CNC-AM แบบลบกับแบบไฮบริดสำหรับการซ่อมเครื่องมือ

พีเอฟที เซินเจิ้น

การศึกษานี้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของการกลึงซีเอ็นซีแบบลบแบบดั้งเดิมกับการผลิตแบบเติมแต่ง (AM) แบบไฮบริดที่กำลังเกิดขึ้นใหม่สำหรับการซ่อมแซมเครื่องมืออุตสาหกรรม ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ (เวลาซ่อมแซม การใช้วัสดุ และความแข็งแรงเชิงกล) ถูกวัดปริมาณโดยใช้การทดลองควบคุมกับแม่พิมพ์ปั๊มที่เสียหาย ผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่าวิธีการแบบผสมช่วยลดการสูญเสียวัสดุได้ 28–42% และลดระยะเวลาการซ่อมแซมลง 15–30% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบลบอย่างเดียว การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคยืนยันความต้านทานแรงดึงที่เทียบเท่า (≥98% ของเครื่องมือเดิม) ในชิ้นส่วนที่ซ่อมแซมแบบผสม ข้อจำกัดหลักเกี่ยวข้องกับข้อจำกัดด้านความซับซ้อนทางเรขาคณิตสำหรับการเคลือบ AM ผลการวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า CNC-AM แบบผสมเป็นกลยุทธ์ที่เหมาะสมสำหรับการบำรุงรักษาเครื่องมืออย่างยั่งยืน

1 บทนำ

การเสื่อมสภาพของเครื่องมือทำให้อุตสาหกรรมการผลิตต้องเสียค่าใช้จ่าย 240,000 ล้านดอลลาร์ต่อปี (NIST, 2024) การซ่อมแซมด้วยเครื่อง CNC แบบลบออกแบบดั้งเดิมสามารถกำจัดชิ้นส่วนที่เสียหายได้ด้วยการกัด/เจียร ซึ่งมักจะทำให้วัสดุเหลือใช้เหลือทิ้งมากกว่า 60% การผสานรวม CNC-AM แบบไฮบริด (การสะสมพลังงานโดยตรงบนเครื่องมือที่มีอยู่) สัญญาว่าจะใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังขาดการตรวจสอบความถูกต้องในระดับอุตสาหกรรม งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นข้อได้เปรียบเชิงปริมาณในการดำเนินงานของเวิร์กโฟลว์แบบไฮบริดเมื่อเทียบกับวิธีการลบออกแบบดั้งเดิมสำหรับการซ่อมแซมเครื่องมือที่มีมูลค่าสูง

2 วิธีการ

2.1 การออกแบบการทดลอง

แม่พิมพ์ปั๊มเหล็ก H13 ที่เสียหายจำนวน 5 ชิ้น (ขนาด: 300×150×80 มม.) ได้รับการซ่อมแซม 2 วิธี:

• กรุ๊ป A (ลบ):
  - การกำจัดความเสียหายด้วยการกัด 5 แกน (DMG MORI DMU 80)
  - การสะสมฟิลเลอร์เชื่อม (GTAW)
  - งานกลึงละเอียดตาม CAD ต้นฉบับ

• กลุ่ม B (ไฮบริด) :
  - การกำจัดข้อบกพร่องขั้นต่ำ (ความลึก <1 มม.)
  - ซ่อม DED โดยใช้ Meltio M450 (สาย 316L)
  - การปรับแต่งเครื่องจักร CNC (Siemens NX CAM)

2.2 การรวบรวมข้อมูล

• ประสิทธิภาพของวัสดุ: การวัดมวลก่อน/หลังการซ่อมแซม (Mettler XS205)

• การติดตามเวลา: การตรวจสอบกระบวนการด้วยเซ็นเซอร์ IoT (ToolConnect)

• การทดสอบเชิงกล:
  - การทำแผนที่ความแข็ง (Buehler IndentaMet 1100)
  - ตัวอย่างแรงดึง (ASTM E8/E8M) จากโซนที่ได้รับการซ่อมแซม

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

3.1 การใช้ทรัพยากร

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบเมตริกกระบวนการซ่อมแซม

3.2 ความสมบูรณ์เชิงกล

ตัวอย่างที่ได้รับการซ่อมแซมแบบลูกผสมที่จัดแสดง:

• ความแข็งสม่ำเสมอ (52–54 HRC เทียบกับ 53 HRC เดิม)

• ความแข็งแรงแรงดึงสูงสุด: 1,890 MPa (±25 MPa) – 98.4% ของวัสดุฐาน

• ไม่มีการแยกชั้นของส่วนต่อประสานในการทดสอบความล้า (10⁶ รอบที่ความเค้นยืดหยุ่น 80%)

รูปที่ 1: โครงสร้างจุลภาคของอินเทอร์เฟซการซ่อมแซมแบบไฮบริด (SEM 500×)
หมายเหตุ: โครงสร้างเกรนที่เท่ากันที่ขอบเขตฟิวชันบ่งชี้ถึงการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

4 การอภิปราย

4.1 ผลกระทบด้านปฏิบัติการ

การลดเวลาลง 28.9% เกิดจากการกำจัดวัสดุจำนวนมากออกไป การประมวลผลแบบไฮบริดพิสูจน์ให้เห็นถึงข้อได้เปรียบสำหรับ:

• เครื่องมือเก่าที่มีวัสดุที่เลิกผลิตแล้ว

• รูปทรงเรขาคณิตที่มีความซับซ้อนสูง (เช่น ช่องระบายความร้อนแบบคอนฟอร์มัล)

• สถานการณ์การซ่อมแซมปริมาณน้อย

4.2 ข้อจำกัดทางเทคนิค

ข้อจำกัดที่สังเกตได้:

• มุมการสะสมสูงสุด: 45° จากแนวนอน (ป้องกันข้อบกพร่องที่ยื่นออกมา)

• ความแปรปรวนของความหนาของชั้น DED: ±0.12 มม. ต้องใช้เส้นทางเครื่องมือแบบปรับได้

• การบำบัด HIP หลังกระบวนการมีความจำเป็นสำหรับเครื่องมือระดับอวกาศ

5 บทสรุป

Hybrid CNC-AM ช่วยลดการใช้ทรัพยากรในการซ่อมแซมเครื่องมือลง 23–42% ในขณะที่ยังคงรักษาความเท่าเทียมเชิงกลกับวิธีการลบออก แนะนำให้ใช้กับชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนทางเรขาคณิตปานกลาง ซึ่งการประหยัดวัสดุเป็นเหตุผลที่สมเหตุสมผลต่อต้นทุนการดำเนินงานของ AM งานวิจัยต่อไปจะปรับกลยุทธ์การสะสมให้เหมาะสมที่สุดสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือชุบแข็ง (>60 HRC)