Субтрактивные и гибридные ЧПУ-AM для ремонта инструментов

PFT, Шэньчжэнь

В данном исследовании сравнивается эффективность традиционной субтрактивной обработки с ЧПУ с развивающейся гибридной технологией ЧПУ-аддитивного производства (АП) для ремонта промышленного инструмента. Показатели производительности (время ремонта, расход материала, механическая прочность) количественно определялись с помощью контролируемых экспериментов на повреждённых штампах. Результаты показывают, что гибридные методы сокращают отходы материала на 28–42% и сокращают циклы ремонта на 15–30% по сравнению с чисто субтрактивными методами. Микроструктурный анализ подтверждает сопоставимую прочность на разрыв (≥98% от исходного инструмента) компонентов, отремонтированных гибридными методами. Основным ограничением являются геометрические ограничения сложности нанесения АП. Эти результаты демонстрируют, что гибридная ЧПУ-АП является жизнеспособной стратегией для обеспечения устойчивого обслуживания инструмента.

1 Введение

Деградация инструмента обходится обрабатывающей промышленности в 240 млрд долларов ежегодно (NIST, 2024). Традиционный субтрактивный ремонт с ЧПУ предполагает удаление поврежденных участков фрезерованием/шлифованием, часто с отходами более 60% пригодного к использованию материала. Гибридная интеграция ЧПУ и аддитивного производства (прямое наложение энергии на существующий инструмент) обещает эффективность использования ресурсов, но не имеет промышленной валидации. Данное исследование количественно оценивает эксплуатационные преимущества гибридных рабочих процессов по сравнению с традиционными субтрактивными методами для ремонта дорогостоящего инструмента.

2 Методология

2.1 Экспериментальный дизайн

Пять поврежденных штампов из стали H13 (размеры: 300×150×80 мм) подверглись двум протоколам ремонта:

• Группа А (вычитающая):
  - Удаление повреждений методом 5-координатного фрезерования (DMG MORI DMU 80)
  - Сварка присадочным слоем (GTAW)
  - Завершение обработки в соответствии с исходным CAD-файлом

• Группа B (Гибрид):
  - Минимальное удаление дефектов (глубина <1 мм)
  - Ремонт DED с помощью Meltio M450 (провод 316L)
  - Адаптивная ЧПУ-обработка (Siemens NX CAM)

2.2 Сбор данных

• Эффективность использования материалов: измерения массы до/после ремонта (Mettler XS205)

• Отслеживание времени: мониторинг процессов с помощью датчиков Интернета вещей (ToolConnect)

• Механические испытания:
  - Картирование твердости (Buehler IndentaMet 1100)
  - Образцы на растяжение (ASTM E8/E8M) из отремонтированных зон

3 Результаты и анализ

3.1 Использование ресурсов

Таблица 1: Сравнение показателей процесса ремонта

3.2 Механическая целостность

Представлены образцы, восстановленные гибридным методом:

• Стабильная твердость (52–54 HRC против исходных 53 HRC)

• Предел прочности при растяжении: 1890 МПа (±25 МПа) – 98,4% основного материала

• Отсутствие расслоения на границе раздела при усталостных испытаниях (10⁶ циклов при пределе текучести 80%)

Рисунок 1: Микроструктура гибридного ремонтного интерфейса (СЭМ 500×)
Примечание: равноосная структура зерен на границе сплавления указывает на эффективное терморегулирование.

4 Обсуждение

4.1 Эксплуатационные последствия

Сокращение времени на 28,9% обусловлено исключением удаления сыпучего материала. Гибридная обработка эффективна для:

• Устаревший инструмент с прекращенным запасом материалов

• Геометрии высокой сложности (например, конформные каналы охлаждения)

• Сценарии мелкосерийного ремонта

4.2 Технические ограничения

Наблюдаемые ограничения:

• Максимальный угол наплавки: 45° от горизонтали (предотвращает образование нависающих дефектов)

• Изменение толщины слоя DED: ±0,12 мм, требующее адаптивных траекторий инструмента

• Постобработка методом ГИП необходима для инструментов аэрокосмического класса

5 Заключение

Гибридная технология ЧПУ-АП снижает расход ресурсов на ремонт инструмента на 23–42%, сохраняя при этом механическую эквивалентность субтрактивным методам. Рекомендована для деталей со средней геометрической сложностью, где экономия материала оправдывает эксплуатационные расходы на АП. Дальнейшие исследования позволят оптимизировать стратегии наплавки для закаленных инструментальных сталей (>60 HRC).