Құралды жөндеуге арналған субтрактивтік және гибридті CNC-AM

ПФТ, Шэньчжэнь

Бұл зерттеу дәстүрлі субтрактивті CNC өңдеудің тиімділігін өнеркәсіптік құралды жөндеуге арналған жаңа гибридті CNC-аддитивті өндіріспен (AM) салыстырады. Өнімділік көрсеткіштері (жөндеу уақыты, материал шығыны, механикалық беріктік) зақымдалған штамптау қалыптары бойынша бақыланатын эксперименттер арқылы сандық түрде анықталды. Нәтижелер гибридті әдістер материалдың қалдықтарын 28–42%-ға азайтатынын және тек шегеруші әдістермен салыстырғанда жөндеу циклдерін 15-30%-ға қысқартатынын көрсетеді. Микроқұрылымдық талдау гибридті жөндеуден өткен құрамдас бөліктердегі салыстырмалы созылу күшін (≥98% бастапқы құрал) растайды. Бастапқы шектеу AM тұндыру үшін геометриялық күрделілік шектеулерін қамтиды. Бұл нәтижелер гибридті CNC-AM құралын тұрақты техникалық қызмет көрсетудің өміршең стратегиясы ретінде көрсетеді.

1 Кіріспе

Құралдың тозуы өңдеуші салаларға жыл сайын 240 миллиард долларды құрайды (NIST, 2024). Дәстүрлі субтрактивті CNC жөндеуі зақымдалған бөліктерді фрезерлеу/ұнтақтау арқылы жояды, көбінесе құтқарылатын материалдың >60% тастайды. Гибридті CNC-AM интеграциясы (бар құралға тікелей энергияны орналастыру) ресурстардың тиімділігін уәде етеді, бірақ өнеркәсіптік растау жоқ. Бұл зерттеу гибридті жұмыс ағындарының жоғары құнды құралдарды жөндеуге арналған кәдімгі шегергіш әдістермен салыстырғанда операциялық артықшылықтарын сандық түрде анықтайды.

2 Әдістеме

2.1 Эксперименттік жобалау

Бес зақымдалған H13 болат штамптау қалыптары (өлшемдері: 300×150×80мм) екі жөндеу хаттамасынан өтті:

• А тобы (азайтқыш):
  - 5 осьті фрезерлеу арқылы зақымдануды жою (DMG MORI DMU 80)
  - Дәнекерлеу толтырғышын тұндыру (GTAW)
  - Түпнұсқа CAD бойынша өңдеуді аяқтаңыз

• В тобы (гибридті):
  - Ең аз ақауларды жою (<1мм тереңдік)
  - Meltio M450 (316L сым) көмегімен ЖСҚ жөндеу
  - Бейімделетін CNC өңдеу (Siemens NX CAM)

2.2 Деректерді алу

• Материалдың тиімділігі: Жөндеу алдындағы/жөндеуден кейінгі массалық өлшемдер (Mettler XS205)

• Уақытты бақылау: IoT сенсорлары арқылы процесті бақылау (ToolConnect)

• Механикалық сынақтар:
  - Қаттылық картасы (Buehler IndentaMet 1100)
  - Жөнделген аймақтардағы созылу үлгілері (ASTM E8/E8M).

3 Нәтижелер және талдау

3.1 Ресурстарды пайдалану

1-кесте: Жөндеу процесінің көрсеткіштерін салыстыру

3.2 Механикалық тұтастық

Гибридті жөндеуден өткен үлгілер көрсетілді:

• Тұрақты қаттылық (52–54 HRC және бастапқы 53 HRC)

• Ең жоғары созылу беріктігі: 1890 МПа (±25 МПа) – негізгі материалдың 98,4%

• Шаршауды сынау кезінде фазааралық қабаттасудың болмауы (80% шығымдылық кернеуінде 10⁶ цикл)

1-сурет: Гибридті жөндеу интерфейсінің микроқұрылымы (SEM 500×)
Ескертпе: Біріктіру шекарасындағы теңестірілген дән құрылымы тиімді жылуды басқаруды көрсетеді.

4 Талқылау

4.1 Операциялық салдарлар

Уақытты 28,9% қысқарту сусымалы материалдарды алып тастауды жоюға байланысты. Гибридті өңдеу келесілер үшін тиімді:

• Тоқтатылған материал қоры бар ескі құрал

• Күрделілігі жоғары геометриялар (мысалы, конформды салқындату арналары)

• Төмен көлемді жөндеу сценарийлері

4.2 Техникалық шектеулер

Байқалған шектеулер:

• Максималды тұндыру бұрышы: көлденеңінен 45° (шамадан тыс ақауларды болдырмайды)

• DED қабатының қалыңдығының ауытқуы: ±0,12 мм, бейімделгіш құралдар жолын қажет етеді

• Аэроғарыштық құралдарға қажет HIP өңдеуден кейінгі өңдеу

5 Қорытынды

Гибридті CNC-AM субтрактивті әдістерге механикалық теңдікті сақтай отырып, құралды жөндеу ресурсын тұтынуды 23–42%-ға азайтады. Материалды үнемдеу AM операциялық шығындарын ақтайтын орташа геометриялық күрделілігі бар құрамдас бөліктерге енгізу ұсынылады. Кейінгі зерттеулер шыңдалған аспаптық болаттар үшін тұндыру стратегияларын оңтайландырады (>60 HRC).