استخدام قطب الجرافيت في تصنيع القوالب بالتفريغ الكهربائي

1. خصائص المواد الجرافيتية في عملية التصنيع باستخدام التفريغ الكهربائي.

1.1. سرعة تشغيل التفريغ.

الجرافيت مادة غير معدنية ذات نقطة انصهار عالية جدًا تبلغ 3650 درجة مئوية، بينما تبلغ نقطة انصهار النحاس 1083 درجة مئوية، لذلك يمكن لقطب الجرافيت أن يتحمل ظروف ضبط التيار الأكبر.
عندما تكون مساحة التفريغ وحجم القطب الكهربائي أكبر، تصبح مزايا التشغيل الخشن عالي الكفاءة لمادة الجرافيت أكثر وضوحًا.
تبلغ الموصلية الحرارية للجرافيت ثلث موصلية النحاس، ويمكن استخدام الحرارة المتولدة أثناء عملية التفريغ لإزالة المواد المعدنية بكفاءة أكبر. لذلك، تكون كفاءة معالجة الجرافيت أعلى من كفاءة قطب النحاس في عمليات المعالجة المتوسطة والدقيقة.
وفقًا لتجربة المعالجة، فإن سرعة معالجة التفريغ لقطب الجرافيت أسرع بمقدار 1.5 إلى 2 مرة من سرعة معالجة قطب النحاس في ظل ظروف الاستخدام الصحيحة.

1.2. استهلاك الأقطاب الكهربائية.

يتميز قطب الجرافيت بقدرته على تحمل ظروف التيار العالي، بالإضافة إلى أنه في ظل ظروف التشغيل الخشن المناسبة، بما في ذلك قطع العمل المصنوعة من الفولاذ الكربوني التي يتم إنتاجها أثناء عملية إزالة المحتوى وتحلل جزيئات الكربون في سائل التشغيل عند درجة حرارة عالية، فإن تأثير القطبية، تحت تأثير الإزالة الجزئية للمحتوى، ستلتصق جزيئات الكربون بسطح القطب لتشكيل طبقة واقية، مما يضمن فقدانًا ضئيلاً لقطب الجرافيت في التشغيل الخشن، أو حتى "صفر نفايات".
ينتج الفقد الرئيسي في قطب التفريغ الكهربائي عن عمليات التشغيل الخشنة. ورغم ارتفاع معدل الفقد في ظروف التشغيل النهائية، إلا أن الفقد الإجمالي منخفض أيضاً نظراً لصغر هامش التشغيل المخصص للأجزاء.
بشكل عام، يكون فقد الطاقة في قطب الجرافيت أقل من فقد الطاقة في قطب النحاس في عمليات التشغيل الخشن بتيار عالٍ، وأكثر قليلاً من فقد الطاقة في قطب النحاس في عمليات التشغيل النهائي. أما فقد الطاقة في قطب الجرافيت فهو متقارب.

1.3. جودة السطح.

يؤثر قطر جسيمات مادة الجرافيت بشكل مباشر على خشونة سطح عملية التفريغ الكهربائي. فكلما صغر القطر، انخفضت خشونة السطح التي يمكن الحصول عليها.
قبل بضع سنوات، باستخدام مادة الجرافيت ذات جسيمات قطرها 5 ميكرون، كان أفضل سطح يمكن أن يحقق فقط VDI18 edm (Ra0.8 ميكرون)، أما الآن فقد أصبح قطر حبيبات مواد الجرافيت في حدود 3 ميكرون من phi، ويمكن لأفضل سطح أن يحقق VDI12 edm مستقر (Ra0.4 ميكرون) أو مستوى أكثر تطوراً، ولكن قطب الجرافيت يعكس edm.
تتميز مادة النحاس بمقاومة كهربائية منخفضة وبنية متراصة، ويمكن معالجتها بثبات حتى في الظروف الصعبة. ويمكن أن تقل خشونة سطحها عن 0.1 ميكرومتر (Ra)، كما يمكن معالجتها باستخدام تقنية الصقل المرآوي.

وبالتالي، إذا كانت عملية التصنيع بالتفريغ تسعى إلى الحصول على سطح دقيق للغاية، فمن الأنسب استخدام مادة النحاس كقطب كهربائي، وهي الميزة الرئيسية لقطب النحاس مقارنة بقطب الجرافيت.
لكن في ظل ظروف التيار العالي، يصبح سطح قطب النحاس خشنًا بسهولة، وقد تظهر عليه تشققات، بينما لا تعاني مواد الجرافيت من هذه المشكلة. متطلبات خشونة السطح لمعيار VDI26 (Ra2.0 ميكرون) فيما يتعلق بمعالجة القوالب، باستخدام قطب الجرافيت، يمكن إجراء معالجة من الخشن إلى الناعم، مما يحقق تأثيرًا سطحيًا موحدًا، ويقلل من عيوب السطح.
بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لاختلاف بنية الجرافيت والنحاس، فإن نقطة تآكل التفريغ السطحي لقطب الجرافيت تكون أكثر انتظامًا من تلك الخاصة بقطب النحاس. لذلك، عند معالجة سطح بنفس خشونة VDI20 أو أعلى، تكون حبيبات سطح قطعة العمل المعالجة بقطب الجرافيت أكثر وضوحًا، ويكون تأثير سطح الحبيبات هذا أفضل من تأثير سطح التفريغ لقطب النحاس.

1.4. دقة التشغيل الآلي.

معامل التمدد الحراري لمادة الجرافيت صغير، ومعامل التمدد الحراري لمادة النحاس هو 4 أضعاف معامل التمدد الحراري لمادة الجرافيت، لذلك في عملية التفريغ، يكون قطب الجرافيت أقل عرضة للتشوه من قطب النحاس، مما يتيح الحصول على دقة معالجة أكثر استقرارًا وموثوقية.
وخاصة عند معالجة الأضلاع العميقة والضيقة، فإن درجة الحرارة العالية الموضعية تجعل قطب النحاس ينحني بسهولة، لكن قطب الجرافيت لا ينحني.
بالنسبة لقطب النحاس ذي نسبة العمق إلى القطر الكبيرة، يجب تعويض قيمة معينة للتمدد الحراري لتصحيح الحجم أثناء ضبط التشغيل، بينما لا يلزم ذلك بالنسبة لقطب الجرافيت.

1.5. وزن القطب الكهربائي.

مادة الجرافيت أقل كثافة من النحاس، ووزن قطب الجرافيت ذي الحجم نفسه هو 1/5 فقط من وزن قطب النحاس.
يتضح أن استخدام الجرافيت مناسب جدًا للأقطاب الكهربائية ذات الحجم الكبير، مما يقلل بشكل كبير من الحمل على مغزل آلة التفريغ الكهربائي. لن يُسبب هذا القطب أي صعوبة في التثبيت نظرًا لوزنه الكبير، كما أنه سيُحدث انحرافًا أثناء عملية التصنيع. لذا، يتضح أن استخدام قطب الجرافيت في عمليات تصنيع القوالب واسعة النطاق ذو أهمية بالغة.

1.6. صعوبة تصنيع الأقطاب الكهربائية.

تتميز مادة الجرافيت بأداء تشغيلي جيد، حيث تبلغ مقاومتها للقطع ربع مقاومة النحاس فقط. وفي ظل ظروف التشغيل الصحيحة، تصل كفاءة طحن قطب الجرافيت إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف كفاءة طحن قطب النحاس.
يسهل تنظيف زاوية قطب الجرافيت، ويمكن استخدامه لمعالجة قطعة العمل التي يجب تشطيبها بواسطة أقطاب كهربائية متعددة في قطب كهربائي واحد.
تمنع البنية الجزيئية الفريدة لمادة الجرافيت حدوث النتوءات بعد طحن وتشكيل القطب الكهربائي، مما يلبي متطلبات الاستخدام بشكل مباشر عندما لا تتم إزالة النتوءات بسهولة في عملية النمذجة المعقدة، وبالتالي القضاء على عملية التلميع اليدوي للقطب الكهربائي وتجنب تغيير الشكل وخطأ الحجم الناتج عن التلميع.

تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لأن الجرافيت يتراكم فيه الغبار، فإن طحن الجرافيت سينتج الكثير من الغبار، لذلك يجب أن تحتوي آلة الطحن على مانع تسرب وجهاز لجمع الغبار.
إذا كان من الضروري استخدام edM لمعالجة قطب الجرافيت، فإن أداء معالجته ليس جيدًا مثل مادة النحاس، وسرعة القطع أبطأ بنسبة 40٪ تقريبًا من النحاس.

1.7. تركيب واستخدام الأقطاب الكهربائية.

تتمتع مادة الجرافيت بخاصية ربط جيدة. يمكن استخدامها لربط الجرافيت بالتركيب عن طريق طحن القطب الكهربائي وتفريغه، مما يوفر عملية تشكيل ثقب البرغي على مادة القطب الكهربائي ويقلل وقت العمل.
مادة الجرافيت هشة نسبياً، وخاصة القطب الصغير والضيق والطويل، مما يجعله سهل الكسر عند تعرضه لقوة خارجية أثناء الاستخدام، ولكن يمكن معرفة تلف القطب على الفور.
إذا كان القطب نحاسيًا، فسوف ينحني فقط ولن ينكسر، وهو أمر خطير للغاية ويصعب اكتشافه أثناء الاستخدام، وسيؤدي بسهولة إلى تلف قطعة العمل.

1.8.السعر.

مادة النحاس مورد غير متجدد، وسيزداد سعرها ارتفاعاً، بينما يميل سعر مادة الجرافيت إلى الاستقرار.
مع ارتفاع أسعار النحاس في السنوات الأخيرة، قام كبار مصنعي الجرافيت بتحسين عملية إنتاجه، مما منحهم ميزة تنافسية. الآن، وبنفس الحجم، فإن سعر مادة قطب الجرافيت وسعر مادة قطب النحاس متقاربان إلى حد كبير، ولكن يمكن معالجة الجرافيت بكفاءة أعلى من استخدام قطب النحاس، مما يوفر عددًا كبيرًا من ساعات العمل، وبالتالي يقلل تكلفة الإنتاج بشكل مباشر.

باختصار، من بين خصائص قطب الجرافيت الثمانية، فإن مزاياه واضحة: كفاءة طحن القطب ومعالجة التفريغ أفضل بكثير من قطب النحاس؛ يتميز القطب الكبير بوزنه الصغير، واستقرار أبعاده الجيد، والقطب الرقيق ليس من السهل تشويهه، كما أن نسيج السطح أفضل من قطب النحاس.
تتمثل عيوب مادة الجرافيت في أنها غير مناسبة لمعالجة التفريغ السطحي الدقيق تحت VDI12 (Ra0.4 m)، وكفاءة استخدام edM لصنع الأقطاب الكهربائية منخفضة.
ومع ذلك، من وجهة نظر عملية، فإن أحد الأسباب المهمة التي تؤثر على الترويج الفعال لمواد الجرافيت في الصين هو الحاجة إلى آلة معالجة جرافيت خاصة لطحن الأقطاب الكهربائية، مما يفرض متطلبات جديدة على معدات المعالجة الخاصة بمؤسسات القوالب، وقد لا تتوفر هذه المتطلبات لدى بعض المؤسسات الصغيرة.
بشكل عام، تغطي مزايا أقطاب الجرافيت غالبية تطبيقات المعالجة الكهروكيميائية، وتستحق الانتشار والتطبيق لما لها من فوائد طويلة الأمد. ويمكن تعويض قصور معالجة الأسطح الدقيقة باستخدام أقطاب النحاس.

2. اختيار مواد أقطاب الجرافيت لتقنية التفريغ الكهربائي

بالنسبة لمواد الجرافيت، هناك بشكل أساسي المؤشرات الأربعة التالية التي تحدد أداء المواد بشكل مباشر:

1) متوسط ​​قطر جسيمات المادة

يؤثر متوسط ​​قطر الجسيمات للمادة بشكل مباشر على حالة تصريف المادة.
كلما كان متوسط ​​حجم جسيمات مادة الجرافيت أصغر، كلما كان التفريغ أكثر انتظامًا، وكلما كانت حالة التفريغ أكثر استقرارًا، وكلما كانت جودة السطح أفضل، وكلما قل الفقد.
كلما زاد متوسط ​​حجم الجسيمات، كلما كان معدل الإزالة أفضل في التشغيل الخشن، ولكن تأثير السطح في التشطيب يكون ضعيفًا وفقدان القطب الكهربائي كبيرًا.

2) قوة انحناء المادة

تُعد قوة الانحناء للمادة انعكاسًا مباشرًا لقوتها، مما يدل على تماسك بنيتها الداخلية.
تتميز المواد ذات القوة العالية بمقاومة جيدة نسبياً للتفريغ الكهربائي. أما بالنسبة للأقطاب الكهربائية عالية الدقة، فينبغي اختيار المواد ذات القوة الجيدة قدر الإمكان.

3) صلابة شور للمادة

الجرافيت أصلب من المواد المعدنية، وفقدان أداة القطع أكبر من فقدان معدن القطع.
في الوقت نفسه، فإن الصلابة العالية لمادة الجرافيت أفضل في التحكم في فقدان التفريغ.

4) المقاومة الذاتية للمادة

سيكون معدل تفريغ مادة الجرافيت ذات المقاومة الذاتية العالية أبطأ من معدل تفريغ مادة الجرافيت ذات المقاومة الذاتية المنخفضة.
كلما زادت المقاومة الذاتية، قل فقد القطب، ولكن كلما زادت المقاومة الذاتية، سيتأثر استقرار التفريغ.

يوجد حاليًا العديد من درجات الجرافيت المختلفة المتاحة من كبار موردي الجرافيت في العالم.
بشكل عام، وفقًا لمتوسط ​​قطر الجسيمات لمواد الجرافيت المراد تصنيفها، يتم تعريف قطر الجسيمات ≤ 4 م على أنه جرافيت ناعم، ويتم تعريف الجسيمات التي يتراوح قطرها بين 5 و 10 م على أنها جرافيت متوسط، ويتم تعريف الجسيمات التي يزيد قطرها عن 10 م على أنها جرافيت خشن.
كلما كان قطر الجسيمات أصغر، زادت تكلفة المادة، وبالتالي يمكن اختيار مادة الجرافيت الأنسب وفقًا لمتطلبات وتكلفة عملية التفريغ الكهربائي.

3. تصنيع قطب الجرافيت

يتم تصنيع قطب الجرافيت بشكل أساسي عن طريق الطحن.
من وجهة نظر تكنولوجيا المعالجة، يعتبر الجرافيت والنحاس مادتين مختلفتين، ويجب إتقان خصائص القطع المختلفة لكل منهما.
إذا تمت معالجة قطب الجرافيت بعملية قطب النحاس، فستحدث مشاكل لا محالة، مثل التكسر المتكرر للصفيحة، الأمر الذي يتطلب استخدام أدوات القطع المناسبة ومعايير القطع.

من الناحية الاقتصادية، فإن استخدام أداة من الكربيد هو الخيار الأكثر اقتصادية، على الرغم من أن سعر أداة الطلاء الماسي (المعروفة باسم سكين الجرافيت) أغلى، إلا أن أداة الطلاء الماسي تتميز بعمر خدمة طويل ودقة معالجة عالية، مما يجعل الفائدة الاقتصادية الإجمالية جيدة.
يؤثر حجم الزاوية الأمامية للأداة أيضًا على عمرها الافتراضي، حيث أن استخدام زاوية أمامية 0 درجة للأداة يزيد بنسبة تصل إلى 50% عن استخدام زاوية أمامية 15 درجة، كما أن استقرار القطع يكون أفضل، ولكن كلما زادت الزاوية، كان سطح التشغيل أفضل، ويمكن استخدام زاوية 15 درجة للأداة لتحقيق أفضل سطح تشغيل.
يمكن تعديل سرعة القطع في عملية التشغيل الآلي وفقًا لشكل القطب الكهربائي، وعادة ما تكون 10 أمتار/دقيقة، على غرار تشغيل الألومنيوم أو البلاستيك، ويمكن وضع أداة القطع مباشرة على قطعة العمل وإزالتها منها في التشغيل الخشن، ومن السهل حدوث ظاهرة انهيار الزاوية والتفتت في التشغيل النهائي، وغالبًا ما يتم اعتماد طريقة المشي السريع للسكين الخفيف.

ينتج عن عملية قطع قطب الجرافيت الكثير من الغبار، ولتجنب استنشاق جزيئات الجرافيت في مغزل الماكينة والبرغي، هناك حلان رئيسيان في الوقت الحالي، أحدهما هو استخدام آلة معالجة جرافيت خاصة، والآخر هو إعادة تجهيز مركز المعالجة العادي بجهاز خاص لجمع الغبار.
تتميز آلة الطحن عالية السرعة الخاصة بالجرافيت المتوفرة في السوق بكفاءة طحن عالية ويمكنها بسهولة إكمال تصنيع الأقطاب الكهربائية المعقدة بدقة عالية وجودة سطح جيدة.

إذا كانت هناك حاجة إلى استخدام تقنية EDM لصنع قطب كهربائي من الجرافيت، فمن المستحسن استخدام مادة جرافيت ناعمة ذات قطر جسيمات أصغر.
أداء تشغيل الجرافيت ضعيف، وكلما كان قطر الجسيمات أصغر، زادت كفاءة القطع، ويمكن تجنب المشاكل غير الطبيعية مثل انقطاع السلك المتكرر وظهور حواف على السطح.

4. معلمات EDM لقطب الجرافيت

إن اختيار معلمات EDM للجرافيت والنحاس يختلف تمامًا.
تشمل معلمات EDM بشكل أساسي التيار، وعرض النبضة، وفجوة النبضة، والقطبية.
يصف ما يلي الأساس للاستخدام الرشيد لهذه المعايير الرئيسية.

تبلغ كثافة التيار في قطب الجرافيت عادةً 10-12 أمبير/سم²، وهي أعلى بكثير من كثافة التيار في قطب النحاس. لذا، ضمن نطاق التيار المسموح به في المنطقة المعنية، كلما زاد التيار المُختار، زادت سرعة عملية تفريغ الجرافيت، وقلّت خسائر القطب، ولكن زادت خشونة السطح.

كلما زاد عرض النبضة، قلّ فقدان القطب الكهربائي.
ومع ذلك، فإن زيادة عرض النبضة ستؤدي إلى تدهور استقرار المعالجة، وإبطاء سرعة المعالجة، وزيادة خشونة السطح.
لضمان انخفاض فقدان القطب الكهربائي أثناء التشغيل الخشن، يتم عادةً استخدام عرض نبضة كبير نسبيًا، والذي يمكن أن يحقق بشكل فعال تشغيلًا منخفض الفقدان لقطب الجرافيت عندما تكون القيمة بين 100 و 300 ميكروثانية.
للحصول على سطح دقيق وتأثير تفريغ مستقر، ينبغي اختيار عرض نبضة أصغر.
بشكل عام، يكون عرض النبضة لقطب الجرافيت أقل بنحو 40% من عرض النبضة لقطب النحاس

تؤثر فجوة النبضة بشكل رئيسي على سرعة التشغيل بالتفريغ الكهربائي واستقراره. فكلما زادت قيمتها، تحسن استقرار التشغيل، مما يُسهم في الحصول على سطح أكثر تجانسًا، ولكن ذلك سيؤدي إلى انخفاض سرعة التشغيل.
في ظل ضمان استقرار المعالجة، يمكن الحصول على كفاءة معالجة أعلى عن طريق اختيار فجوة نبضية أصغر، ولكن عندما تكون حالة التفريغ غير مستقرة، يمكن الحصول على كفاءة معالجة أعلى عن طريق اختيار فجوة نبضية أكبر.
في عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي باستخدام قطب الجرافيت، يتم عادةً ضبط فجوة النبضة وعرض النبضة على 1:1، بينما في عملية التصنيع باستخدام قطب النحاس، يتم عادةً ضبط فجوة النبضة وعرض النبضة على 1:3.
في ظل معالجة الجرافيت المستقرة، يمكن ضبط نسبة التطابق بين فجوة النبضة وعرض النبضة إلى 2:3.
في حالة التباعد النبضي الصغير، من المفيد تشكيل طبقة تغطية على سطح القطب الكهربائي، مما يساعد على تقليل فقدان القطب الكهربائي.

إن اختيار قطبية قطب الجرافيت في عملية التفريغ الكهربائي هو نفسه بشكل أساسي اختيار قطب النحاس.
وفقًا لتأثير القطبية في عملية التفريغ الكهربائي، يتم استخدام التشغيل بالقطبية الموجبة عادةً عند تشغيل فولاذ القوالب، أي يتم توصيل القطب الكهربائي بالقطب الموجب لمصدر الطاقة، ويتم توصيل قطعة العمل بالقطب السالب لمصدر الطاقة.
باستخدام تيار عالٍ وعرض نبضة كبير، يمكن تحقيق فقد منخفض للغاية في القطب الكهربائي عند اختيار عملية التشغيل بالقطبية الموجبة. أما إذا كانت القطبية خاطئة، فسيزداد فقد القطب الكهربائي بشكل كبير.
فقط عندما يكون السطح مطلوبًا أن تتم معالجته بدقة أقل من VDI18 (Ra0.8 m) ويكون عرض النبضة صغيرًا جدًا، يتم استخدام معالجة القطبية السالبة للحصول على جودة سطح أفضل، ولكن فقدان القطب كبير.

أصبحت أدوات آلات CNC edM الآن مزودة بمعلمات تشغيل التفريغ الجرافيتي.
يُعد استخدام المعايير الكهربائية ذكيًا ويمكن توليدها تلقائيًا بواسطة النظام الخبير لأداة الآلة.
بشكل عام، يمكن للآلة ضبط معلمات المعالجة المثلى عن طريق تحديد زوج المواد ونوع التطبيق وقيمة خشونة السطح وإدخال منطقة المعالجة وعمق المعالجة وحجم القطب الكهربائي وما إلى ذلك أثناء البرمجة.
تتضمن مكتبة أدوات آلة EDM مجموعة غنية من معلمات المعالجة لأقطاب الجرافيت، ويمكن اختيار نوع المادة من بين الجرافيت الخشن والجرافيت العادي والجرافيت العادي، بما يتناسب مع مجموعة متنوعة من مواد قطعة العمل، لتقسيم نوع التطبيق إلى قياسي، وأخاديد عميقة، ونقاط حادة، ومساحات كبيرة، وتجاويف كبيرة، مثل الدقيق، كما توفر خيارات متعددة لأولويات المعالجة مثل الفقد المنخفض، والقياسي، والكفاءة العالية، وما إلى ذلك.

5. الخاتمة

تستحق مادة قطب الجرافيت الجديدة الترويج بقوة، وسيتم الاعتراف بمزاياها وقبولها تدريجياً من قبل صناعة تصنيع القوالب المحلية.
سيؤدي الاختيار الصحيح لمواد أقطاب الجرافيت وتحسين الروابط التكنولوجية ذات الصلة إلى تحقيق كفاءة عالية وجودة عالية وتكلفة منخفضة لشركات تصنيع القوالب.