Subtraktīvā un hibrīda CNC-AM metode instrumentu remontam

PFT, Šenžena

Šajā pētījumā salīdzināta tradicionālās subtraktīvās CNC apstrādes efektivitāte ar jauno hibrīdo CNC-aditīvo ražošanu (AM) rūpniecisko instrumentu remontam. Veiktspējas rādītāji (remonta laiks, materiāla patēriņš, mehāniskā izturība) tika kvantificēti, izmantojot kontrolētus eksperimentus ar bojātām štancēšanas matricām. Rezultāti liecina, ka hibrīdmetodes samazina materiālu atkritumus par 28–42% un saīsina remonta ciklus par 15–30%, salīdzinot ar tikai subtraktīvajām metodēm. Mikrostruktūras analīze apstiprina salīdzināmu stiepes izturību (≥98% no sākotnējā instrumenta) ar hibrīdremontētiem komponentiem. Galvenais ierobežojums ir saistīts ar ģeometriskās sarežģītības ierobežojumiem AM uzklāšanai. Šie atklājumi parāda, ka hibrīdā CNC-AM ir dzīvotspējīga stratēģija ilgtspējīgai instrumentu apkopei.

1 Ievads

Instrumentu degradācija ražošanas nozarēm izmaksā 240 miljardus ASV dolāru gadā (NIST, 2024). Tradicionālais subtraktīvais CNC remonts noņem bojātās sekcijas, frēzējot/slīpējot, bieži vien atbrīvojoties no >60% no atjaunojamā materiāla. Hibrīda CNC-AM integrācija (tieša enerģijas uzkrāšana uz esošajiem instrumentiem) sola resursu efektīvu izmantošanu, taču tai trūkst rūpnieciska apstiprinājuma. Šis pētījums kvantitatīvi nosaka hibrīdo darbplūsmu darbības priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām subtraktīvajām metodēm augstas vērtības instrumentu remontam.

2 Metodoloģija

2.1 Eksperimentālais dizains

Piecām bojātām H13 tērauda štancēšanas matricām (izmēri: 300 × 150 × 80 mm) tika veikti divi remonta protokoli:

• A grupa (atņemšana):
  - Bojājumu noņemšana, izmantojot 5 asu frēzēšanu (DMG MORI DMU 80)
  - Metināšanas pildvielas uzklāšana (GTAW)
  - Pabeigt apstrādi atbilstoši oriģinālajam CAD standartam

• B grupa (hibrīds):
  - Minimāla defektu noņemšana (<1 mm dziļums)
  - DED remonts, izmantojot Meltio M450 (316L stiepli)
  - Adaptīvā CNC atkārtota apstrāde (Siemens NX CAM)

2.2 Datu iegūšana

• Materiālu efektivitāte: Masas mērījumi pirms/pēc remonta (Mettler XS205)

• Laika izsekošana: procesu uzraudzība ar lietu interneta (IoT) sensoriem (ToolConnect)

• Mehāniskā pārbaude:
  - Cietības kartēšana (Buehler IndentaMet 1100)
  - Stiepes paraugi (ASTM E8/E8M) no remontētajām zonām

3 rezultāti un analīze

3.1 Resursu izmantošana

1. tabula: Remonta procesa metriku salīdzinājums

3.2 Mehāniskā integritāte

Izstādītie hibrīdlabotie paraugi:

• Vienmērīga cietība (52–54 HRC salīdzinājumā ar sākotnējo 53 HRC)

• Stiepes izturības ierobežojums: 1890 MPa (±25 MPa) – 98,4% no pamatmateriāla

• Noguruma testā (10⁶ cikli ar 80% tecēšanas robežu) netika novērota starpfāžu delaminācija.

1. attēls: Hibrīda remonta saskarnes mikrostruktūra (SEM 500×)
Piezīme: Vienāda ass graudu struktūra saplūšanas robežā norāda uz efektīvu termisko pārvaldību.

4 Diskusija

4.1 Operacionālās sekas

28,9 % laika samazinājums ir saistīts ar beramkravu izvešanas novēršanu. Hibrīdapstrāde izrādās izdevīga šādos gadījumos:

• Mantotie instrumenti ar pārtrauktu materiālu krājumu

• Augstas sarežģītības ģeometrijas (piemēram, konformāli dzesēšanas kanāli)

• Mazapjoma remonta scenāriji

4.2 Tehniskie ierobežojumi

Novērotie ierobežojumi:

• Maksimālais nogulsnēšanas leņķis: 45° no horizontāles (novērš pārkares defektus)

• DED slāņa biezuma dispersija: ±0,12 mm, kam nepieciešamas adaptīvas instrumentu trajektorijas

• Pēcapstrādes HIP apstrāde ir būtiska kosmosa līmeņa instrumentiem

5 Secinājums

Hibrīda CNC-AM metode samazina instrumentu remonta resursu patēriņu par 23–42 %, vienlaikus saglabājot mehānisko līdzvērtību subtraktīvajām metodēm. To ieteicams ieviest komponentiem ar mērenu ģeometrisko sarežģītību, kur materiālu ietaupījums attaisno AM ekspluatācijas izmaksas. Turpmākie pētījumi optimizēs nogulsnēšanas stratēģijas rūdītiem instrumentu tēraudiem (>60 HRC).