Subtraktyvus ir hibridinis CNC-AM įrankių remontui

PFT, Šendženas

Šiame tyrime lyginamas tradicinio subtraktyvinio CNC apdirbimo efektyvumas su kylančia hibridine CNC priedine gamyba (AM) pramoninių įrankių remontui. Našumo rodikliai (remonto laikas, medžiagų sunaudojimas, mechaninis stiprumas) buvo kiekybiškai įvertinti naudojant kontroliuojamus eksperimentus su pažeistais štampavimo matricomis. Rezultatai rodo, kad hibridiniai metodai sumažina medžiagų atliekas 28–42 % ir sutrumpina remonto ciklus 15–30 %, palyginti su vien subtraktyviais metodais. Mikrostruktūrinė analizė patvirtina panašų tempiamąjį stiprį (≥98 % originalaus įrankio) hibridiniu būdu remontuotuose komponentuose. Pagrindinis apribojimas yra geometrinio sudėtingumo apribojimai AM nusodinimui. Šie rezultatai rodo, kad hibridinė CNC priedinė gamyba yra perspektyvi tvarios įrankių priežiūros strategija.

1 Įvadas

Įrankių degradacija gamybos pramonei kasmet kainuoja 240 mlrd. USD (NIST, 2024 m.). Tradiciniu subtraktiniu CNC remontu pažeistos dalys pašalinamos frezuojant/šlifuojant, dažnai išmetant >60 % tinkamos išsaugoti medžiagos. Hibridinė CNC-AM integracija (tiesioginis energijos nusodinimas ant esamų įrankių) žada efektyvų išteklių naudojimą, tačiau trūksta pramoninio patvirtinimo. Šis tyrimas kiekybiškai įvertina hibridinių darbo eigų, palyginti su įprastais subtraktiniais metodais, veikimo pranašumus didelės vertės įrankių remontui.

2 Metodologija

2.1 Eksperimentinis dizainas

Penki pažeisti H13 plieniniai štampai (matmenys: 300 × 150 × 80 mm) buvo remontuojami pagal du protokolus:

• A grupė (atimtis):
  - Pažeidimų šalinimas naudojant 5 ašių frezavimą (DMG MORI DMU 80)
  - Suvirinimo užpildo nusodinimas (GTAW)
  - Užbaikite apdirbimą pagal originalų CAD

• B grupė (hibridas):
  - Minimalus defektų šalinimas (<1 mm gylio)
  - DED remontas naudojant „Meltio M450“ (316L viela)
  - Adaptyvus CNC perdirbimas („Siemens NX CAM“)

2.2 Duomenų rinkimas

• Medžiagų efektyvumas: masės matavimai prieš ir po remonto („Mettler XS205“)

• Laiko stebėjimas: procesų stebėjimas naudojant daiktų interneto jutiklius („ToolConnect“)

• Mechaniniai bandymai:
  - Kietumo kartografavimas (Buehler IndentaMet 1100)
  - Tempimo mėginiai (ASTM E8/E8M) iš remontuotų zonų

3 rezultatai ir analizė

3.1 Išteklių panaudojimas

1 lentelė: Remonto proceso metrikų palyginimas

3.2 Mechaninis vientisumas

Eksponuojami hibridiniu būdu suremontuoti pavyzdžiai:

• Pastovus kietumas (52–54 HRC, palyginti su pradiniu 53 HRC)

• Didžiausias tempiamasis stipris: 1 890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % pagrindinės medžiagos

• Nuovargio bandymo metu (10⁶ ciklų esant 80 % takumo įtempiui) nenustatyta tarpsluoksninė delaminacija

1 pav.: Hibridinio taisymo sąsajos mikrostruktūra (SEM 500×)
Pastaba: lygiagreti grūdelių struktūra lydymosi riboje rodo efektyvų šilumos valdymą.

4 Diskusija

4.1 Veiklos pasekmės

28,9 % laiko sutrumpėjimas pasiekiamas dėl to, kad nereikia šalinti birių medžiagų. Hibridinis apdorojimas yra naudingas:

• Senesni įrankiai su nebenaudojamomis medžiagomis

• Didelio sudėtingumo geometrijos (pvz., konforminiai aušinimo kanalai)

• Mažos apimties remonto scenarijai

4.2 Techniniai apribojimai

Pastebėti apribojimai:

• Didžiausias nusodinimo kampas: 45° nuo horizontalės (apsaugo nuo išsikišusių defektų)

• DED sluoksnio storio nuokrypis: ±0,12 mm, todėl reikalingos adaptyvios įrankių trajektorijos

• HIP apdorojimas po proceso yra būtinas aviacijos ir kosmoso įrangos įrankiams

5 Išvada

Hibridinis CNC-AM metodas sumažina įrankių remonto išteklių sąnaudas 23–42 %, išlaikant mechaninį ekvivalentiškumą subtraktyviesiems metodams. Jį rekomenduojama įdiegti vidutinio geometrinio sudėtingumo komponentams, kai medžiagų taupymas pateisina AM eksploatavimo sąnaudas. Vėlesni tyrimai optimizuos grūdintų įrankinių plienų (>60 HRC) nusodinimo strategijas.