Skuteczne sposoby na zminimalizowanie zużycia elektrod grafitowych

Czy zużycie elektrod jest naprawdę tak bardzo ważne? Bardzo często zdarza się tak, że jest to decydujący czynnik podczas naszej pracy. Są też sytuacje, kiedy wykonujemy drążenie dużego otworu, bez ściśle określonych tolerancji, a naszym celem jest jak najszybsze jego wykonanie (np. ze względu na konieczność szybkiego zrealizowania zlecenia) – w takim przypadku zużycie elektrody nie odgrywa takiego znaczenia, jak wtedy, gdybyśmy mieli do czynienia z pracą skomplikowaną, dokładną np. podczas drążenia żeber lub cienkich kanałów. Aczkolwiek, jest sprawą bardzo ważną, aby być zorientowanym, jak i dlaczego zużycie elektrod w ogóle występuje. To wszystko po to, aby osiągnąć maksimum wydajności podczas procesu elektrodrążenia.

Co powoduje zużycie?

Proces elektrodrążenia najlepiej określić jako termoelektryczny – ciepło i prąd działają wspólnie. Prąd przepływa przez elektrodę i następnie poprzez strumień magnetyczny trafia w metal, w którym wykonujemy pracę. W chwili, kiedy elektroda zbliża się do metalu, energia elektryczna poprzez jonizację toruje sobie drogę z elektrody, w miejscu przepływu cząstek gromadzi się bardzo wysoka temperatura, co powoduje przejście metalu do postaci płynnej. Następuje eksplozja cząstek i wyparowanie materiału drążonego.

Cząstki, czyli ziarna grafitu są ze sobą dokładnie spajane w trakcie długotrwałego procesu wytwarzania chemicznego i mechanicznego, oraz grafityzacji. Ziarna grafitu ulegają niszczeniu podczas procesu elektrodrążenia – takie właśnie działanie nazywamy zużywaniem się elektrody. Zależne jest ono od tego, jak szybko przebiegał będzie sam proces oraz jaka będzie powierzchnia końcowa uzyskana na detalu. Ubytek elektrody jest znaczniejszy podczas drążenia grafitami o większym ziarnie. Przy tych samych parametrach zużycie elektrod wykonanych z grafitu drobnoziarnistego będzie z całą pewnością mniejsze. Bardzo istotny jest także fakt, iż grafity posiadające jednolitą i równomierną mikrostrukturę, czyli ułożenie ziaren i porów, będą sobie radzić znacznie lepiej, a ich zużycie będzie zauważalnie małe. W wyniku zużywania się elektrody duże ziarna grafitu mogą wpadać do szczeliny i powodować klejenie się tych cząstek do metalu. Konsekwencją takiej sytuacji może być mniejsza szybkość drążenia i powstanie swoistej grafitowej narośli na powierzchni metalu. Aby sobie poradzić z tym problemem należy zapewnić odpowiednie płukanie lub skorygować ustawienia parametrów, a konkretnie czasu włączenia (on-time) maszyny. Niestety nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie zużycia elektrod. Istnieje jednakże kilka metod, dzięki którym uda się nam je maksymalnie zminimalizować. Istotna sprawa to właściwe ustawienie określonych parametrów drążenia maszyny.

Zużycie końcowe elektrody.

Podczas procesu elektrodrążenia iskry, produkowane przez czoło i powierzchnię pracującą elektrody trafiają za pomocą powstałego pola magnetycznego w metal, powodując jego stopniową destrukcję. Ulega jej także, choć w znacznie mniejszym stopniu, powierzchnia elektrody. Na szczęście drążąc w wielu rodzajach metali, a przede wszystkim w stali narzędziowej, mamy możliwość zredukowania zużycia końcowego elektrody do wartości nawet poniżej jednego procenta. To wszystko możliwe jest dzięki prawidłowemu dostosowaniu czasu włączenia (on-time). Oczywiście, co było podkreślane już wcześniej, nawet najlepsza maszyna i najlepiej dobrane do niej parametry nic nie pomogą, jeśli grafit, którego użyjemy, będzie słaby jakościowo, a jego zużywalność będzie wysoka. Niemniej jednak, chcąc uzyskać jak najmniejsze zużycie elektrody, kluczowe jest użycie długiego czasu włączenia i dodatniej polaryzacji na drążarce. Dobranie odpowiednich parametrów drążenia jest oczywiście zależne od wielkości ziarna jakie posiada grafit. Konieczna jest zatem dokładna wiedza na temat materiału zamocowanego na drążarce (czyt. grafitu). Warunki, w których nie będzie dochodzić do zużycia, lub będzie ono bardzo niewielkie, są w istocie wynikiem metalizacji elektrody grafitowej. Zjawisko to polega na przyklejaniu się mikroskopijnych cząstek metalu, który właśnie został wydrążony, do powierzchni elektrody. Zbyt wielka narośl powstała na pracującej powierzchni elektrody może spowodować zniekształcenie jej kształtu. Owe parametry spowodują niskie zużycie elektrody, jednak nie będą wpływać na szybkość drążenia. Należy pamiętać, że tak niskie zużycie elektrod (około 1%) może mieć miejsce tylko w przypadku drążenia w stali, której obróbka z reguły nie przysparza problemu. W przypadku metali trudnoobrabialnych, jak na przykład węgliki spiekane czy stopy miedzi, zużycie elektrod będzie większe. Wtedy najlepszym rozwiązaniem jest użycie grafitów impregnowanych miedzią np. ELLOR+20C.

Zużycie naroży elektrody.

W zależności od kształtu elektrody zużycie jej naroży może się znacznie różnić. Najbardziej podatne na zużycie są ostre krawędzie elektrod oraz jej cienkie kształty. Naroża te podlegają większemu zużyciu, ponieważ najwięcej iskier generowanych jest właśnie w tym obszarze. W ten właśnie sposób dochodzi do zużycia najbardziej na to narażonych jej części. Efekt ten jest tym większy, im ostrzejsza jest krawędź elektrody. Aby zminimalizować zużycie naroży należy podczas doboru gatunku grafitu zwrócić szczególną uwagę na jego jednolitą mikrostrukturę, tzn. równomierne rozmieszczenie ziaren i porów. Ważna jest także wysoka wytrzymałość na zginanie i ściskanie.

Zużycie boków elektrody.

Nie tylko czoło i naroża elektrody ulegają zużyciu. Także jej boczne ściany mogą ulec zużyciu. Słabe warunki płukania (lub jego brak) powodują koncentrowanie się mikroskopijnych ziaren grafitu w szczelinie pomiędzy bokiem elektrody a materiałem, w którym dokonujemy drążenia. Poprzez iskry dochodzi wtedy do sytuacji, w której szczelina zmniejsza się i następuje nadpalanie elektrody. Na szczęście istnieją skuteczne sposoby zapobiegania takiemu zdarzeniu. Na przykład opcja orbitowania, w którą zaopatrzona jest już znaczna większość nowszych drążarek pozwala rozłożyć zużycie boków elektrody równomiernie, a nie koncentrować je w miejscu, gdzie szczelina jest największa. Dzięki temu, mikroskopijne cząstki grafitu mają także możliwość swobodnego opuszczenia drążonej przestrzeni. Zredukowanie ilości gromadzonych cząstek grafitu jest w dużej mierze uzależnione od jego odporności na zużycie (grafity lepsze gatunkowo powinny zdawać egzamin). Dodatkową sprawą mającą znaczenie jest zapewnienie odpowiedniego płukania dna otworu, w którym przeprowadzamy elektroerozję.

Najmniejsze zużycie elektrody …

…możliwe jest poprzez dokładne zapoznanie się z głównym czynnikiem mającym na nie wpływ, czyli z długości czasu włączenia (on-time), ustawianą na elektrodrążarce. Jego wartość zależna jest od wielkości ziarna grafitu, z którego tworzymy elektrodę. Dlatego też kwestią priorytetową jest szczegółowa wiedza na temat gatunku grafitu, z jakim mamy do czynienia. Może nic nie dać ustawienie automatycznych parametrów maszyny, nastawionych na jak najmniejsze zużycie, a to dlatego, że bazują one najczęściej na charakterystyce ogólnej grafitu. Maszyna nie jest w stanie sama rozpoznać z jakim gatunkiem i o jakiej wielkości ziarna musi się zmierzyć. Leży więc zatem w zakresie obowiązków operatora maszyny, aby dostosować parametry drążenia w taki sposób, aby zapewnić elektrodzie jak najmniejsze zużycie. Producent grafitu powinien zagwarantować swoim odbiorcom pomoc techniczną w tym zakresie, tj. zalecane parametry drążenia do typu pracy, jaką klient ma do wykonania. Bardzo przydatne mogą okazać się do tego np. wykresy obrazujące wpływ czasu włączenia (on-time) w zależności od zużycia elektrody, szybkości drążenia, jak i jakości powierzchni, którą można uzyskać.

Struktura grafitu.

Jeżeli zużycie elektrod przysparza dużo kłopotu należy zastanowić się nad użyciem lepszego gatunku grafitu. Wybór właściwego powinien znacznie zredukować ilość zużycia elektrody. W związku z tym, że każdy producent wytwarza grafity posiadające różny rozmiar ziarna (począwszy od gruboziarnistych, przez średnio, a skończywszy na drobnoziarnistych) ważne jest, aby dobrze znać właściwości tego materiału. Dla przykładu, istnieje wiele gatunków drobnoziarnistych, to znaczy tych, których ziarno jest mniejsze od 5 mikronów. Kiedy przyjrzymy się takiemu grafitowi w 100-krotnym powiększeniu ujrzymy dokładny obraz jego struktury, tj. rozmieszczenia mikroskopijnych ziaren i porów oraz ich wzajemny stosunek. Gatunki zaliczane do grafitów drobnoziarnistych mogą mieć średni rozmiar poru tak duży, jak 2,3 mikrona lub z kolei tak mały, jak 0,9 mikrona. Wielkość i równomierne rozmieszczenie porów ma znaczny wpływ na zużycie czoła i naroży elektrody. Spójrzmy na zdjęcie nr 1. Ciemne plamy w strukturze każdego z grafitów to właśnie wspomniane pory. Z kolei jasne obszary to nic innego jak ziarna grafitu. Już na pierwszy rzut oka wyraźnie widać, że istnieje różnica w strukturze każdego z przedstawionych gatunków. Wszystko to ma znaczny wpływ na wytrzymałość danego grafitu, jego obrabialność, powierzchnię końcową i co najważniejsze - także na zużycie elektrody. Gatunki z dużym ziarnem, nieregularnym rozmieszczeniem ziaren i porów zużywać się będą szybciej, aniżeli te o strukturze jednolitej, gdzie ziarna i pory są niewielkie. Materiał, którego struktura zawiera łagodne, zaokrąglone ziarna ma skłonność do lepszego zachowania się podczas drążenia. Jest bardziej wydajny – głównie ze względu na wysoką wytrzymałość i większą odporność na zużycie.

Wybór gatunku grafitu.

Cienkie żebra są jednym z wielu zastosowań elektrod grafitowych, gdzie zużycie odgrywa bardzo ważną rolę. Zapewnienie odpowiedniego płukania drążonego obszaru jest problematyczne ze względu na wielkość elektrody i głębokość otworu. Nadmierne zużycie elektrody może uniemożliwić utrzymanie szczeliny czystą, w wyniku czego precyzyjne wydrążenie żądanego kształtu może okazać się niemożliwe. Chociaż cienkie żebra produkowane są z grafitów zaliczanych do grupy drobnoziarnistych, osiągi jakie możemy nimi uzyskać uzależnione są od producenta oraz wybranego gatunku grafitowego, na jaki się zdecydowaliśmy. Dane porównawcze, którymi dysponujemy potwierdzają jednoznacznie, że wyniki drążenia różnymi gatunkami, licznych producentów różnią się znacznie.

Grafity od pięciu innych producentów zostały obrobione na elektrody żeberkowe o wymiarach 0,7 mm – wymiar końca i 19 mm szerokości. Żeberkami tymi drążono w stali narzędziowej, bez płukania, z zaprogramowanym cyklem skokowym, tzn. po fazie wypalania następowała sekunda przerwy, pozwalająca elektrodzie wydostać się ze szczeliny, automatycznie oczyszczając otwór z nagromadzonych tam ziaren grafitowych. Zastosowano dwa określone i całkiem proste programy drążenia. Pierwszy z nich to wypalanie zgrubne – 6A natężenie prądu, w celu szybkiego drążenia oraz wskazania ewentualnego braku stabilności maszyny. Kolejny z parametrów – napięcie – ustawiono na wartość 80V. Czas włączenia (on-time) 25μs, a czas wyłączenia (off-time) 4μs. Drugi program to już obróbka wykańczająca, gdzie wartość natężenia prądu wyniosła 2A, napięcie ustalono na poziomie 220V. W takich warunkach zużycie było większe, a więc dane i różnice pomiędzy gatunkami bardziej wyraźne. Czas włączenia (on-time) 25μs a czas wyłączenia (off-time) 4μs. W obu przypadkach nie mierzono uzyskanej powierzchni końcowej, drążenie przebiegało bez opcji orbitowania. Wyniki uzyskane podczas testu przedstawiono w tabeli 1 i 2.

Wyniki w tabeli 1 obrazują różnice pomiędzy danymi gatunkami grafitowymi. Przy natężeniu 6A i 25μs (on-time) szybkość usuwania metalu była całkiem przyzwoita we wszystkich przypadkach. Co się tyczy zużycia elektrod – tutaj zaobserwowano znaczne rozbieżności od 0% do 2,92% zużycia końcowego elektrody. Oznacza to, że różnica pomiędzy najmniej, a najwięcej zużywającym się gatunkiem wyniosła 192% ! Idąc dalej, zmierzono zużycie naroży elektrod. Najlepszy wynik to zużycie o wartości 24,88%. Najsłabiej wypadł grafit, którego wartość zużycia końcowego zmierzono na poziomie 44,25%. Całkowita różnica wynosi 78%, czyli jak widać w obu przypadkach jest całkiem spora. Test uwidocznił także niewielkie różnice w szybkości drążenia. Odrobinę lepiej wypadły gatunki o większym rozmiarze ziarna. Zużycie naroży elektrod podczas drążenia programem wykańczającym dało wyniki typowe dla takich parametrów. Najlepszy wynik to 56,82%, najsłabszy to 114,94%. Testując grafit przy niskim natężeniu prądu było do przewidzenia, że czoło elektrody także zużyje się mocniej. Wyniki jakie odnotowano to od 9,19% do 18,69% zużycia się elektrody. Uwydatnia to fakt, iż różnica pomiędzy nimi wynosi aż 103%, a więc to ponad 2 x więcej!!!

Podsumowując uzyskane wyniki należy zwrócić baczną uwagę na różnice, które wystąpiły pomiędzy testowanymi gatunkami grafitu. Ważnym odnotowania jest fakt, że wszystkie one pracowały na tej samej maszynie, przy identycznych parametrach drążenia. Namawiam Państwa zatem do dokładnego zapoznania się z charakterystyką danego gatunku grafitu przed jego zakupem. Wielu producentów grafitu stawia swoje wyroby na tej samej półce, co grafity najlepsze jakościowo. Żądają przy tym wprawdzie mniejszych pieniędzy, ale to nie cena jest tutaj wyznacznikiem sukcesu. Co nam po graficie, który wprawdzie kosztuje o kilkadziesiąt złotych mniej, ale jego zużycie jest wielokrotnie większe od tego droższego. Mam nadzieję, że ta prosta kalkulacja pozwoli Państwu dokonywać samych słusznych wyborów w przyszłości.

OBERON Robert Dyrda jest wyłącznym dystrybutorem grafitu francuskiego producenta MERSEN. Zapewniamy doradztwo techniczne oraz niezbędne informacje dotyczące jego eksploatacji. Gwarantujemy 1-2 dniowe terminy realizacji zamówionego materiału. Posiadamy najbogatszą ofertę grafitu na polskim rynku. Frezujemy elektrody, po dostarczeniu niezbędnej dokumentacji 2D i 3D.

Zapraszamy do współpracy!
Pozdrawiam, Dawid Hulisz
Tel. 693-371-241
E-mail: d.hulisz@oberon.pl
www.oberon.pl