Sản xuất lai bồi đắp và cắt gọt: Kết nối quy trình giữa in 3D và CNC cùng kiểm soát độ chính xác

Mở đầu: Vì sao một quy trình đơn lẻ ngày càng không đủ

Sản xuất bồi đắp thuần túy như LPBF/SLM hoặc SLS có thể tạo hình khoang trong phức tạp và cấu trúc theo biên dạng, nhưng độ nhám bề mặt tự do thường ở mức Ra 6-12μm. Độ chính xác kích thước chịu ảnh hưởng bởi biến dạng nhiệt và thiêu kết bột, nên khó đáp ứng trực tiếp yêu cầu lắp ráp và làm kín. Gia công cắt gọt thuần túy như CNC 5 trục có chất lượng bề mặt cao và kích thước ổn định, nhưng hiệu suất sử dụng vật liệu thấp, ví dụ khi cắt titan có thể hơn 90% vật liệu trở thành phoi; ngoài ra, hốc sâu và kênh dẫn bên trong hoàn toàn không thể tiếp cận bằng dao cụ. Kết hợp hai phương pháp trong một chuỗi công nghệ — bồi đắp đảm nhiệm tạo hình gần hoàn thiện, cắt gọt đảm nhiệm gia công tinh đến kích thước cuối — chính là điểm xuất phát của sản xuất lai bồi đắp và cắt gọt.

1. Sản xuất lai bồi đắp và cắt gọt là gì

Có hai hình thức chủ đạo. Thứ nhất là máy tích hợp, trong đó cùng một bàn máy tích hợp đầu đắp laser/cấp bột và trục chính phay 5 trục, cho phép bồi đắp và cắt gọt luân phiên trong cùng một hệ tọa độ. Thứ hai là tách công đoạn, trước tiên dùng in 3D để tạo phôi gần hoàn thiện, sau đó chuyển sang CNC để hoàn thiện các đặc tính có độ chính xác cao. Hình thức đầu có tính nhất quán chuẩn tốt nhất, còn hình thức sau có chi phí cải tạo thiết bị thấp và dễ triển khai trên dây chuyền hiện có. Với phần lớn chi tiết kim loại sản xuất theo lô nhỏ và vừa, mô hình tách công đoạn là điểm khởi đầu có hiệu quả chi phí cao hơn.

2. Ba điểm kiểm soát then chốt khi kết nối quy trình

Thứ nhất là thống nhất chuẩn. Ở giai đoạn bồi đắp, cần chừa sẵn chuẩn định vị phù hợp với đồ gá CNC, thường là hệ chuẩn 3-2-1 hoặc một mặt hai chốt. Bề mặt kẹp của phôi in cần được thiết kế lượng dư 0,3-0,5mm để phay tinh lấy phẳng. Thứ hai là phân bổ lượng dư. Chỉ giao cho bồi đắp tạo hình trước những đặc tính mà dao không thể tiếp cận hoặc có tỷ lệ loại bỏ vật liệu quá cao; các mặt phẳng, hệ lỗ và bề mặt làm kín còn lại đều nên để CNC gia công tinh. Thông thường chừa lượng dư mỗi bên 0,2-0,4mm cho bán tinh và 0,05-0,1mm cho tinh. Thứ ba là tính nhất quán khi gá kẹp. Sau khi lấy chi tiết in ra khỏi buồng bột, biến dạng cần được giải phóng trước bằng ủ khử ứng suất, ví dụ giữ ở 300-400℃ trong 2-4 giờ; nếu không, ứng suất gá kẹp sẽ đàn hồi ngược trong quá trình cắt, gây trôi kích thước.

3. Kiểm soát độ chính xác: từ biến dạng nhiệt đến đo kiểm trên máy

Phôi bồi đắp tồn tại ứng suất dư, nên dễ đàn hồi ngược sau khi cắt bỏ phần ràng buộc. Giải pháp là thực hiện hóa già khử ứng suất trước gia công tinh, để lượng dư đồng đều khi gia công thô, sau bán tinh mới tiến hành tinh chỉnh. Với chi tiết độ chính xác cao, nên dùng đo kiểm trên máy (OMV) hoặc xác nhận chi tiết đầu tiên bằng máy đo tọa độ ba chiều (CMM), rồi đưa sai lệch đo được phản hồi để bù đường dao. Trong chuỗi dung sai, dung sai phôi bồi đắp thường kiểm soát theo IT12-IT14, còn kích thước cuối cùng được công đoạn cắt gọt thu về IT7-IT8; bề mặt làm kín quan trọng có thể đạt dưới Ra 0,8μm.

4. Ứng dụng điển hình và tham số

Đối với insert khuôn làm mát theo biên dạng, bồi đắp tạo kênh nước theo biên dạng, còn CNC gia công tinh mặt phân khuôn và lỗ chốt đẩy; bề mặt kênh nước nên khống chế ở Ra 3-5μm để giảm đóng cặn. Với bánh công tác liền khối trong hàng không, bồi đắp tạo trước hình gần hoàn thiện của cánh, sau đó phay 5 trục biên dạng cánh và moay-ơ, lượng dư mỗi bên khoảng 0,3mm. Với implant titan y tế, bồi đắp tạo nguyên khối cấu trúc xốp, còn CNC gia công tinh bề mặt lắp ghép và ren. Điểm chung của ba loại chi tiết là dùng bồi đắp để đổi lấy hiệu suất sử dụng vật liệu, và dùng cắt gọt để đổi lấy kích thước cùng chất lượng bề mặt.

5. Khuyết tật thường gặp và cách phòng tránh

Vết nối dao và vân rung thường xuất phát từ lượng dư không đều hoặc tỷ lệ chiều dài/đường kính dao quá lớn. Cách xử lý là đồng đều hóa lượng dư theo lớp, chọn dao ngắn và cứng, đồng thời giới hạn tốc độ cắt. Thiếu lượng dư sẽ gây sót bề mặt thô, vì vậy cần kiểm tra trực quan lượng dư trên mô hình in. Trôi chuẩn thường do ủ khử ứng suất chưa đủ, nên công đoạn khử ứng suất phải được đưa vào phiếu quy trình như một nút bắt buộc. Biến dạng do gá kẹp có thể được giảm bằng má mềm, bàn hút chân không và cầu đỡ để phân tán lực kẹp.

Kết luận

Sản xuất lai bồi đắp và cắt gọt không đơn thuần là đặt hai thiết bị cạnh nhau, mà là nối chuẩn, lượng dư, khử ứng suất và đo kiểm trên máy thành một chuỗi quy trình có thể kiểm soát. Khi triển khai, doanh nghiệp nên bắt đầu từ mô hình tách công đoạn, xây dựng thao tác tiêu chuẩn quanh thống nhất chuẩn và phân bổ lượng dư, sau đó dùng đo kiểm trên máy để tạo vòng kín giữ kích thước. Chỉ như vậy mới có thể chuyển lợi thế tạo hình phức tạp của bồi đắp thành chất lượng ổn định của gia công cắt gọt.