1. Đặc tính gia công EDM của vật liệu than chì.
1.1. Tốc độ gia công đầu ra.
Than chì là một vật liệu phi kim loại có điểm nóng chảy rất cao, lên tới 3.650 °C, trong khi đồng có điểm nóng chảy là 1.083 °C, do đó điện cực than chì có thể chịu được điều kiện dòng điện cao hơn.
Khi diện tích phóng điện và kích thước điện cực lớn hơn, ưu điểm của việc gia công thô vật liệu than chì hiệu quả cao càng rõ rệt hơn.
Độ dẫn nhiệt của than chì chỉ bằng 1/3 so với đồng, và nhiệt lượng sinh ra trong quá trình phóng điện có thể được sử dụng để loại bỏ vật liệu kim loại hiệu quả hơn. Do đó, hiệu suất gia công của than chì cao hơn so với điện cực đồng trong các quá trình gia công trung bình và tinh.
Theo kinh nghiệm thực tế, tốc độ xử lý phóng điện của điện cực than chì nhanh hơn 1,5~2 lần so với điện cực đồng trong điều kiện sử dụng thích hợp.
1.2. Sự tiêu hao điện cực.
Điện cực than chì có đặc tính chịu được dòng điện cao, ngoài ra, dưới điều kiện thiết lập gia công thô phù hợp, bao gồm cả việc loại bỏ vật liệu trong quá trình gia công các chi tiết thép carbon và sự phân hủy các hạt carbon ở nhiệt độ cao của chất lỏng làm việc, hiệu ứng phân cực, dưới tác động của việc loại bỏ một phần vật liệu, các hạt carbon sẽ bám vào bề mặt điện cực tạo thành một lớp bảo vệ, đảm bảo điện cực than chì bị hao hụt ít trong quá trình gia công thô, hoặc thậm chí là "không hao phí".
Sự hao hụt điện cực chính trong gia công EDM đến từ quá trình gia công thô. Mặc dù tỷ lệ hao hụt cao trong điều kiện thiết lập gia công tinh, nhưng tổng hao hụt vẫn thấp do lượng dư gia công dành cho các chi tiết nhỏ.
Nhìn chung, sự hao mòn của điện cực than chì ít hơn so với điện cực đồng trong gia công thô với dòng điện lớn và nhiều hơn một chút so với điện cực đồng trong gia công tinh. Sự hao mòn của điện cực than chì tương tự như điện cực đồng.
1.3. Chất lượng bề mặt.
Đường kính hạt của vật liệu than chì ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt của quá trình gia công EDM. Đường kính càng nhỏ, độ nhám bề mặt thu được càng thấp.
Vài năm trước, khi sử dụng vật liệu than chì có đường kính hạt phi 5 micron, bề mặt tốt nhất chỉ đạt được VDI18 edm (Ra0,8 micron). Hiện nay, đường kính hạt của vật liệu than chì đã có thể đạt được trong vòng 3 micron, bề mặt tốt nhất có thể đạt được VDI12 edm ổn định (Ra0,4 μm) hoặc mức độ tinh xảo hơn, nhưng điện cực than chì lại phản chiếu quá trình gia công EDM.
Vật liệu đồng có điện trở suất thấp và cấu trúc nhỏ gọn, có thể gia công ổn định trong điều kiện khó khăn. Độ nhám bề mặt có thể nhỏ hơn Ra0,1 µm và có thể được gia công bằng phương pháp đánh bóng gương.
Do đó, nếu gia công bằng phóng điện hướng đến bề mặt cực kỳ mịn, thì việc sử dụng vật liệu đồng làm điện cực sẽ phù hợp hơn, đây là ưu điểm chính của điện cực đồng so với điện cực than chì.
Tuy nhiên, với điện cực đồng, dưới điều kiện dòng điện lớn, bề mặt điện cực dễ bị thô ráp, thậm chí xuất hiện vết nứt, trong khi vật liệu than chì không gặp vấn đề này. Yêu cầu về độ nhám bề mặt đối với gia công khuôn VDI26 (Ra2.0 micron), việc sử dụng điện cực than chì có thể thực hiện từ gia công thô đến gia công tinh, đạt được hiệu quả bề mặt đồng đều và giảm thiểu khuyết tật bề mặt.
Ngoài ra, do cấu trúc khác nhau giữa than chì và đồng, điểm ăn mòn phóng điện bề mặt của điện cực than chì đều hơn so với điện cực đồng. Do đó, khi gia công cùng độ nhám bề mặt VDI20 trở lên, độ hạt bề mặt của phôi được gia công bằng điện cực than chì rõ nét hơn, và hiệu ứng bề mặt hạt này tốt hơn so với hiệu ứng bề mặt phóng điện của điện cực đồng.
1.4. Độ chính xác gia công.
Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu than chì nhỏ, trong khi hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu đồng gấp 4 lần so với vật liệu than chì. Do đó, trong quá trình gia công phóng điện, điện cực than chì ít bị biến dạng hơn điện cực đồng, giúp đạt được độ chính xác gia công ổn định và đáng tin cậy hơn.
Đặc biệt khi gia công các rãnh sâu và hẹp, nhiệt độ cao cục bộ làm cho điện cực đồng dễ bị uốn cong, nhưng điện cực than chì thì không.
Đối với điện cực đồng có tỷ lệ chiều sâu/đường kính lớn, cần phải bù trừ một giá trị giãn nở nhiệt nhất định để điều chỉnh kích thước trong quá trình gia công, trong khi điện cực than chì thì không cần thiết.
1.5. Trọng lượng điện cực.
Vật liệu than chì có mật độ thấp hơn đồng, và trọng lượng của điện cực than chì có cùng thể tích chỉ bằng 1/5 trọng lượng của điện cực đồng.
Có thể thấy rằng việc sử dụng than chì rất phù hợp cho điện cực có thể tích lớn, giúp giảm đáng kể tải trọng lên trục chính của máy công cụ EDM. Điện cực sẽ không gây bất tiện trong việc kẹp giữ do trọng lượng lớn, và sẽ không tạo ra sự dịch chuyển lệch trong quá trình gia công, v.v. Như vậy, việc sử dụng điện cực than chì có ý nghĩa rất quan trọng trong gia công khuôn mẫu quy mô lớn.
1.6. Khó khăn trong sản xuất điện cực.
Vật liệu than chì có hiệu suất gia công tốt. Điện trở cắt chỉ bằng 1/4 so với đồng. Dưới điều kiện gia công thích hợp, hiệu suất phay điện cực than chì cao gấp 2-3 lần so với điện cực đồng.
Điện cực than chì dễ dàng làm sạch góc, và có thể được sử dụng để gia công phôi cần nhiều điện cực thành một điện cực duy nhất.
Cấu trúc hạt độc đáo của vật liệu than chì ngăn ngừa sự hình thành gờ sau quá trình phay và tạo hình điện cực, đáp ứng trực tiếp yêu cầu sử dụng khi gờ không dễ loại bỏ trong quá trình tạo hình phức tạp, từ đó loại bỏ quá trình đánh bóng điện cực thủ công và tránh được sự thay đổi hình dạng và sai lệch kích thước do quá trình đánh bóng gây ra.
Cần lưu ý rằng, vì than chì là vật liệu tích tụ dạng bụi, việc nghiền than chì sẽ tạo ra rất nhiều bụi, do đó máy nghiền phải có gioăng kín và thiết bị thu gom bụi.
Nếu cần sử dụng EDM để gia công điện cực than chì, hiệu suất gia công của nó không tốt bằng vật liệu đồng, tốc độ cắt chậm hơn khoảng 40% so với đồng.
1.7. Lắp đặt và sử dụng điện cực.
Vật liệu than chì có đặc tính liên kết tốt. Nó có thể được sử dụng để liên kết than chì với đồ gá bằng cách phay điện cực và phóng điện, giúp tiết kiệm công đoạn gia công lỗ vít trên vật liệu điện cực và tiết kiệm thời gian làm việc.
Vật liệu than chì tương đối giòn, đặc biệt là các điện cực nhỏ, hẹp và dài, dễ bị gãy khi chịu tác động của lực bên ngoài trong quá trình sử dụng, nhưng có thể nhận biết ngay khi điện cực bị hư hỏng.
Nếu là điện cực bằng đồng, nó sẽ chỉ bị uốn cong chứ không gãy, điều này rất nguy hiểm và khó phát hiện trong quá trình sử dụng, và dễ dẫn đến việc làm hỏng sản phẩm.
1.8. Giá cả.
Đồng là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo, xu hướng giá cả sẽ ngày càng tăng cao, trong khi giá than chì có xu hướng ổn định.
Giá nguyên liệu đồng tăng cao trong những năm gần đây, các nhà sản xuất than chì lớn đã cải tiến quy trình sản xuất để tạo lợi thế cạnh tranh. Hiện nay, với cùng một khối lượng, giá nguyên liệu điện cực than chì và giá nguyên liệu điện cực đồng khá tương đồng, nhưng than chì có thể được gia công hiệu quả hơn, tiết kiệm được nhiều giờ làm việc hơn so với việc sử dụng điện cực đồng, tương đương với việc giảm chi phí sản xuất trực tiếp.
Tóm lại, trong số 8 đặc tính edM của điện cực than chì, ưu điểm của nó rất rõ ràng: hiệu quả gia công điện cực và xử lý phóng điện tốt hơn đáng kể so với điện cực đồng; điện cực lớn có trọng lượng nhẹ, độ ổn định kích thước tốt, điện cực mỏng khó bị biến dạng và bề mặt có kết cấu tốt hơn điện cực đồng.
Nhược điểm của vật liệu than chì là không phù hợp cho quá trình xử lý phóng điện bề mặt mịn dưới VDI12 (Ra0,4 m), và hiệu suất sử dụng edM để chế tạo điện cực thấp.
Tuy nhiên, xét từ góc độ thực tiễn, một trong những lý do quan trọng ảnh hưởng đến việc quảng bá hiệu quả vật liệu than chì ở Trung Quốc là cần có máy móc chuyên dụng để gia công điện cực than chì, điều này đặt ra những yêu cầu mới đối với thiết bị gia công của các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu, và một số doanh nghiệp nhỏ có thể không đáp ứng được điều kiện này.
Nhìn chung, ưu điểm của điện cực than chì bao phủ phần lớn các trường hợp gia công EDM và đáng được phổ biến và ứng dụng, mang lại lợi ích lâu dài đáng kể. Nhược điểm về khả năng gia công bề mặt tinh xảo có thể được bù đắp bằng cách sử dụng điện cực đồng.
2. Lựa chọn vật liệu điện cực than chì cho gia công EDM
Đối với vật liệu than chì, chủ yếu có bốn chỉ số sau đây trực tiếp quyết định hiệu suất của vật liệu:
1) Đường kính hạt trung bình của vật liệu
Đường kính hạt trung bình của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện thải vật liệu.
Kích thước hạt than chì trung bình càng nhỏ thì quá trình phóng điện càng đồng đều, điều kiện phóng điện càng ổn định, chất lượng bề mặt càng tốt và tổn thất càng ít.
Kích thước hạt trung bình càng lớn thì tốc độ loại bỏ vật liệu càng tốt trong gia công thô, nhưng hiệu quả bề mặt của gia công tinh lại kém và hao phí điện cực lớn.
2) Độ bền uốn của vật liệu
Độ bền uốn của vật liệu phản ánh trực tiếp độ bền của nó, cho thấy độ chặt chẽ của cấu trúc bên trong.
Vật liệu có độ bền cao có khả năng chống phóng điện tương đối tốt. Đối với điện cực có độ chính xác cao, nên lựa chọn vật liệu có độ bền tốt nhất có thể.
3) Độ cứng Shore của vật liệu
Than chì cứng hơn các vật liệu kim loại, và sự hao mòn của dụng cụ cắt lớn hơn so với kim loại được sử dụng để cắt.
Đồng thời, độ cứng cao của vật liệu than chì giúp kiểm soát tổn thất phóng điện tốt hơn.
4) Điện trở suất vốn có của vật liệu
Tốc độ phóng điện của vật liệu than chì có điện trở suất cao sẽ chậm hơn so với vật liệu có điện trở suất thấp.
Điện trở suất nội tại càng cao thì tổn hao điện cực càng nhỏ, nhưng điện trở suất nội tại càng cao thì độ ổn định của quá trình phóng điện càng bị ảnh hưởng.
Hiện nay, có rất nhiều loại than chì khác nhau được cung cấp bởi các nhà cung cấp than chì hàng đầu thế giới.
Nhìn chung, dựa trên đường kính hạt trung bình của vật liệu than chì cần phân loại, đường kính hạt ≤ 4 µm được định nghĩa là than chì mịn, hạt có đường kính từ 5 đến 10 µm được định nghĩa là than chì trung bình, và hạt có đường kính từ 10 µm trở lên được định nghĩa là than chì thô.
Đường kính hạt càng nhỏ thì vật liệu càng đắt tiền, do đó, tùy thuộc vào yêu cầu và chi phí của quá trình gia công EDM, người ta càng có thể lựa chọn loại vật liệu than chì phù hợp hơn.
3. Chế tạo điện cực than chì
Điện cực than chì chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp nghiền.
Từ góc độ công nghệ gia công, than chì và đồng là hai vật liệu khác nhau, và cần phải nắm vững các đặc tính cắt khác nhau của chúng.
Nếu điện cực than chì được gia công bằng quy trình điện cực đồng, chắc chắn sẽ phát sinh các vấn đề, chẳng hạn như tấm bị gãy thường xuyên, đòi hỏi phải sử dụng các dụng cụ cắt và thông số cắt phù hợp.
Gia công điện cực than chì dễ bị mòn hơn điện cực đồng, xét về mặt kinh tế, lựa chọn dụng cụ bằng cacbua là tiết kiệm nhất, lựa chọn dụng cụ phủ kim cương (gọi là dao than chì) có giá đắt hơn, nhưng dụng cụ phủ kim cương có tuổi thọ cao, độ chính xác gia công cao, nên lợi ích kinh tế tổng thể tốt hơn.
Góc nghiêng phía trước của dụng cụ cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ của nó. Dụng cụ có góc nghiêng phía trước 0° sẽ có tuổi thọ cao hơn tới 50% so với dụng cụ có góc nghiêng phía trước 15°, độ ổn định khi cắt cũng tốt hơn. Tuy nhiên, góc càng lớn thì bề mặt gia công càng tốt, việc sử dụng dụng cụ có góc nghiêng 15° có thể đạt được bề mặt gia công tốt nhất.
Tốc độ cắt trong gia công cơ khí có thể được điều chỉnh theo hình dạng của điện cực, thường là 10m/phút, tương tự như gia công nhôm hoặc nhựa. Trong gia công thô, dụng cụ cắt có thể trực tiếp lên và xuống phôi, còn trong gia công tinh, hiện tượng sụp đổ góc và vỡ vụn dễ xảy ra, do đó phương pháp di chuyển nhanh dao nhẹ thường được áp dụng.
Trong quá trình cắt gọt, điện cực than chì sẽ tạo ra rất nhiều bụi. Để tránh bụi than chì bám vào trục chính và vít của máy, hiện nay có hai giải pháp chính: một là sử dụng máy gia công than chì chuyên dụng, hai là cải tiến trung tâm gia công thông thường bằng cách trang bị thêm thiết bị hút bụi chuyên dụng.
Máy phay tốc độ cao chuyên dụng bằng than chì trên thị trường có hiệu suất phay cao và có thể dễ dàng hoàn thành việc chế tạo các điện cực phức tạp với độ chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt.
Nếu cần gia công EDM để chế tạo điện cực than chì, nên sử dụng vật liệu than chì mịn với đường kính hạt nhỏ hơn.
Khả năng gia công của than chì kém, đường kính hạt càng nhỏ thì hiệu quả cắt càng cao, đồng thời tránh được các vấn đề bất thường như đứt dây thường xuyên và các vết rạn trên bề mặt.
4. Các thông số EDM của điện cực than chì
Việc lựa chọn các thông số gia công EDM cho than chì và đồng khá khác nhau.
Các thông số chính của EDM bao gồm dòng điện, độ rộng xung, khoảng cách giữa các xung và cực tính.
Phần sau đây mô tả cơ sở cho việc sử dụng hợp lý các thông số chính này.
Mật độ dòng điện của điện cực than chì thường là 10~12 A/cm2, lớn hơn nhiều so với điện cực đồng. Do đó, trong phạm vi dòng điện cho phép trong khu vực tương ứng, dòng điện càng lớn thì tốc độ xử lý phóng điện của than chì càng nhanh, tổn thất điện cực càng nhỏ, nhưng độ nhám bề mặt sẽ càng lớn.
Độ rộng xung càng lớn thì tổn hao điện cực càng thấp.
Tuy nhiên, độ rộng xung lớn hơn sẽ làm giảm độ ổn định của quá trình xử lý, làm chậm tốc độ xử lý và làm cho bề mặt thô ráp hơn.
Để đảm bảo tổn thất điện cực thấp trong quá trình gia công thô, người ta thường sử dụng độ rộng xung tương đối lớn, có thể thực hiện gia công điện cực than chì với tổn thất thấp một cách hiệu quả khi giá trị nằm trong khoảng từ 100 đến 300 US.
Để có được bề mặt tốt và hiệu ứng phóng điện ổn định, cần chọn độ rộng xung nhỏ hơn.
Nhìn chung, độ rộng xung của điện cực than chì thường nhỏ hơn khoảng 40% so với điện cực đồng.
Khoảng cách xung chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ gia công và độ ổn định gia công. Giá trị càng lớn, độ ổn định gia công càng tốt, giúp đạt được độ đồng đều bề mặt tốt hơn, nhưng tốc độ gia công sẽ giảm.
Trong điều kiện đảm bảo tính ổn định của quá trình xử lý, hiệu suất xử lý cao hơn có thể đạt được bằng cách chọn khoảng cách xung nhỏ hơn, nhưng khi trạng thái phóng điện không ổn định, hiệu suất xử lý cao hơn có thể đạt được bằng cách chọn khoảng cách xung lớn hơn.
Trong gia công bằng điện cực than chì, khoảng cách xung và độ rộng xung thường được đặt ở tỷ lệ 1:1, trong khi ở gia công bằng điện cực đồng, khoảng cách xung và độ rộng xung thường được đặt ở tỷ lệ 1:3.
Trong điều kiện xử lý than chì ổn định, tỷ lệ phù hợp giữa khoảng cách xung và độ rộng xung có thể được điều chỉnh đến 2:3.
Trong trường hợp xung điện nhỏ, việc tạo một lớp phủ trên bề mặt điện cực sẽ có lợi, giúp giảm tổn hao điện cực.
Việc lựa chọn cực tính của điện cực than chì trong gia công EDM về cơ bản giống như việc lựa chọn điện cực đồng.
Theo nguyên lý phân cực của EDM, gia công phân cực dương thường được sử dụng khi gia công thép khuôn, nghĩa là điện cực được nối với cực dương của nguồn điện, và phôi được nối với cực âm của nguồn điện.
Bằng cách sử dụng dòng điện và độ rộng xung lớn, việc chọn gia công cực dương có thể đạt được tổn thất điện cực cực thấp. Nếu sai cực, tổn thất điện cực sẽ trở nên rất lớn.
Chỉ khi bề mặt cần được gia công tinh xảo với độ chính xác nhỏ hơn VDI18 (Ra0.8 m) và độ rộng xung rất nhỏ, phương pháp gia công cực âm mới được sử dụng để đạt được chất lượng bề mặt tốt hơn, nhưng tổn thất điện cực sẽ lớn.
Hiện nay, các máy công cụ CNC EDM được trang bị các thông số gia công bằng phóng điện than chì.
Việc sử dụng các thông số điện rất thông minh và có thể được tạo ra tự động bởi hệ thống chuyên gia của máy công cụ.
Nhìn chung, máy có thể cấu hình các thông số xử lý tối ưu bằng cách chọn cặp vật liệu, loại ứng dụng, giá trị độ nhám bề mặt và nhập diện tích xử lý, độ sâu xử lý, tỷ lệ kích thước điện cực, v.v. trong quá trình lập trình.
Thư viện thông số gia công phong phú dành cho điện cực than chì của máy công cụ EDM cho phép lựa chọn nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm than chì thô, than chì mịn, và nhiều loại vật liệu phôi khác. Thư viện cũng phân loại theo loại ứng dụng như tiêu chuẩn, rãnh sâu, đầu nhọn, diện tích lớn, khoang lớn, v.v., cung cấp nhiều lựa chọn ưu tiên gia công như tổn thất thấp, tiêu chuẩn, hiệu suất cao, v.v.
5. Kết luận
Vật liệu điện cực than chì mới này đáng được phổ biến rộng rãi và những ưu điểm của nó sẽ dần được ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu trong nước công nhận và chấp nhận.
Việc lựa chọn đúng vật liệu điện cực than chì và cải thiện các khâu công nghệ liên quan sẽ mang lại hiệu quả cao, chất lượng cao và lợi ích chi phí thấp cho các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu.
Thời gian đăng bài: 04/12/2020