1. Características de EDM (Eletroerosão) de materiais de grafite.
1.1.Velocidade de usinagem por descarga.
O grafite é um material não metálico com um ponto de fusão muito alto, de 3.650 °C, enquanto o cobre tem um ponto de fusão de 1.083 °C, portanto o eletrodo de grafite pode suportar condições de ajuste de corrente mais elevadas.
Quando a área de descarga e a escala do tamanho do eletrodo são maiores, as vantagens da usinagem de desbaste de alta eficiência do material de grafite tornam-se mais evidentes.
A condutividade térmica do grafite é um terço da do cobre, e o calor gerado durante o processo de descarga pode ser usado para remover materiais metálicos com mais eficácia. Portanto, a eficiência de processamento do grafite é maior do que a do eletrodo de cobre em processos de polimento médio e fino.
De acordo com a experiência de processamento, a velocidade de processamento de descarga do eletrodo de grafite é de 1,5 a 2 vezes mais rápida do que a do eletrodo de cobre, sob condições de uso adequadas.
1.2. Consumo de eletrodos.
O eletrodo de grafite possui a característica de suportar altas correntes. Além disso, sob condições adequadas de desbaste, incluindo a remoção de material das peças de aço carbono durante a usinagem e a decomposição das partículas de carbono em alta temperatura pelo fluido de trabalho, o efeito de polaridade faz com que, sob a ação da remoção parcial de material, as partículas de carbono adiram à superfície do eletrodo, formando uma camada protetora. Isso garante que o eletrodo de grafite apresente baixo desperdício no desbaste, ou até mesmo "desperdício zero".
A principal perda de material no processo de eletroerosão (EDM) ocorre durante o desbaste. Embora a taxa de perda seja alta nas condições de acabamento, a perda total também é baixa devido à pequena margem de usinagem reservada para as peças.
Em geral, a perda do eletrodo de grafite é menor que a do eletrodo de cobre no desbaste com alta corrente e ligeiramente maior que a do eletrodo de cobre no acabamento. A perda do eletrodo de grafite é similar.
1.3. A qualidade da superfície.
O diâmetro das partículas de grafite afeta diretamente a rugosidade da superfície obtida por eletroerosão (EDM). Quanto menor o diâmetro, menor a rugosidade superficial que pode ser alcançada.
Há alguns anos, usando partículas de grafite com diâmetro de 5 micrômetros (φ), a melhor superfície obtida foi apenas VDI18 EDM (Ra0,8 micrômetros). Atualmente, o diâmetro dos grãos de materiais de grafite pode ser reduzido para 3 micrômetros (φ), e a melhor superfície pode atingir um nível estável de VDI12 EDM (Ra0,4 μm) ou até mesmo um nível mais sofisticado, porém o eletrodo de grafite precisa ser espelhado para a eletroerosão.
O material de cobre possui baixa resistividade e estrutura compacta, podendo ser processado de forma estável mesmo em condições adversas. A rugosidade superficial pode ser inferior a Ra0,1 m, permitindo seu processamento por espelhamento.
Assim, se o processo de usinagem por descarga elétrica visa obter uma superfície extremamente fina, é mais adequado usar material de cobre como eletrodo, o que representa a principal vantagem do eletrodo de cobre sobre o eletrodo de grafite.
No entanto, sob condições de alta corrente, a superfície do eletrodo de cobre tende a ficar áspera, podendo até mesmo apresentar rachaduras. Materiais de grafite não apresentam esse problema, pois atendem aos requisitos de rugosidade superficial do padrão VDI26 (Ra 2,0 micrômetros) para o processamento em moldes. Ao utilizar um eletrodo de grafite, é possível realizar o processamento de forma progressivamente mais fina, obtendo-se um efeito de superfície uniforme e minimizando defeitos.
Além disso, devido à estrutura diferente do grafite e do cobre, o ponto de corrosão por descarga superficial do eletrodo de grafite é mais regular do que o do eletrodo de cobre. Portanto, quando se processa a mesma rugosidade superficial de VDI20 ou superior, a granularidade da superfície da peça processada pelo eletrodo de grafite é mais distinta, e esse efeito de superfície granular é melhor do que o efeito de superfície de descarga do eletrodo de cobre.
1.4. A precisão da usinagem.
O coeficiente de expansão térmica do grafite é pequeno, enquanto o do cobre é quatro vezes maior. Portanto, no processo de descarga, o eletrodo de grafite é menos propenso à deformação do que o de cobre, o que permite obter uma precisão de processamento mais estável e confiável.
Principalmente quando se processa uma nervura profunda e estreita, a alta temperatura local faz com que o eletrodo de cobre se dobre facilmente, mas o eletrodo de grafite não.
Para eletrodos de cobre com uma grande relação profundidade-diâmetro, um certo valor de expansão térmica deve ser compensado para corrigir as dimensões durante o processo de usinagem, enquanto que para eletrodos de grafite isso não é necessário.
1.5. Peso do eletrodo.
O grafite é um material menos denso que o cobre, e o peso de um eletrodo de grafite com o mesmo volume é apenas 1/5 do peso de um eletrodo de cobre.
Pode-se observar que o uso de grafite é muito adequado para eletrodos de grande volume, o que reduz significativamente a carga no fuso da máquina de eletroerosão. O eletrodo não causará inconvenientes na fixação devido ao seu grande peso, nem produzirá deslocamentos por deflexão durante o processamento, etc. Percebe-se, portanto, a grande importância do uso de eletrodos de grafite no processamento de moldes em larga escala.
1.6. Dificuldade de fabricação do eletrodo.
O desempenho de usinagem do material de grafite é bom. A resistência ao corte é apenas 1/4 da do cobre. Sob condições de processamento adequadas, a eficiência de fresagem do eletrodo de grafite é de 2 a 3 vezes maior que a do eletrodo de cobre.
O eletrodo de grafite é fácil de limpar em ângulo e pode ser usado para processar peças que normalmente exigiriam múltiplos eletrodos, transformando-as em peças que precisariam de um único acabamento.
A estrutura de partículas exclusiva do material de grafite impede a formação de rebarbas após a fresagem e conformação do eletrodo, atendendo diretamente aos requisitos de uso em processos complexos nos quais as rebarbas não são facilmente removidas. Isso elimina a necessidade de polimento manual do eletrodo e evita alterações na forma e erros dimensionais causados por esse processo.
É importante observar que, como o grafite acumula poeira, a moagem do grafite produzirá muita poeira, portanto, a máquina de moagem deve ter uma vedação e um dispositivo de coleta de poeira.
Caso seja necessário utilizar a eletroerosão (EDM) para processar eletrodos de grafite, seu desempenho de processamento não é tão bom quanto o do cobre, sendo a velocidade de corte cerca de 40% menor.
1.7. Instalação e utilização do eletrodo.
O grafite possui boa propriedade de adesão. Ele pode ser usado para unir o grafite à estrutura de fixação por meio de fresagem e descarga do eletrodo, o que dispensa o processo de usinagem do furo roscado no material do eletrodo e economiza tempo de trabalho.
O material de grafite é relativamente quebradiço, especialmente o eletrodo pequeno, estreito e comprido, que se quebra facilmente quando submetido a força externa durante o uso, mas é possível perceber imediatamente que o eletrodo foi danificado.
Se for um eletrodo de cobre, ele apenas se dobrará e não quebrará, o que é muito perigoso e difícil de detectar durante o uso, podendo levar facilmente ao descarte da peça.
1.8.Preço.
O cobre é um recurso não renovável, e sua tendência de preço é de aumento constante, enquanto o preço do grafite tende a se estabilizar.
Com o aumento do preço do cobre nos últimos anos, os principais fabricantes de grafite aprimoraram seus processos de produção, tornando-se mais competitivos. Atualmente, para o mesmo volume, o preço do grafite para eletrodos é bastante semelhante ao do cobre, mas o grafite permite um processamento mais eficiente, economizando muitas horas de trabalho em comparação com o uso de eletrodos de cobre, o que equivale a uma redução direta nos custos de produção.
Em resumo, dentre as 8 características do eletrodo de grafite para eletroerosão (EDM), suas vantagens são evidentes: a eficiência do processo de moagem e descarga é significativamente melhor do que a do eletrodo de cobre; eletrodos grandes apresentam baixo peso, boa estabilidade dimensional, eletrodos finos não se deformam facilmente e possuem textura superficial superior à do eletrodo de cobre.
A desvantagem do material de grafite é que ele não é adequado para processamento de descarga de superfície fina sob VDI12 (Ra0,4 m), e a eficiência do uso de edM para fabricar eletrodos é baixa.
No entanto, do ponto de vista prático, um dos principais fatores que afetam a promoção eficaz de materiais de grafite na China é a necessidade de máquinas especiais para o processamento de grafite na fabricação de eletrodos, o que impõe novas exigências aos equipamentos de processamento das empresas de moldes. Algumas pequenas empresas podem não possuir essa capacidade.
De modo geral, as vantagens dos eletrodos de grafite abrangem a grande maioria das aplicações de eletroerosão (EDM) e merecem ser popularizadas e aplicadas, apresentando benefícios consideráveis a longo prazo. A deficiência no processamento fino da superfície pode ser compensada com o uso de eletrodos de cobre.
2. Seleção de materiais de eletrodo de grafite para eletroerosão
Para materiais de grafite, existem principalmente os quatro indicadores a seguir que determinam diretamente o desempenho dos materiais:
1) Diâmetro médio das partículas do material
O diâmetro médio das partículas do material afeta diretamente a condição de descarga do material.
Quanto menor for o tamanho médio das partículas de grafite, mais uniforme será a descarga, mais estável será a condição de descarga, melhor será a qualidade da superfície e menor será a perda.
Quanto maior for o tamanho médio das partículas, melhor será a taxa de remoção obtida no desbaste, mas o efeito de acabamento superficial será ruim e a perda de material pelo eletrodo será grande.
2) A resistência à flexão do material
A resistência à flexão de um material é um reflexo direto de sua resistência, indicando a rigidez de sua estrutura interna.
O material com alta resistência apresenta um desempenho relativamente bom em termos de resistência à descarga. Para eletrodos de alta precisão, deve-se selecionar, sempre que possível, um material com boa resistência.
3) Dureza Shore do material
O grafite é mais duro que os materiais metálicos, e a perda de material na ferramenta de corte é maior do que no corte de metal.
Ao mesmo tempo, a alta dureza do material de grafite proporciona melhor controle das perdas por descarga.
4) A resistividade intrínseca do material
A taxa de descarga de um material de grafite com alta resistividade intrínseca será mais lenta do que a de um material com baixa resistividade.
Quanto maior a resistividade intrínseca, menor a perda no eletrodo, mas, ao mesmo tempo, maior será a estabilidade da descarga.
Atualmente, existem muitos tipos diferentes de grafite disponíveis dos principais fornecedores mundiais.
De modo geral, de acordo com o diâmetro médio das partículas de materiais de grafite a serem classificados, partículas com diâmetro ≤ 4 µm são definidas como grafite fina, partículas entre 5 e 10 µm são definidas como grafite média e partículas com diâmetro superior a 10 µm são definidas como grafite grossa.
Quanto menor o diâmetro das partículas, mais caro é o material; portanto, o material de grafite mais adequado pode ser selecionado de acordo com os requisitos e o custo da eletroerosão.
3. Fabricação do eletrodo de grafite
O eletrodo de grafite é fabricado principalmente por moagem.
Do ponto de vista da tecnologia de processamento, grafite e cobre são dois materiais diferentes, e suas diferentes características de corte devem ser dominadas.
Se o eletrodo de grafite for processado pelo mesmo processo que o eletrodo de cobre, inevitavelmente ocorrerão problemas, como fraturas frequentes da lâmina, o que exige o uso de ferramentas de corte e parâmetros de corte adequados.
A usinagem de eletrodos de grafite apresenta maior desgaste do que a usinagem de eletrodos de cobre. Considerando o aspecto econômico, a escolha de ferramentas de metal duro é a mais vantajosa. Embora as ferramentas revestidas de diamante (também chamadas de "facas de grafite") sejam mais caras, elas possuem longa vida útil, alta precisão de usinagem e, no geral, oferecem um bom custo-benefício.
O tamanho do ângulo frontal da ferramenta também afeta sua vida útil. Uma ferramenta com ângulo frontal de 0° terá uma vida útil até 50% maior do que uma com ângulo frontal de 15°, além de apresentar melhor estabilidade de corte. No entanto, quanto maior o ângulo, melhor o acabamento superficial. O uso de uma ferramenta com ângulo de 15° permite obter o melhor acabamento superficial.
A velocidade de corte na usinagem pode ser ajustada de acordo com o formato do eletrodo, geralmente 10 m/min, similar à usinagem de alumínio ou plástico. Na usinagem de desbaste, a ferramenta de corte pode entrar e sair diretamente da peça, enquanto na usinagem de acabamento ocorre com facilidade o colapso do ângulo e a fragmentação da peça, sendo frequentemente adotado o método de deslocamento rápido da ferramenta com lâmina leve.
O eletrodo de grafite, durante o processo de corte, produz muita poeira. Para evitar que as partículas de grafite sejam aspiradas pelo eixo e parafuso da máquina, existem duas soluções principais atualmente: uma é usar uma máquina especial para processamento de grafite, ou a outra é adaptar o centro de usinagem comum, equipando-o com um dispositivo especial de coleta de poeira.
A fresadora de grafite de alta velocidade disponível no mercado possui alta eficiência de fresagem e pode facilmente concluir a fabricação de eletrodos complexos com alta precisão e boa qualidade de superfície.
Caso seja necessário utilizar eletroerosão (EDM) para fabricar um eletrodo de grafite, recomenda-se o uso de um material de grafite fino com diâmetro de partícula menor.
O desempenho de usinagem do grafite é ruim; quanto menor o diâmetro das partículas, maior a eficiência de corte que pode ser obtida, e problemas anormais, como quebra frequente do fio e rebarbas na superfície, podem ser evitados.
4. Parâmetros EDM do eletrodo de grafite
A seleção dos parâmetros de eletroerosão (EDM) para grafite e cobre é bastante diferente.
Os parâmetros do EDM incluem principalmente corrente, largura do pulso, intervalo entre pulsos e polaridade.
A seguir, descrevemos os fundamentos para o uso racional desses principais parâmetros.
A densidade de corrente do eletrodo de grafite é geralmente de 10 a 12 A/cm², muito maior do que a do eletrodo de cobre. Portanto, dentro da faixa de corrente permitida na área correspondente, quanto maior a corrente selecionada, mais rápida será a velocidade de processamento da descarga da grafite, menor será a perda do eletrodo, mas a rugosidade da superfície será maior.
Quanto maior a largura do pulso, menor será a perda do eletrodo.
No entanto, uma largura de pulso maior piorará a estabilidade do processamento, tornando-o mais lento e a superfície mais áspera.
Para garantir baixa perda de eletrodo durante o desbaste, geralmente utiliza-se uma largura de pulso relativamente grande, que pode efetivamente realizar o desbaste de eletrodos de grafite com baixa perda quando o valor está entre 100 e 300 US.
Para obter uma superfície fina e um efeito de descarga estável, deve-se escolher uma largura de pulso menor.
Em geral, a largura do pulso do eletrodo de grafite é cerca de 40% menor que a do eletrodo de cobre.
A distância entre os pulsos afeta principalmente a velocidade e a estabilidade da usinagem por descarga. Quanto maior o valor, melhor será a estabilidade da usinagem, o que contribui para uma melhor uniformidade da superfície, porém a velocidade de usinagem será reduzida.
Sob a condição de garantir a estabilidade do processamento, uma maior eficiência pode ser obtida escolhendo-se um intervalo de pulso menor, mas quando o estado de descarga é instável, uma maior eficiência pode ser obtida escolhendo-se um intervalo de pulso maior.
Na usinagem por eletroerosão com eletrodo de grafite, a distância entre os pulsos e a largura do pulso são geralmente definidas como 1:1, enquanto na usinagem com eletrodo de cobre, a distância entre os pulsos e a largura do pulso são geralmente definidas como 1:3.
Sob processamento estável de grafite, a relação de correspondência entre o intervalo de pulso e a largura do pulso pode ser ajustada para 2:3.
No caso de pulsos de baixa amplitude, é benéfico formar uma camada protetora na superfície do eletrodo, o que ajuda a reduzir as perdas no eletrodo.
A seleção da polaridade do eletrodo de grafite na eletroerosão é basicamente a mesma que a do eletrodo de cobre.
Devido ao efeito de polaridade da eletroerosão (EDM), a usinagem com polaridade positiva é geralmente utilizada na usinagem de aço para matrizes, ou seja, o eletrodo é conectado ao polo positivo da fonte de alimentação e a peça de trabalho é conectada ao polo negativo da fonte de alimentação.
Utilizando corrente elevada e largura de pulso, a usinagem com polaridade positiva permite obter perdas extremamente baixas nos eletrodos. Se a polaridade estiver invertida, as perdas nos eletrodos serão muito elevadas.
Somente quando se exige um processamento fino da superfície inferior a VDI18 (Ra0,8 m) e a largura do pulso é muito pequena, utiliza-se o processamento com polaridade negativa para obter melhor qualidade da superfície, porém a perda do eletrodo é grande.
Agora, as máquinas-ferramenta CNC de eletroerosão (edM) estão equipadas com parâmetros de usinagem por descarga de grafite.
A utilização de parâmetros elétricos é inteligente e pode ser gerada automaticamente pelo sistema especialista da máquina-ferramenta.
Geralmente, a máquina pode configurar os parâmetros de processamento otimizados selecionando o par de materiais, o tipo de aplicação, o valor da rugosidade da superfície e inserindo a área de processamento, a profundidade de processamento, a escala do tamanho do eletrodo, etc., durante a programação.
A biblioteca de parâmetros de processamento para eletrodos de grafite em máquinas de eletroerosão oferece diversas opções, permitindo selecionar o tipo de material, desde grafite grosso até grafite fino, que corresponde a uma variedade de materiais de peças. Além disso, é possível subdividir o tipo de aplicação em padrões, ranhuras profundas, pontas afiadas, grandes áreas e grandes cavidades, entre outros. Também oferece opções de prioridade de processamento com baixa perda, padrão e alta eficiência.
5. Conclusão
O novo material de eletrodo de grafite merece ser amplamente divulgado e suas vantagens serão gradualmente reconhecidas e aceitas pela indústria nacional de fabricação de moldes.
A seleção correta de materiais para eletrodos de grafite e o aprimoramento das etapas tecnológicas relacionadas trarão benefícios como alta eficiência, alta qualidade e baixo custo para as empresas de fabricação de moldes.
Data da publicação: 04/12/2020