יישום אלקטרודת גרפיט בייצור שבבים עיבוד שבבי פריקה חשמלית

1. מאפייני EDM של חומרי גרפיט.

1.1. מהירות עיבוד פריקה.

גרפיט הוא חומר לא מתכתי בעל נקודת התכה גבוהה מאוד של 3,650 מעלות צלזיוס, בעוד שלנחושת נקודת התכה של 1,083 מעלות צלזיוס, כך שאלקטרודת הגרפיט יכולה לעמוד בתנאי הגדרת זרם גבוהים יותר.
כאשר שטח הפריקה וגודל האלקטרודה גדולים יותר, היתרונות של עיבוד גס יעיל של חומר גרפיט ברורים יותר.
המוליכות התרמית של גרפיט היא 1/3 מזו של נחושת, והחום הנוצר במהלך תהליך הפריקה יכול לשמש להסרת חומרי מתכת בצורה יעילה יותר. לכן, יעילות העיבוד של גרפיט גבוהה יותר מזו של אלקטרודת נחושת בעיבוד בינוני ועדין.
על פי ניסיון העיבוד, מהירות עיבוד הפריקה של אלקטרודת גרפיט מהירה פי 1.5 ~ 2 מזו של אלקטרודת נחושת בתנאי שימוש נכונים.

1.2. צריכת אלקטרודות.

לאלקטרודת הגרפיט יש אופי שיכול לעמוד בתנאי זרם גבוהים, בנוסף, בתנאי עיבוד גס מתאים, כולל חלקי עבודה מפלדת פחמן המיוצרים במהלך עיבוד שבבי, הסרת תוכן ונוזל עבודה בטמפרטורה גבוהה פירוק חלקיקי פחמן, אפקט הקוטביות, תחת פעולה של הסרה חלקית של תוכן, חלקיקי פחמן ידבקו לפני השטח של האלקטרודה ויוצרים שכבת מגן, להבטיח הפסד קטן של אלקטרודת הגרפיט בעיבוד גס, או אפילו "אפס בזבוז".
אובדן האלקטרודה העיקרי בעיבוד EDM נובע מעיבוד גס. למרות ששיעור האובדן גבוה בתנאי הגימור, ההפסד הכולל נמוך גם הוא עקב קצבת העיבוד הקטנה השמורה לחלקים.
באופן כללי, אובדן האלקטרודה של גרפיט קטן יותר מזה של נחושת בעיבוד גס של זרם גבוה ומעט יותר מזה של נחושת בעיבוד גימור. אובדן האלקטרודה של אלקטרודת הגרפיט דומה.

1.3. איכות פני השטח.

קוטר החלקיקים של חומר גרפיט משפיע ישירות על חספוס פני השטח של EDM. ככל שהקוטר קטן יותר, כך ניתן להשיג חספוס פני השטח נמוך יותר.
לפני מספר שנים, כאשר השתמשו בחומר גרפיט בקוטר phi של 5 מיקרון, המשטח הטוב ביותר יכל להשיג רק רמת edm של VDI18 (Ra0.8 מיקרון). כיום, קוטר הגרעינים של חומרי גרפיט הצליח להגיע ל-phi של עד 3 מיקרון. המשטח הטוב ביותר יכול להשיג רמת edm יציבה של VDI12 (Ra0.4 מיקרומטר) או רמה מתוחכמת יותר, אך אלקטרודות הגרפיט דומה לרמת edm של שיקוף.
לחומר הנחושת התנגדות נמוכה ומבנה קומפקטי, וניתן לעבד אותו ביציבות בתנאים קשים. חספוס פני השטח יכול להיות פחות מ-Ra0.1m, וניתן לעבד אותו באמצעות מראה.

לכן, אם עיבוד שבבי של פריקה דורש פני שטח עדינים במיוחד, מתאים יותר להשתמש בחומר נחושת כאלקטרודה, וזהו היתרון העיקרי של אלקטרודת נחושת על פני אלקטרודת גרפיט.
אבל אלקטרודת נחושת בתנאי זרם גבוה, פני השטח של האלקטרודה נוטים להתחמק בקלות, להופיע אפילו בסדקים, וחומרי גרפיט לא יתקלו בבעיה זו. דרישות חספוס פני השטח של VDI26 (Ra2.0 מיקרון) לעיבוד עובש, באמצעות אלקטרודת גרפיט ניתן לבצע עיבוד מגס לעיבוד עדין, תוך השגת אפקט פני השטח האחיד ופגמי פני השטח.
בנוסף, בשל המבנה השונה של גרפיט ונחושת, נקודת הקורוזיה של פריקת פני השטח של אלקטרודת הגרפיט סדירה יותר מזו של אלקטרודת הנחושת. לכן, כאשר מעובדים עם אותו חספוס פני שטח של VDI20 ומעלה, גרגיריות פני השטח של חומר העבודה המעובד על ידי אלקטרודת הגרפיט ברורה יותר, ואפקט הגרגירים של פני השטח טוב יותר מאפקט הפריקת פני השטח של אלקטרודת הנחושת.

1.4. דיוק העיבוד השבבי.

מקדם ההתפשטות התרמית של חומר גרפיט קטן, מקדם ההתפשטות התרמית של חומר נחושת הוא פי 4 מזה של חומר גרפיט, כך שבתהליך פריקה, אלקטרודת הגרפיט פחות נוטה לעיוות מאשר אלקטרודת נחושת, מה שיכול להשיג דיוק עיבוד יציב ואמין יותר.
במיוחד כאשר מעובדים צלעות עמוקות וצרות, טמפרטורה גבוהה מקומית גורמת לאלקטרודת הנחושת להתכופף בקלות, אך אלקטרודת הגרפיט לא.
עבור אלקטרודת נחושת בעלת יחס עומק-קוטר גדול, יש לפצות על ערך התפשטות תרמית מסוים כדי לתקן את הגודל במהלך עיבוד שבבי, בעוד שאלקטרודת גרפיט אינה נדרשת.

1.5. משקל האלקטרודה.

חומר הגרפיט פחות צפוף מנחושת, ומשקל אלקטרודת הגרפיט באותו נפח הוא רק 1/5 ממשקל אלקטרודת הנחושת.
ניתן לראות כי השימוש בגרפיט מתאים מאוד לאלקטרודה בעלת נפח גדול, מה שמפחית מאוד את העומס על הציר של מכונת EDM. האלקטרודה לא תגרום לאי נוחות בהידוק עקב משקלה הרב, והיא תגרום לתזוזה של סטייה במהלך העיבוד וכו'. ניתן לראות כי יש חשיבות רבה לשימוש באלקטרודת גרפיט בעיבוד תבנית בקנה מידה גדול.

1.6. קושי בייצור אלקטרודות.

ביצועי העיבוד של חומר גרפיט טובים. עמידות החיתוך היא רק רבע מזו של נחושת. בתנאי עיבוד נכונים, יעילות הטחינה של אלקטרודת הגרפיט היא פי 2 ~ 3 מזו של אלקטרודת נחושת.
אלקטרודת גרפיט קלה לניקוי זווית, וניתן להשתמש בה כדי לעבד את חומר העבודה שיש לסיים באמצעות מספר אלקטרודות לאלקטרודה אחת.
מבנה החלקיקים הייחודי של חומר הגרפיט מונע היווצרות קוצים לאחר כרסום ועיצוב האלקטרודה, מה שיכול לעמוד ישירות בדרישות השימוש כאשר הקוצים אינם ניתנים להסרה בקלות במידול מורכב, ובכך מבטל את תהליך הליטוש הידני של האלקטרודה ונמנע משינוי צורה ושגיאת גודל הנגרמת על ידי ליטוש.

יש לציין כי מכיוון שגרפיט מצטבר אבק, כרסום גרפיט מייצר הרבה אבק, ולכן מכונת הכרסום חייבת להיות מצוידת באיטום ובמתקן לאיסוף אבק.
אם יש צורך להשתמש ב-edM לעיבוד אלקטרודת גרפיט, ביצועי העיבוד שלה אינם טובים כמו חומר נחושת, ומהירות החיתוך איטית בכ-40% מזו של נחושת.

1.7. התקנה ושימוש באלקטרודה.

לחומר גרפיט יש תכונות הדבקה טובות. ניתן להשתמש בו כדי לחבר גרפיט למתקן על ידי כרסום האלקטרודה ופריקה, מה שיכול לחסוך את תהליך עיבוד חורי הברגה בחומר האלקטרודה ולחסוך זמן עבודה.
חומר הגרפיט שביר יחסית, במיוחד האלקטרודה הקטנה, הצרה והארוכה, שקל להישבר כאשר היא נתונה לכוח חיצוני במהלך השימוש, אך ניתן לדעת מיד שהאלקטרודה ניזוקה.
אם מדובר באלקטרודת נחושת, היא רק תתכופף ולא תישבר, וזה מסוכן מאוד וקשה למצוא אותו בתהליך השימוש, וזה יוביל בקלות לשריטות של חומר העבודה.

1.8. מחיר.

חומר נחושת הוא משאב שאינו מתחדש, מגמת המחירים תהפוך יקרה יותר ויותר, בעוד שמחיר חומר הגרפיט נוטה להתייצב.
בשנים האחרונות, מחירי חומרי נחושת עולים, ויצרנים גדולים של גרפיט משפרים את תהליכי ייצור הגרפיט ומעניקים יתרון תחרותי. כיום, תחת אותו נפח, מחיר חומרי אלקטרודת גרפיט ומחיר חומרי אלקטרודת נחושת נדירים יותר, אך ניתן להשיג עיבוד יעיל יותר של גרפיט, בהשוואה לשימוש באלקטרודת נחושת, כדי לחסוך מספר רב של שעות עבודה, מה שקולה להפחתה ישירה של עלות הייצור.

לסיכום, מבין 8 מאפייני ה-edM של אלקטרודת גרפיט, יתרונותיה ברורים: יעילות הטחינה של אלקטרודת הגרפיט ועיבוד הפריקה טובים משמעותית מזו של אלקטרודת נחושת; לאלקטרודה גדולה משקל קל, יציבות ממדית טובה, אלקטרודה דקה אינה מתעוותת בקלות, ומרקם פני השטח טוב יותר מאלקטרודת נחושת.
החיסרון של חומר גרפיט הוא שהוא אינו מתאים לעיבוד פריקה עדינה של משטחים תחת VDI12 (Ra0.4 m), והיעילות של שימוש ב-edM לייצור אלקטרודה נמוכה.
עם זאת, מנקודת מבט מעשית, אחת הסיבות החשובות המשפיעות על קידום יעיל של חומרי גרפיט בסין היא הצורך במכונת עיבוד גרפיט מיוחדת לטחינת אלקטרודות, מה שמציב דרישות חדשות לציוד עיבוד של מפעלי עובש, ייתכן שחלק מהמפעלים הקטנים לא יעמדו בתנאי זה.
באופן כללי, היתרונות של אלקטרודות גרפיט מכסים את רוב מקרי עיבוד ה-EDM, והן ראויות לפופולריות ויישום, עם יתרונות ארוכי טווח ניכרים. ניתן לפצות על החסרון של עיבוד משטחים עדינים באמצעות אלקטרודות נחושת.

2. בחירת חומרי אלקטרודה גרפיט עבור EDM

עבור חומרי גרפיט, ישנם בעיקר ארבעת המדדים הבאים הקובעים ישירות את ביצועי החומרים:

1) קוטר החלקיקים הממוצע של החומר

קוטר החלקיקים הממוצע של החומר משפיע ישירות על מצב הפריקה של החומר.
ככל שחלקיק הגרפיט הממוצע קטן יותר, כך הפריקה אחידה יותר, תנאי הפריקה יציבים יותר, איכות פני השטח טובה יותר וההפסד קטן יותר.
ככל שגודל החלקיקים הממוצע גדול יותר, כך ניתן להשיג קצב הסרת חומר טוב יותר בעיבוד גס, אך אפקט הגימור על פני השטח גרוע ואובדן האלקטרודה גדול.

2) חוזק הכיפוף של החומר

חוזק הכיפוף של חומר הוא השתקפות ישירה של חוזקו, ומצביעה על אטימות המבנה הפנימי שלו.
לחומר בעל חוזק גבוה יש ביצועי התנגדות פריקה טובים יחסית. עבור אלקטרודה בעלת דיוק גבוה, יש לבחור חומר בעל חוזק טוב ככל האפשר.

3) קשיות חוף של החומר

גרפיט קשה יותר מחומרי מתכת, ואובדן כלי החיתוך גדול יותר מזה של מתכת החיתוך.
במקביל, הקשיות הגבוהה של חומר הגרפיט בבקרת אובדן הפריקה טובה יותר.

4) ההתנגדות הטבועה של החומר

קצב הפריקה של חומר גרפיט בעל התנגדות טבועה גבוהה יהיה איטי יותר מזה בעל התנגדות נמוכה.
ככל שההתנגדות הטבועה גבוהה יותר, כך אובדן האלקטרודה קטן יותר, אך ככל שההתנגדות הטבועה גבוהה יותר, כך יציבות הפריקה תושפע.

כיום, ישנם סוגים רבים ושונים של גרפיט הזמינות מספקי הגרפיט המובילים בעולם.
באופן כללי, בהתאם לקוטר החלקיקים הממוצע של חומרי גרפיט שיש לסווג, קוטר חלקיקים ≤ 4 מטר מוגדר כגרפיט עדין, חלקיקים בגודל 5 ~ 10 מטר מוגדרים כגרפיט בינוני, וחלקיקים בגודל 10 מטר ומעלה מוגדרים כגרפיט גס.
ככל שקוטר החלקיקים קטן יותר, כך החומר יקר יותר, כך ניתן לבחור חומר גרפיט מתאים יותר בהתאם לדרישות ועלות ה-EDM.

3. ייצור אלקטרודת גרפיט

אלקטרודת הגרפיט מיוצרת בעיקר על ידי כרסום.
מנקודת מבט של טכנולוגיית עיבוד, גרפיט ונחושת הם שני חומרים שונים, ויש לשלוט במאפייני החיתוך השונים שלהם.
אם אלקטרודת הגרפיט מעובדת בתהליך של אלקטרודת נחושת, בעיות בהכרח יתרחשו, כגון שברים תכופים של היריעת, מה שמחייב שימוש בכלי חיתוך ופרמטרי חיתוך מתאימים.

עיבוד שבבי של אלקטרודות גרפיט הוא שחיק יותר מכלי אלקטרודות נחושת. מבחינה כלכלית, הבחירה בכלי קרביד היא החסכונית ביותר. בחירת כלי ציפוי יהלום (הנקרא סכין גרפיט) ​​יקרה יותר, אך כלי ציפוי יהלום מביאים לאורך חיים ארוך יותר, דיוק עיבוד גבוה והתועלת הכלכלית הכוללת טובה.
גודל הזווית הקדמית של הכלי משפיע גם הוא על חיי השירות שלו. זווית הקדמית של 0° של הכלי תהיה גבוהה עד ב-50% מזווית הקדמית של 15° לאורך חיי השירות של הכלי. יציבות החיתוך גם היא טובה יותר, אך ככל שהזווית גדולה יותר, כך משטח העיבוד טוב יותר. שימוש בזווית של 15° של הכלי יכול להשיג את משטח העיבוד הטוב ביותר.
ניתן להתאים את מהירות החיתוך בעיבוד שבבי בהתאם לצורת האלקטרודה, בדרך כלל 10 מטר/דקה, בדומה לעיבוד שבבי של אלומיניום או פלסטיק, כלי החיתוך יכול להיות מחובר ומחוצה לו ישירות בעיבוד גס, ותופעת קריסת זווית ופרגמנטציה קלה להתרחש בעיבוד גימור, ולעתים קרובות מאומצת דרך של הליכה מהירה של סכין קלה.

אלקטרודת גרפיט בתהליך החיתוך תייצר הרבה אבק. על מנת למנוע שאיפה של חלקיקי גרפיט על ידי ציר המכונה והבורג, ישנם שני פתרונות עיקריים כיום: האחד הוא שימוש במכונת עיבוד גרפיט מיוחדת, והשני הוא שיפוץ מרכז עיבוד רגיל המצויד במכשיר איסוף אבק מיוחד.
מכונת הכרסום המיוחדת במהירות גבוהה של גרפיט בשוק בעלת יעילות כרסום גבוהה ויכולה להשלים בקלות את ייצור האלקטרודות המורכבות בדיוק רב ואיכות פני שטח טובה.

אם נדרשת EDM לייצור אלקטרודת גרפיט, מומלץ להשתמש בחומר גרפיט עדין בקוטר חלקיקים קטן יותר.
ביצועי העיבוד השבבי של הגרפיט גרועים, ככל שקוטר החלקיקים קטן יותר, כך ניתן להשיג יעילות חיתוך גבוהה יותר, וניתן להימנע מבעיות חריגות כגון שבירת חוט תכופה ושוליים על פני השטח.

4. פרמטרים של אלקטרודת גרפיט EDM

בחירת פרמטרי EDM של גרפיט ונחושת שונה למדי.
הפרמטרים של EDM כוללים בעיקר זרם, רוחב פולס, פער פולס וקוטביות.
להלן תיאור הבסיס לשימוש רציונלי בפרמטרים עיקריים אלה.

צפיפות הזרם של אלקטרודת גרפיט היא בדרך כלל 10~12 A/cm2, גדולה בהרבה מזו של אלקטרודת נחושת. לכן, בטווח הזרם המותר באזור המתאים, ככל שנבחר הזרם גדול יותר, כך מהירות עיבוד פריקת הגרפיט תהיה מהירה יותר, אובדן האלקטרודה יהיה קטן יותר, אך חספוס פני השטח יהיה עבה יותר.

ככל שרוחב הפולס גדול יותר, כך אובדן האלקטרודה יהיה נמוך יותר.
עם זאת, רוחב פולס גדול יותר יגרום ליציבות העיבוד להיות גרועה יותר, למהירות העיבוד תהיה איטית יותר ולמשטח להיות מחוספס יותר.
על מנת להבטיח אובדן אלקטרודה נמוך במהלך עיבוד גס, בדרך כלל משתמשים ברוחב פולס גדול יחסית, שיכול לממש ביעילות עיבוד אלקטרודת גרפיט עם אובדן נמוך כאשר הערך הוא בין 100 ל-300 מילי-ארה"ב.
על מנת להשיג משטח עדין ואפקט פריקה יציב, יש לבחור רוחב פולס קטן יותר.
באופן כללי, רוחב הפולס של אלקטרודת גרפיט קטן בכ-40% מזה של אלקטרודת נחושת.

פער הפולסים משפיע בעיקר על מהירות עיבוד הפריקה ועל יציבות העיבוד. ככל שהערך גדול יותר, כך יציבות העיבוד תהיה טובה יותר, דבר המסייע להשגת אחידות פני השטח טובה יותר, אך מהירות העיבוד תפחת.
בתנאי של הבטחת יציבות העיבוד, ניתן להשיג יעילות עיבוד גבוהה יותר על ידי בחירת פער פולסים קטן יותר, אך כאשר מצב הפריקה אינו יציב, ניתן להשיג יעילות עיבוד גבוהה יותר על ידי בחירת פער פולסים גדול יותר.
בעיבוד שבבי של פריקת אלקטרודות גרפיט, פער הפולסים ורוחב הפולסים נקבעים בדרך כלל ל-1:1, בעוד שבעיבוד שבבי של אלקטרודות נחושת, פער הפולסים ורוחב הפולסים נקבעים בדרך כלל ל-1:3.
תחת עיבוד גרפיט יציב, ניתן לכוונן את יחס ההתאמה בין פער הפולס לרוחב הפולס ל-2:3.
במקרה של מרווח פולסים קטן, כדאי ליצור שכבת כיסוי על פני האלקטרודה, דבר שעוזר להפחית את אובדן האלקטרודה.

בחירת הקוטביות של אלקטרודת גרפיט ב- EDM זהה בעיקרון לזו של אלקטרודת נחושת.
על פי אפקט הקוטביות של EDM, עיבוד שבבי בעל קוטביות חיובית משמש בדרך כלל בעת עיבוד שבבי של פלדת קובייה, כלומר, האלקטרודה מחוברת לקוטב החיובי של ספק הכוח, וחומר העבודה מחובר לקוטב השלילי של ספק הכוח.
באמצעות זרם ורוחב פולס גדולים, בחירת עיבוד שבבי עם קוטביות חיובית יכולה להשיג אובדן אלקטרודה נמוך במיוחד. אם הקוטביות שגויה, אובדן האלקטרודה יהפוך לגדול מאוד.
רק כאשר נדרש עיבוד עדין של פני השטח של פחות מ-VDI18 (Ra0.8 m) ורוחב הפולס קטן מאוד, נעשה שימוש בעיבוד קוטביות שלילית כדי להשיג איכות פני שטח טובה יותר, אך אובדן האלקטרודה גדול.

כעת מכונות CNC edM מצוידות בפרמטרים של עיבוד שבבי פריקה של גרפיט.
השימוש בפרמטרים חשמליים הוא חכם וניתן לייצר אותו באופן אוטומטי על ידי מערכת המומחים של מכונת הכלי.
באופן כללי, המכונה יכולה להגדיר את פרמטרי העיבוד המותאמים על ידי בחירת זוג החומרים, סוג היישום, ערך חספוס פני השטח והזנת אזור העיבוד, עומק העיבוד, קנה המידה של גודל האלקטרודה וכו' במהלך התכנות.
הגדרת פרמטרים עשירים של עיבוד בספריית כלי מכונת EDM עבור אלקטרודות גרפיט, ניתן לבחור את סוג החומר בגרפיט גס, גרפיט, גרפיט המתאים למגוון חומרי עבודה, כדי לחלק את סוגי היישום לסטנדרט, חריץ עמוק, נקודה חדה, שטח גדול, חלל גדול, כגון עדין, מספקת גם הפסד נמוך, סטנדרטי, יעילות גבוהה וכן הלאה. מגוון רחב של סוגי עיבוד עדיפות לבחירה.

5. סיכום

חומר האלקטרודה החדש של גרפיט ראוי לפופולריות נמרצת ויתרונותיו יוכרו ויתקבלו בהדרגה על ידי תעשיית ייצור התבניות המקומית.
בחירה נכונה של חומרי אלקטרודת גרפיט ושיפור הקישורים הטכנולוגיים הקשורים יביאו יעילות גבוהה, איכות גבוהה ותועלת בעלות נמוכה למפעלי ייצור תבניות.