅が大きいほど、電極損失は小さくなる。
しかし、パルス幅が大きくなると、処理の安定性が悪化し、処理速度が低下し、表面が粗くなる。
粗加工時の電極損失を低く抑えるためには、通常、比較的大きなパルス幅が使用され、その値が100～300μSの範囲であれば、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。
表面が滑らかで放電効果が安定するためには、パルス幅を小さく選択する必要がある。
一般的に、グラファイト電極のパルス幅は銅電極のパルス幅より約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、表面均一性の向上に役立ちますが、加工速度は低下します。
処理の安定性を確保するという条件下では、パルスギャップを小さくすることで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は、パルスギャップを大きくすることで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に設定されるが、銅電極加工では、パルスギャップとパルス幅は通常1:3に設定される。
安定した黒鉛加工条件下では、パルスギャップとパルス幅のマッチング比を2：3に調整することができる。
パルス間隔が小さい場合、電極表面に被覆層を形成することが有効であり、電極損失を低減するのに役立つ。
放電加工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。
放電加工の極性効果によれば、金型鋼を加工する際には通常、正極性加工が用いられます。つまり、電極を電源の正極に接続し、工作物を電源の負極に接続します。
大電流と大パルス幅を用い、正極性加工を選択することで、極めて低い電極損失を実現できます。極性が間違っていると、電極損失は非常に大きくなります。
表面の粗さがVDI18（Ra0.8m）未満で、パルス幅が非常に小さい場合にのみ、負極性処理を使用してより良い表面品質が得られますが、電極損失が大きくなります。
現在、CNC放電加工機には黒鉛放電加工のパラメータが搭載されています。
電気的パラメータの利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することができる。
一般的に、プログラミング時に、材料の組み合わせ、用途の種類、表面粗さの値を選択し、加工領域、加工深さ、電極サイズのスケーリングなどを入力することで、機械は最適な加工パラメータを設定できます。
放電加工機のグラファイト電極用ライブラリには、豊富な加工パラメータが設定されており、材料の種類は粗グラファイト、グラファイト、グラファイトなどから選択でき、さまざまなワークピース材料に対応しています。また、アプリケーションの種類は、標準、深溝、鋭利なポイント、大面積、大空洞、微細加工などに分類され、低損失、標準、高効率など、さまざまな加工優先順位を選択できます。
5.結論
新しい黒鉛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で徐々に認識され、受け入れられるようになるだろう。
適切な黒鉛電極材料の選定と関連技術の改善は、金型製造企業に高効率、高品質、低コストのメリットをもたらす。
投稿日時：2020年12月4日