CNC-AM trừ so với CNC-AM lai để sửa chữa dụng cụ

PFT, Thâm Quyến

Nghiên cứu này so sánh hiệu quả của gia công CNC cắt gọt truyền thống với phương pháp gia công đắp dần (AM) lai CNC-bồi đắp (AM) mới nổi trong sửa chữa dụng cụ công nghiệp. Các chỉ số hiệu suất (thời gian sửa chữa, mức tiêu thụ vật liệu, độ bền cơ học) được định lượng bằng các thí nghiệm có kiểm soát trên khuôn dập bị hư hỏng. Kết quả cho thấy phương pháp lai giúp giảm lãng phí vật liệu từ 28–42% và rút ngắn chu kỳ sửa chữa từ 15–30% so với phương pháp chỉ cắt gọt. Phân tích vi cấu trúc xác nhận độ bền kéo tương đương (≥98% so với dụng cụ ban đầu) ở các chi tiết được sửa chữa lai. Hạn chế chính nằm ở các ràng buộc về độ phức tạp hình học đối với quá trình lắng đọng AM. Những phát hiện này chứng minh CNC-AM lai là một chiến lược khả thi cho việc bảo trì dụng cụ bền vững.

1 Giới thiệu

Sự xuống cấp của dụng cụ gây thiệt hại cho các ngành sản xuất 240 tỷ đô la mỗi năm (NIST, 2024). Phương pháp sửa chữa CNC cắt gọt truyền thống loại bỏ các phần bị hư hỏng thông qua quá trình phay/mài, thường loại bỏ hơn 60% vật liệu có thể tận dụng. Tích hợp CNC-AM lai (tích tụ năng lượng trực tiếp lên dụng cụ hiện có) hứa hẹn hiệu quả sử dụng tài nguyên nhưng chưa được kiểm chứng trong công nghiệp. Nghiên cứu này định lượng lợi thế vận hành của quy trình làm việc kết hợp so với các phương pháp cắt gọt thông thường trong sửa chữa dụng cụ giá trị cao.

2 Phương pháp luận

2.1 Thiết kế thử nghiệm

Năm khuôn dập thép H13 bị hỏng (kích thước: 300×150×80mm) đã trải qua hai giao thức sửa chữa:

• Nhóm A (Trừ):
  - Loại bỏ hư hỏng thông qua phay 5 trục (DMG MORI DMU 80)
  - Hàn đắp (GTAW)
  - Gia công hoàn thiện theo bản CAD gốc

• Nhóm B (lai):
  - Loại bỏ khuyết tật tối thiểu (độ sâu <1mm)
  - Sửa chữa DED bằng Meltio M450 (dây 316L)
  - Gia công CNC thích ứng (Siemens NX CAM)

2.2 Thu thập dữ liệu

• Hiệu quả vật liệu: Đo khối lượng trước/sau khi sửa chữa (Mettler XS205)

• Theo dõi thời gian: Giám sát quy trình bằng cảm biến IoT (ToolConnect)

• Kiểm tra cơ học:
  - Bản đồ độ cứng (Buehler IndentaMet 1100)
  - Mẫu kéo (ASTM E8/E8M) từ các vùng đã sửa chữa

3 Kết quả & Phân tích

3.1 Sử dụng tài nguyên

Bảng 1: So sánh các số liệu quy trình sửa chữa

3.2 Tính toàn vẹn cơ học

Các mẫu vật được sửa chữa lai tạo đã trưng bày:

• Độ cứng nhất quán (52–54 HRC so với 53 HRC ban đầu)

• Độ bền kéo cực đại: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% vật liệu cơ bản

• Không có hiện tượng tách lớp giao diện trong thử nghiệm mỏi (10⁶ chu kỳ ở ứng suất giới hạn chảy 80%)

Hình 1: Cấu trúc vi mô của giao diện sửa chữa lai (SEM 500×)
Lưu ý: Cấu trúc hạt cân bằng tại ranh giới hợp nhất cho thấy khả năng quản lý nhiệt hiệu quả.

4 Thảo luận

4.1 Ý nghĩa hoạt động

Việc giảm 28,9% thời gian bắt nguồn từ việc loại bỏ vật liệu rời. Quy trình xử lý kết hợp mang lại nhiều lợi ích cho:

• Dụng cụ kế thừa với vật liệu dự trữ đã ngừng sản xuất

• Hình học có độ phức tạp cao (ví dụ: kênh làm mát phù hợp)

• Các tình huống sửa chữa khối lượng thấp

4.2 Hạn chế kỹ thuật

Những hạn chế được quan sát:

• Góc lắng đọng tối đa: 45° so với phương ngang (ngăn ngừa khuyết tật nhô ra)

• Độ dày lớp DED chênh lệch: ±0,12mm yêu cầu đường chạy dao thích ứng

• Xử lý HIP sau xử lý là điều cần thiết cho các công cụ cấp hàng không vũ trụ

5 Kết luận

Phương pháp CNC-AM lai giúp giảm mức tiêu thụ tài nguyên sửa chữa dụng cụ từ 23–42% trong khi vẫn duy trì tính tương đương về mặt cơ học với các phương pháp cắt gọt. Phương pháp này được khuyến nghị áp dụng cho các chi tiết có độ phức tạp hình học vừa phải, trong đó việc tiết kiệm vật liệu hợp lý với chi phí vận hành AM. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tối ưu hóa các chiến lược lắng đọng cho thép dụng cụ tôi cứng (>60 HRC).