1. Caractéristiques EDM des matériaux en graphite.
1.1.Vitesse d'usinage par décharge.
Le graphite est un matériau non métallique avec un point de fusion très élevé de 3 650 °C, tandis que le cuivre a un point de fusion de 1 083 °C ; l’électrode en graphite peut donc supporter des conditions de courant plus élevées.
Lorsque la zone de décharge et la taille des électrodes sont plus importantes, les avantages d'un usinage d'ébauche à haut rendement du graphite sont plus évidents.
La conductivité thermique du graphite est trois fois inférieure à celle du cuivre, et la chaleur générée lors de la décharge permet d'éliminer plus efficacement les matières métalliques. Par conséquent, le rendement de traitement du graphite est supérieur à celui des électrodes en cuivre pour les opérations d'usinage moyennes et fines.
D'après l'expérience acquise, la vitesse de traitement par décharge d'une électrode en graphite est 1,5 à 2 fois plus rapide que celle d'une électrode en cuivre dans des conditions d'utilisation correctes.
1.2.Consommation d'électrodes.
L'électrode en graphite possède la propriété de résister à des courants élevés. De plus, dans des conditions d'ébauche appropriées, notamment lors de l'usinage de pièces en acier au carbone avec enlèvement de matière et décomposition des particules de carbone par le fluide de travail à haute température, l'effet de polarité, sous l'action d'un enlèvement partiel de matière, permet aux particules de carbone d'adhérer à la surface de l'électrode pour former une couche protectrice, garantissant ainsi une faible perte, voire une « perte nulle », de l'électrode en graphite lors de l'ébauche.
La principale perte d'électrodes en électroérosion provient de l'ébauche. Bien que le taux de perte soit élevé en finition, la perte totale reste faible grâce à la faible surépaisseur d'usinage réservée aux pièces.
En général, les pertes de l'électrode en graphite sont inférieures à celles de l'électrode en cuivre lors de l'ébauche à courant élevé, et légèrement supérieures lors de la finition. Les pertes de l'électrode en graphite sont similaires.
1.3.La qualité de la surface.
Le diamètre des particules de graphite influe directement sur la rugosité de surface obtenue par électroérosion. Plus le diamètre est petit, plus la rugosité de surface est faible.
Il y a quelques années, en utilisant un matériau en graphite dont les particules avaient un diamètre de phi de 5 microns, la meilleure surface ne pouvait atteindre que VDI18 edm (Ra0,8 microns). De nos jours, le diamètre des grains des matériaux en graphite a pu être réduit à 3 microns, et la meilleure surface peut atteindre un niveau stable VDI12 edm (Ra0,4 µm) ou un niveau plus sophistiqué, mais l'électrode en graphite pour l'edm miroir.
Le cuivre, matériau à faible résistivité et à structure compacte, peut être usiné de manière stable même dans des conditions difficiles. Sa rugosité de surface peut être inférieure à Ra 0,1 µm, permettant ainsi un polissage miroir.
Ainsi, si l'usinage par électroérosion vise à obtenir une surface extrêmement fine, il est plus approprié d'utiliser du cuivre comme électrode, ce qui constitue le principal avantage de l'électrode en cuivre par rapport à l'électrode en graphite.
Cependant, avec une électrode en cuivre soumise à un courant élevé, la surface devient facilement rugueuse, voire fissurée, contrairement aux matériaux en graphite. L'exigence de rugosité de surface pour VDI26 (Ra2,0 microns) concerne le traitement des moules. L'utilisation d'une électrode en graphite permet un traitement allant du grossier au fin, assurant une surface uniforme et sans défauts.
De plus, en raison de la structure différente du graphite et du cuivre, le point de corrosion par décharge superficielle de l'électrode en graphite est plus régulier que celui de l'électrode en cuivre. Par conséquent, pour une rugosité de surface identique (VDI 20 ou supérieure), la granularité de la surface de la pièce usinée avec une électrode en graphite est plus marquée, et cet effet de grain est supérieur à celui obtenu avec une électrode en cuivre.
1.4. La précision d'usinage.
Le coefficient de dilatation thermique du graphite étant faible, celui du cuivre est quatre fois supérieur. Par conséquent, lors du traitement par décharge, l'électrode en graphite est moins sujette à la déformation que l'électrode en cuivre, ce qui permet d'obtenir une précision de traitement plus stable et plus fiable.
En particulier lors du traitement de nervures profondes et étroites, la température élevée locale rend l'électrode en cuivre facilement flexible, contrairement à l'électrode en graphite.
Pour les électrodes en cuivre présentant un rapport profondeur/diamètre élevé, une certaine valeur de dilatation thermique doit être compensée pour corriger la taille lors du réglage d'usinage, alors que cela n'est pas nécessaire pour les électrodes en graphite.
1.5. Poids de l'électrode.
Le graphite est moins dense que le cuivre, et le poids d'une électrode en graphite de même volume ne représente que 1/5 de celui d'une électrode en cuivre.
Il apparaît clairement que l'utilisation du graphite est parfaitement adaptée aux électrodes de grand volume, ce qui réduit considérablement la charge sur la broche de la machine d'électroérosion. L'électrode, malgré son poids important, ne gêne pas le serrage et limite les déformations lors de l'usinage. L'utilisation d'électrodes en graphite s'avère donc particulièrement pertinente pour la fabrication de moules de grande taille.
1.6.Difficulté de fabrication des électrodes.
Le graphite présente de bonnes performances d'usinage. Sa résistance à la coupe est quatre fois inférieure à celle du cuivre. Dans des conditions d'usinage optimales, le rendement du fraisage d'une électrode en graphite est 2 à 3 fois supérieur à celui d'une électrode en cuivre.
L'électrode en graphite est facile à nettoyer à l'angle, et elle peut être utilisée pour traiter une pièce qui devrait être finie avec plusieurs électrodes en une seule électrode.
La structure particulaire unique du graphite empêche l'apparition de bavures après le fraisage et le formage de l'électrode, ce qui permet de répondre directement aux exigences d'utilisation lorsque les bavures ne sont pas facilement éliminées lors de la modélisation complexe, éliminant ainsi le processus de polissage manuel de l'électrode et évitant les changements de forme et les erreurs de taille causés par le polissage.
Il convient de noter que, le graphite étant un matériau qui accumule la poussière, son broyage produira beaucoup de poussière ; la fraiseuse doit donc être équipée d'un joint d'étanchéité et d'un dispositif de dépoussiérage.
S'il est nécessaire d'utiliser l'électroérosion pour traiter une électrode en graphite, ses performances de traitement ne sont pas aussi bonnes que celles du cuivre ; la vitesse de coupe est environ 40 % plus lente.
1.7. Installation et utilisation des électrodes.
Le graphite possède d'excellentes propriétés d'adhérence. Il peut être utilisé pour coller le graphite à la pièce à fixer par fraisage de l'électrode et décharge, ce qui permet d'éviter l'usinage des trous de vis dans le matériau de l'électrode et de gagner du temps de travail.
Le graphite est un matériau relativement fragile, en particulier les électrodes petites, étroites et longues, qui se cassent facilement lorsqu'elles sont soumises à une force extérieure pendant leur utilisation, mais on peut immédiatement savoir si l'électrode est endommagée.
S'il s'agit d'une électrode en cuivre, elle se pliera sans se casser, ce qui est très dangereux et difficile à détecter lors de son utilisation, et entraînera facilement la mise au rebut de la pièce.
1.8.Prix.
Le cuivre est une ressource non renouvelable, son prix va donc augmenter progressivement, tandis que celui du graphite tend à se stabiliser.
Face à la hausse du prix du cuivre ces dernières années, les principaux fabricants de graphite ont amélioré leurs procédés de production afin de se démarquer de la concurrence. Désormais, à volume égal, le prix des électrodes en graphite est généralement comparable à celui des électrodes en cuivre. Cependant, le graphite permet un traitement plus efficace, ce qui représente un gain de temps considérable par rapport à l'utilisation d'électrodes en cuivre et, par conséquent, une réduction directe des coûts de production.
En résumé, parmi les 8 caractéristiques edM de l'électrode en graphite, ses avantages sont évidents : l'efficacité du broyage de l'électrode et du traitement par décharge est nettement supérieure à celle de l'électrode en cuivre ; une grande électrode présente un faible poids, une bonne stabilité dimensionnelle, une électrode mince ne se déforme pas facilement et sa texture de surface est meilleure que celle de l'électrode en cuivre.
L'inconvénient du matériau graphite est qu'il ne convient pas au traitement de décharge de surface fine sous VDI12 (Ra0,4 m), et l'efficacité de l'utilisation d'edM pour fabriquer l'électrode est faible.
Toutefois, d'un point de vue pratique, l'une des raisons importantes qui affectent la promotion efficace des matériaux en graphite en Chine est la nécessité d'une machine spéciale de traitement du graphite pour le broyage des électrodes, ce qui impose de nouvelles exigences en matière d'équipement de traitement aux entreprises de moules, dont certaines petites entreprises peuvent ne pas disposer.
De manière générale, les avantages des électrodes en graphite couvrent la grande majorité des applications de l'électroérosion et justifient leur diffusion et leur utilisation, avec des bénéfices considérables à long terme. Le défaut de finition de surface peut être compensé par l'utilisation d'électrodes en cuivre.
2. Sélection des matériaux d'électrodes en graphite pour l'usinage par électroérosion
Pour les matériaux en graphite, ce sont principalement les quatre indicateurs suivants qui déterminent directement les performances des matériaux :
1) Diamètre moyen des particules du matériau
Le diamètre moyen des particules du matériau influe directement sur les conditions de décharge de ce matériau.
Plus la taille moyenne des particules de graphite est petite, plus la décharge est uniforme, plus les conditions de décharge sont stables, meilleure est la qualité de surface et moins les pertes sont importantes.
Plus la taille moyenne des particules est grande, meilleur est le taux d'enlèvement de matière obtenu lors de l'ébauche, mais la qualité de la finition est médiocre et les pertes d'électrodes sont importantes.
2) La résistance à la flexion du matériau
La résistance à la flexion d'un matériau est le reflet direct de sa résistance, indiquant la solidité de sa structure interne.
Un matériau à haute résistance mécanique présente une résistance à la décharge relativement bonne. Pour une électrode de haute précision, il convient donc de privilégier autant que possible un matériau à haute résistance mécanique.
3) Dureté Shore du matériau
Le graphite est plus dur que les matériaux métalliques, et l'usure de l'outil de coupe est supérieure à celle du métal de coupe.
Parallèlement, la dureté élevée du graphite permet un meilleur contrôle des pertes par décharge.
4) La résistivité intrinsèque du matériau
Le taux de décharge d'un matériau en graphite à résistivité intrinsèque élevée sera plus lent que celui d'un matériau à faible résistivité.
Plus la résistivité intrinsèque est élevée, plus les pertes aux électrodes sont faibles, mais plus la résistivité intrinsèque est élevée, plus la stabilité de la décharge sera affectée.
À l'heure actuelle, de nombreuses qualités différentes de graphite sont disponibles auprès des principaux fournisseurs mondiaux de graphite.
Généralement, selon le diamètre moyen des particules des matériaux graphitiques à classer, les particules d'un diamètre ≤ 4 m sont définies comme du graphite fin, les particules de 5 à 10 m sont définies comme du graphite moyen, les particules de plus de 10 m sont définies comme du graphite grossier.
Plus le diamètre des particules est petit, plus le matériau est cher ; le graphite peut donc être sélectionné en fonction des exigences et du coût de l'usinage par électroérosion.
3. Fabrication de l'électrode en graphite
L'électrode en graphite est principalement fabriquée par broyage.
Du point de vue des techniques de traitement, le graphite et le cuivre sont deux matériaux différents, et il convient de maîtriser leurs caractéristiques de coupe respectives.
Si l'électrode de graphite est traitée selon le même procédé que l'électrode de cuivre, des problèmes surviendront inévitablement, tels que des fractures fréquentes de la feuille, ce qui nécessite l'utilisation d'outils de coupe et de paramètres de coupe appropriés.
Pour l'usinage d'électrodes en graphite, l'usure des outils est moindre que pour celle des électrodes en cuivre. D'un point de vue économique, le choix d'un outil en carbure est le plus avantageux. Choisir un outil à revêtement diamant (appelé couteau en graphite) est plus cher, mais sa longue durée de vie, sa haute précision d'usinage et son rapport coût-efficacité global sont excellents.
La taille de l'angle d'attaque de l'outil influe également sur sa durée de vie ; un outil avec un angle d'attaque de 0° aura une durée de vie jusqu'à 50 % supérieure à celle d'un outil avec un angle d'attaque de 15°, la stabilité de coupe est également meilleure, mais plus l'angle est grand, meilleure est la surface usinée ; l'utilisation d'un angle d'attaque de 15° permet d'obtenir la meilleure surface usinée.
La vitesse de coupe en usinage peut être ajustée en fonction de la forme de l'électrode, généralement 10 m/min, comme pour l'usinage de l'aluminium ou du plastique. L'outil de coupe peut être directement en contact avec la pièce lors de l'ébauche. Le phénomène d'effondrement angulaire et de fragmentation se produit facilement lors de l'usinage de finition, et la méthode de déplacement rapide d'un couteau léger est souvent adoptée.
L'électrode en graphite utilisée lors du processus de coupe produit beaucoup de poussière. Afin d'éviter que les particules de graphite ne soient aspirées par la broche et la vis de la machine, il existe actuellement deux solutions principales : l'une consiste à utiliser une machine spéciale de traitement du graphite, l'autre à réaménager le centre de traitement ordinaire en l'équipant d'un dispositif spécial de dépoussiérage.
La fraiseuse spéciale à grande vitesse pour graphite disponible sur le marché possède une efficacité de fraisage élevée et permet de réaliser facilement la fabrication d'électrodes complexes avec une grande précision et une bonne qualité de surface.
Si l'usinage par électroérosion est nécessaire pour fabriquer une électrode en graphite, il est recommandé d'utiliser un graphite fin avec un diamètre de particules plus petit.
Les performances d'usinage du graphite sont médiocres ; plus le diamètre des particules est petit, plus l'efficacité de coupe est élevée, et les problèmes anormaux tels que la rupture fréquente du fil et les bavures de surface peuvent être évités.
4. Paramètres EDM de l'électrode en graphite
Le choix des paramètres d'usinage par électroérosion (EDM) du graphite et du cuivre est assez différent.
Les paramètres de l'électroérosion comprennent principalement le courant, la largeur d'impulsion, l'intervalle entre les impulsions et la polarité.
Ce qui suit décrit les bases d'une utilisation rationnelle de ces principaux paramètres.
La densité de courant d'une électrode en graphite est généralement de 10 à 12 A/cm², bien supérieure à celle d'une électrode en cuivre. Par conséquent, dans la plage de courant admissible dans la zone concernée, plus le courant est élevé, plus la vitesse de décharge du graphite est rapide et plus les pertes d'électrode sont faibles, mais la rugosité de surface est plus importante.
Plus la largeur d'impulsion est grande, plus les pertes d'électrode seront faibles.
Cependant, une largeur d'impulsion plus importante dégradera la stabilité du traitement, ralentira la vitesse de traitement et rendra la surface plus rugueuse.
Afin de garantir de faibles pertes d'électrode lors de l'usinage grossier, une largeur d'impulsion relativement importante est généralement utilisée, ce qui permet de réaliser efficacement un usinage à faibles pertes de l'électrode en graphite lorsque la valeur est comprise entre 100 et 300 US.
Afin d'obtenir une surface fine et un effet de décharge stable, il convient de choisir une largeur d'impulsion plus petite.
En général, la largeur d'impulsion d'une électrode en graphite est environ 40 % inférieure à celle d'une électrode en cuivre.
L'intervalle entre les impulsions influe principalement sur la vitesse et la stabilité d'usinage par électroérosion. Plus sa valeur est élevée, meilleure est la stabilité d'usinage, ce qui favorise une meilleure uniformité de surface, mais au détriment de la vitesse d'usinage.
Sous réserve de la stabilité du processus, une efficacité de traitement plus élevée peut être obtenue en choisissant un intervalle d'impulsion plus petit, mais lorsque l'état de décharge est instable, une efficacité de traitement plus élevée peut être obtenue en choisissant un intervalle d'impulsion plus grand.
Dans l'usinage par électroérosion à électrode de graphite, l'écart entre les impulsions et la largeur des impulsions sont généralement fixés à 1:1, tandis que dans l'usinage par électroérosion à électrode de cuivre, l'écart entre les impulsions et la largeur des impulsions sont généralement fixés à 1:3.
Dans des conditions de traitement du graphite stables, le rapport d'adaptation entre l'intervalle d'impulsion et la largeur d'impulsion peut être ajusté à 2:3.
En cas de faible amplitude d'impulsion, il est avantageux de former une couche de recouvrement sur la surface de l'électrode, ce qui contribue à réduire les pertes de l'électrode.
Le choix de la polarité de l'électrode en graphite en électroérosion est fondamentalement le même que celui de l'électrode en cuivre.
En raison de l'effet de polarité de l'électroérosion, l'usinage à polarité positive est généralement utilisé lors de l'usinage de l'acier à outils, c'est-à-dire que l'électrode est connectée au pôle positif de l'alimentation électrique et la pièce à usiner est connectée au pôle négatif de l'alimentation électrique.
L'utilisation d'un courant et d'une largeur d'impulsion élevés, associée à un usinage en polarité positive, permet d'obtenir des pertes d'électrode extrêmement faibles. En revanche, une polarité incorrecte entraîne des pertes d'électrode très importantes.
Ce n'est que lorsque la surface doit être traitée finement, avec une précision inférieure à VDI18 (Ra0,8 m), et que la largeur d'impulsion est très faible, que le traitement à polarité négative est utilisé pour obtenir une meilleure qualité de surface, mais la perte d'électrode est importante.
Les machines-outils CNC edM sont désormais équipées de paramètres d'usinage par décharge de graphite.
L'utilisation des paramètres électriques est intelligente et peut être générée automatiquement par le système expert de la machine-outil.
Généralement, la machine peut configurer les paramètres de traitement optimisés en sélectionnant la paire de matériaux, le type d'application, la valeur de rugosité de surface et en saisissant la zone de traitement, la profondeur de traitement, la mise à l'échelle de la taille des électrodes, etc. lors de la programmation.
La bibliothèque de paramètres de traitement riche de l'électrode en graphite de la machine-outil EDM permet de choisir le type de matériau parmi le graphite grossier, le graphite et le graphite, correspondant à une variété de matériaux de pièces à usiner, afin de subdiviser le type d'application pour le traitement standard, la rainure profonde, la pointe acérée, la grande surface, la grande cavité, etc. Elle offre également de nombreuses options de priorité de traitement telles que la faible perte, le standard, le rendement élevé, etc.
5. Conclusion
Ce nouveau matériau d'électrode en graphite mérite d'être activement promu et ses avantages seront progressivement reconnus et acceptés par l'industrie nationale de la fabrication de moules.
Le choix judicieux des matériaux d'électrode en graphite et l'amélioration des liens technologiques associés permettront aux entreprises de fabrication de moules d'obtenir une efficacité et une qualité élevées à moindre coût.
Date de publication : 4 décembre 2020