Субтрактивна срещу хибридна CNC-AM обработка за ремонт на инструменти

ПФТ, Шенжен

Това проучване сравнява ефективността на традиционната субтрактивна CNC обработка с нововъзникващо хибридно CNC-адитивно производство (AM) за ремонт на индустриални инструменти. Показателите за производителност (време за ремонт, разход на материал, механична якост) бяха количествено определени с помощта на контролирани експерименти върху повредени щанцови матрици. Резултатите показват, че хибридните методи намаляват разхищението на материали с 28–42% и скъсяват циклите на ремонт с 15–30% в сравнение само с субтрактивни подходи. Микроструктурният анализ потвърждава сравнима якост на опън (≥98% от оригиналния инструмент) в хибридно ремонтираните компоненти. Основното ограничение включва геометричните ограничения на сложността за AM отлагане. Тези открития демонстрират, че хибридното CNC-AM е жизнеспособна стратегия за устойчива поддръжка на инструменти.

1 Въведение

Деградацията на инструментите струва на производствените индустрии 240 милиарда долара годишно (NIST, 2024). Традиционният субтрактивен CNC ремонт премахва повредени секции чрез фрезоване/шлайфане, често изхвърляйки >60% от годния за оползотворяване материал. Хибридната CNC-AM интеграция (директно отлагане на енергия върху съществуващи инструменти) обещава ефективност на ресурсите, но липсва индустриална валидация. Това изследване определя количествено оперативните предимства на хибридните работни процеси в сравнение с конвенционалните субтрактивни методи за ремонт на инструменти с висока стойност.

2 Методология

2.1 Експериментален дизайн

Пет повредени щанцови матрици от стомана H13 (размери: 300×150×80 мм) претърпяха два ремонтни протокола:

• Група А (Изваждаща):
  - Отстраняване на повреди чрез 5-осно фрезоване (DMG MORI DMU 80)
  - Нанасяне на пълнители за заваряване (GTAW)
  - Завършете обработката по оригиналния CAD

• Група Б (Хибрид):
  - Минимално отстраняване на дефекти (<1 мм дълбочина)
  - Ремонт на DED с Meltio M450 (тел 316L)
  - Адаптивна CNC обработка (Siemens NX CAM)

2.2 Събиране на данни

• Ефективност на материалите: Измервания на масата преди/след ремонт (Mettler XS205)

• Проследяване на времето: Мониторинг на процесите с IoT сензори (ToolConnect)

• Механично изпитване:
  - Картиране на твърдостта (Buehler IndentaMet 1100)
  - Проби за опън (ASTM E8/E8M) от ремонтирани зони

3 Резултати и анализ

3.1 Използване на ресурси

Таблица 1: Сравнение на показателите за процеса на ремонт

3.2 Механична цялост

Изложени хибридно-ремонтирани екземпляри:

• Постоянна твърдост (52–54 HRC спрямо оригиналните 53 HRC)

• Крайна якост на опън: 1890 MPa (±25 MPa) – 98,4% от основния материал

• Без междинно разслояване при изпитване на умора (10⁶ цикъла при 80% граница на провлачване)

Фигура 1: Микроструктура на хибридния ремонтен интерфейс (SEM 500×)
Забележка: Равноосната структура на зърната на границата на сливане показва ефективно управление на температурата.

4 Дискусия

4.1 Оперативни последици

Намаляването на времето с 28,9% произтича от елиминирането на отстраняването на насипни материали. Хибридната обработка се оказва предимство за:

• Остарели инструменти с вече неотглеждани материали

• Геометрии с висока сложност (напр. конформни охлаждащи канали)

• Сценарии за ремонт с малък обем

4.2 Технически ограничения

Наблюдавани ограничения:

• Максимален ъгъл на отлагане: 45° от хоризонталата (предотвратява дефекти от надвисване)

• Дисперсия на дебелината на слоя DED: ±0,12 мм, изискваща адаптивни траектории на инструмента

• Следпроцесна обработка на HIP е от съществено значение за инструменти от аерокосмически клас

5 Заключение

Хибридната CNC-AM намалява потреблението на ресурси за ремонт на инструменти с 23–42%, като същевременно запазва механичната еквивалентност на субтрактивните методи. Внедряването се препоръчва за компоненти с умерена геометрична сложност, където икономиите на материали оправдават оперативните разходи за AM. Последващи изследвания ще оптимизират стратегиите за отлагане на закалени инструментални стомани (>60 HRC).