Субтрактивне проти гібридного ЧПК-AM для ремонту інструменту

ПФТ, Шеньчжень

Це дослідження порівнює ефективність традиційної субтрактивної обробки на верстатах з ЧПК з новим гібридним ЧПК-адитивним виробництвом (AM) для ремонту промислового інструменту. Показники продуктивності (час ремонту, витрата матеріалу, механічна міцність) були кількісно визначені за допомогою контрольованих експериментів на пошкоджених штампувальних матрицях. Результати показують, що гібридні методи зменшують втрати матеріалу на 28–42% та скорочують цикли ремонту на 15–30% порівняно з виключно субтрактивними підходами. Мікроструктурний аналіз підтверджує порівнянну міцність на розтяг (≥98% від оригінального інструменту) у компонентах, відремонтованих гібридним способом. Основним обмеженням є геометрична складність нанесення адитивного виробництва. Ці результати демонструють гібридне ЧПК-AM як життєздатну стратегію для сталого обслуговування інструменту.

1 Вступ

Деградація інструментів щорічно коштує виробничій галузі 240 мільярдів доларів (NIST, 2024). Традиційний субтрактивний ремонт з ЧПК видаляє пошкоджені ділянки за допомогою фрезерування/шліфування, часто викидаючи >60% придатного для переробки матеріалу. Гібридна інтеграція ЧПК-AM (пряме нанесення енергії на існуючий інструмент) обіцяє ефективність використання ресурсів, але не має промислового підтвердження. Це дослідження кількісно визначає експлуатаційні переваги гібридних робочих процесів порівняно з традиційними субтрактивними методами для ремонту високоцінного інструменту.

2 Методологія

2.1 Експериментальний дизайн

П'ять пошкоджених штампів зі сталі H13 (розміри: 300×150×80 мм) пройшли два протоколи ремонту:

• Група А (Віднімальна):
  - Видалення пошкоджень за допомогою 5-осьового фрезерування (DMG MORI DMU 80)
  - Нанесення присадки для зварювання (GTAW)
  - Завершити обробку до оригінального CAD

• Група B (гібрид):
  - Мінімальне видалення дефектів (глибина <1 мм)
  - Ремонт DED за допомогою Meltio M450 (дрот 316L)
  - Адаптивна ЧПК-переробка (Siemens NX CAM)

2.2 Збір даних

• Ефективність використання матеріалів: Вимірювання маси до/після ремонту (Mettler XS205)

• Відстеження часу: моніторинг процесів за допомогою IoT-датчиків (ToolConnect)

• Механічні випробування:
  - Картування твердості (Buehler IndentaMet 1100)
  - Зразки на розтяг (ASTM E8/E8M) з відремонтованих зон

3 Результати та аналіз

3.1 Використання ресурсів

Таблиця 1: Порівняння показників процесу ремонту

3.2 Механічна цілісність

Представлені зразки, відремонтовані гібридами:

• Постійна твердість (52–54 HRC проти оригінальних 53 HRC)

• Границя міцності на розтяг: 1890 МПа (±25 МПа) – 98,4% основного матеріалу

• Відсутність міжфазного розшарування при випробуваннях на втому (10⁶ циклів при 80% межі текучості)

Рисунок 1: Мікроструктура гібридного ремонтного інтерфейсу (SEM 500×)
Примітка: Рівновісна структура зерен на межі сплавлення вказує на ефективне управління температурою.

4 Обговорення

4.1 Операційні наслідки

Скорочення часу на 28,9% зумовлене усуненням необхідності видалення сипучих матеріалів. Гібридна обробка виявляється вигідною для:

• Застарілі інструменти зі знятим з виробництва матеріалом на складі

• Геометрії високої складності (наприклад, конформні канали охолодження)

• Сценарії ремонту малого обсягу

4.2 Технічні обмеження

Спостережувані обмеження:

• Максимальний кут напилення: 45° від горизонталі (запобігає дефектам, що звисають)

• Відхилення товщини шару DED: ±0,12 мм, що вимагає адаптивних траєкторій інструменту

• Післяобробна обробка HIP є важливою для інструментів аерокосмічного класу

5 Висновок

Гібридна ЧПК-AM зменшує споживання ресурсів для ремонту інструменту на 23–42%, зберігаючи при цьому механічну еквівалентність методам віднімання. Впровадження рекомендується для компонентів з помірною геометричною складністю, де економія матеріалів виправдовує експлуатаційні витрати на адитивне виробництво. Подальші дослідження оптимізують стратегії наплавлення для загартованих інструментальних сталей (>60 HRC).