مقایسه‌ی روش کاهشی و ترکیبی CNC-AM برای تعمیر ابزار

پی اف تی، شنژن

این مطالعه اثربخشی ماشینکاری CNC سنتی کاهشی را با تولید افزایشی CNC (AM) هیبریدی نوظهور برای تعمیر ابزارهای صنعتی مقایسه می‌کند. معیارهای عملکرد (زمان تعمیر، مصرف مواد، مقاومت مکانیکی) با استفاده از آزمایش‌های کنترل‌شده بر روی قالب‌های مهرزنی آسیب‌دیده تعیین شدند. نتایج نشان می‌دهد که روش‌های هیبریدی در مقایسه با رویکردهای صرفاً کاهشی، ضایعات مواد را 28 تا 42 درصد کاهش داده و چرخه‌های تعمیر را 15 تا 30 درصد کوتاه‌تر می‌کنند. تجزیه و تحلیل ریزساختاری، مقاومت کششی قابل مقایسه (≥98٪ از ابزار اصلی) را در اجزای تعمیر شده با هیبرید تأیید می‌کند. محدودیت اصلی شامل محدودیت‌های پیچیدگی هندسی برای رسوب AM است. این یافته‌ها، CNC-AM هیبریدی را به عنوان یک استراتژی مناسب برای نگهداری پایدار ابزار نشان می‌دهند.

۱ مقدمه

هزینه فرسایش ابزار برای صنایع تولیدی سالانه ۲۴۰ میلیارد دلار است (NIST، ۲۰۲۴). تعمیر سنتی CNC با روش کاهشی، بخش‌های آسیب‌دیده را از طریق فرزکاری/سنگ‌زنی حذف می‌کند و اغلب بیش از ۶۰٪ از مواد قابل بازیافت را دور می‌ریزد. ادغام ترکیبی CNC-AM (رسوب مستقیم انرژی بر روی ابزار موجود) نویدبخش بهره‌وری منابع است اما فاقد اعتبار صنعتی است. این تحقیق مزایای عملیاتی گردش‌های کاری ترکیبی را در مقابل روش‌های کاهشی مرسوم برای تعمیر ابزار با ارزش بالا، کمّی می‌کند.

۲ روش‌شناسی

۲.۱ طراحی آزمایش

پنج قالب پرس فولادی H13 آسیب‌دیده (ابعاد: 300×150×80 میلی‌متر) تحت دو پروتکل تعمیر قرار گرفتند:

• گروه A (کاهشی):
  - رفع آسیب از طریق فرزکاری ۵ محوره (DMG MORI DMU 80)
  - رسوب پرکننده جوشکاری (GTAW)
  - ماشینکاری نهایی مطابق با CAD اصلی

• گروه B (ترکیبی):
  - حداقل حذف نقص (عمق کمتر از ۱ میلی‌متر)
  - تعمیر DED با استفاده از Meltio M450 (سیم 316L)
  - ماشینکاری مجدد CNC تطبیقی (Siemens NX CAM)

۲.۲ جمع‌آوری داده‌ها

• راندمان مواد: اندازه‌گیری جرم قبل/بعد از تعمیر (Mettler XS205)

• ردیابی زمان: نظارت بر فرآیند با حسگرهای اینترنت اشیا (ToolConnect)

• آزمایش مکانیکی:
  - نقشه سختی (Buehler IndentaMet 1100)
  - نمونه‌های کششی (ASTM E8/E8M) از نواحی تعمیر شده

۳ نتایج و تحلیل

۳.۱ استفاده از منابع

جدول ۱: مقایسه معیارهای فرآیند تعمیر

۳.۲ یکپارچگی مکانیکی

نمونه‌های ترمیم‌شده با هیبرید به نمایش گذاشته شده:

• سختی ثابت (۵۲-۵۴ HRC در مقابل ۵۳ HRC اولیه)

• استحکام کششی نهایی: ۱۸۹۰ مگاپاسکال (±۲۵ مگاپاسکال) - ۹۸.۴٪ از ماده پایه

• عدم لایه لایه شدن سطح مشترک در آزمایش خستگی (۱۰۶ سیکل در ۸۰٪ تنش تسلیم)

شکل ۱: ریزساختار فصل مشترک تعمیر هیبریدی (SEM 500×)
توجه: ساختار دانه‌بندی هم‌محور در مرز ذوب، نشان‌دهنده مدیریت حرارتی مؤثر است.

۴ بحث

۴.۱ پیامدهای عملیاتی

کاهش زمان ۲۸.۹ درصدی ناشی از حذف حذف مواد فله‌ای است. پردازش ترکیبی برای موارد زیر سودمند است:

• ابزارهای قدیمی با موجودی مواد از رده خارج شده

• هندسه‌های با پیچیدگی بالا (مثلاً کانال‌های خنک‌کننده‌ی تطبیقی)

• سناریوهای تعمیر کم حجم

۴.۲ محدودیت‌های فنی

محدودیت‌های مشاهده شده:

• حداکثر زاویه رسوب: ۴۵ درجه از حالت افقی (از ایجاد عیوب برآمده جلوگیری می‌کند)

• واریانس ضخامت لایه DED: ±0.12 میلی‌متر، نیازمند مسیرهای ابزار تطبیقی

• عملیات پس از پردازش HIP برای ابزارهای هوافضا ضروری است

۵ نتیجه‌گیری

CNC-AM هیبریدی، مصرف منابع تعمیر ابزار را 23 تا 42 درصد کاهش می‌دهد و در عین حال، معادل مکانیکی روش‌های کاهشی را حفظ می‌کند. پیاده‌سازی این روش برای قطعاتی با پیچیدگی هندسی متوسط که در آن‌ها صرفه‌جویی در مواد، هزینه‌های عملیاتی AM را توجیه می‌کند، توصیه می‌شود. تحقیقات بعدی، استراتژی‌های رسوب‌گذاری را برای فولادهای ابزار سخت‌شده (>60 HRC) بهینه خواهد کرد.