CHLB ĐỨC – Các chương trình hàng không vũ trụ có chu kỳ dài yêu cầu sự kiểm soát chi phí chuẩn xác đi đôi với hiệu suất gia công kim loại tuyệt đối.

Ít có lĩnh vực nào đặt ra những tiêu chuẩn gia công phức tạp và mang tính chiến lược hơn ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng. Các bộ phận có cấu tạo phức tạp, vật liệu khó cắt gọt, dung sai thấp và sản lượng ít. Đồng thời, lĩnh vực này đang bước vào giai đoạn tăng trưởng mới nhờ sự phục hồi của hàng không thương mại, chi phí quốc phòng duy trì ở mức cao và các chương trình đổi mới đội bay dài hạn kéo dài hàng thập kỷ trong tương lai.

Theo sách trắng (white paper) (*) từ tập đoàn Walter Tools, gia công hàng không vũ trụ là một quá trình cân bằng liên tục giữa sự tinh vi về công nghệ và hiệu quả kinh tế. Các chương trình máy bay có thể kéo dài 20 năm hoặc hơn, nhưng các nhà cung cấp vẫn phải đối mặt với áp lực không ngừng trong việc giảm chi phí trên mỗi thành phần, rút ngắn thời gian sản xuất và duy trì độ tin cậy tuyệt đối của quy trình. Đối với các nhà máy sản xuất tại Canada hoạt động trong chuỗi cung ứng toàn cầu, thành công phụ thuộc vào việc kết hợp hài hòa giữa máy công cụ tiên tiến, công nghệ cắt gọt và đo lường trong quy trình với việc kiểm soát chi phí kỷ luật.
(*) White paper: là một bản báo cáo chuyên sâu hoặc tài liệu hướng dẫn nhằm giải quyết một vấn đề cụ thể hoặc trình bày về một công nghệ hay phương pháp mới.

Mối tương quan giữa việc thúc đẩy các giới hạn công nghệ và duy trì tính khả thi về kinh tế trong sản xuất chính là định nghĩa cho thực trạng của ngành gia công kim loại hàng không vũ trụ hiện nay.

Động lực tăng trưởng ổn định trong thời kỳ bất ổn
Dưới góc nhìn của các nhà chế tạo máy công cụ, ngành hàng không vũ trụ vẫn là một trong những thị trường tiêu thụ bền vững nhất tại Canada. Ông David Andrews, Tổng giám đốc công ty Mazak Canada, nhận định lĩnh vực này sẽ tiếp tục là trụ cột cho đầu tư vốn vượt xa chu kỳ kinh tế hiện tại.

Ông Andrews chia sẻ: “Ngành hàng không vũ trụ sẽ tiếp tục giữ vị trí dẫn đầu. Công ty Mazak nhận thấy nhu cầu tăng trưởng ổn định trên nhiều dòng máy bay khác nhau. Thị trường đang rất quan tâm đến các dòng máy bay thân hẹp như Boeing 737 và Airbus A320 do nhu cầu đi lại của người dân. Tuy nhiên, công ty cũng thấy đà phục hồi đang trở lại ở các chương trình máy bay thân rộng.”

Khác với các thị trường có tính chu kỳ cao, các quyết định đầu tư trong ngành hàng không vũ trụ không dễ bị chệch hướng bởi những biến động ngắn hạn. Ông Andrews lưu ý thêm: “Hàng không vũ trụ không chịu tác động quá nặng nề bởi các chính sách thuế quan hay chu kỳ kinh tế ngắn hạn vì đây là những chương trình kéo dài đến 20 năm. Việc ra quyết định luôn có tầm nhìn vượt xa bối cảnh chính trị hiện tại.”

Lĩnh vực quốc phòng cũng góp thêm một phần ổn định khác. Ông Andrews chỉ ra rằng hoạt động mua sắm gia tăng ở cả Mỹ và Canada là động lực quan trọng cho các nhà cung cấp tại Canada. Ông Andrews nói tiếp: “Với việc chi tiêu quốc phòng của Mỹ đang bùng nổ, chắc chắn sẽ thấy những tác động lan tỏa tích cực đến Canada. Nền kinh tế Canada và Mỹ gắn kết chặt chẽ với nhau; ngay cả đối với các dự án mật hoặc bị hạn chế, sự tham gia của chuỗi cung ứng vẫn luôn diễn ra xuyên biên giới.”

Tầm nhìn dài hạn này hỗ trợ đắc lực cho việc đầu tư vào các nền tảng gia công tiên tiến, nhưng đồng thời cũng đặt ra kỳ vọng cao hơn về năng suất, tính nhất quán và kiểm soát chi phí.

Chi phí trên mỗi thành phần, không phải giá thành công cụ
Trong gia công hàng không vũ trụ, chi phí sản xuất thực tế vượt xa giá của một công cụ cắt gọt. Ông John Giraldo, chuyên gia ứng dụng cao cấp tại công ty Sandvik Coromant, nhấn mạnh rằng nhiều nhà máy sản xuất hàng không vũ trụ có thể đang bỏ lỡ những lợi ích đáng kể về hiệu suất chỉ vì các quy trình không được xem xét lại thường xuyên.

Ông Giraldo chia sẻ: “Một trong những vấn đề lớn nhất mà chúng tôi nhận thấy là nhiều nhà sản xuất đơn giản là không có thời gian hoặc nhân sự chuyên trách để liên tục tối ưu hóa quy trình gia công của họ. Trong nhiều trường hợp, khách hàng mua một chiếc máy và vận hành theo đúng quy trình ‘chìa khóa trao tay’ (turnkey) (*) ban đầu từ nhà sản xuất máy, đôi khi kéo dài ba hoặc bốn năm, mà không hề đánh giá lại.”
(*) Turnkey: là thuật ngữ chỉ một sản phẩm hoặc dịch vụ được bàn giao ở trạng thái đã hoàn thiện 100%, người mua chỉ việc “xoay chìa khóa” là có thể bắt đầu vận hành ngay lập tức mà không cần phải tự mình lắp đặt, thiết lập hay điều chỉnh thêm.

Cách tiếp cận thụ động đó ngày càng trở nên rủi ro khi vật liệu, công nghệ dụng cụ và chiến lược gia công luôn phát triển hàng năm. Ông Giraldo nói rằng: “Tại công ty Sandvik Coromant, chúng tôi ra mắt các sản phẩm và cấp độ vật liệu mới mỗi năm, bao gồm các dòng sản phẩm tiện được phát triển riêng cho ứng dụng hàng không vũ trụ. Việc áp dụng các công nghệ mới này thường đem lại sự cải thiện tức thì về tuổi thọ công cụ, đôi khi từ 10 đến 15% hoặc hơn, điều này chuyển hóa trực tiếp thành sự gia tăng năng suất.”

Tuy nhiên, ông Giraldo khẳng định rằng công cụ cắt gọt đơn thuần không phải là “chìa khóa vạn năng”. Ông cho biết: “Thực tế hiện nay là lợi nhuận không còn đến từ việc chỉ đơn giản thay thế một mảnh dao (insert) mới và mong đợi tuổi thọ công cụ tăng gấp đôi hoặc gấp ba.” Thay vào đó, việc tối ưu hóa đòi hỏi một cái nhìn tổng thể về toàn bộ quy trình, từ chiến lược gia công thô đến các thông số gia công tinh.
(*) Insert: trong lĩnh vực gia công cơ khí, mảnh dao là những lưỡi cắt có thể thay thế được, được chế tạo từ các vật liệu rất cứng để lắp lên thân cán dao của máy tiện.

Cấu trúc nhôm: tốc độ, phoi và thiết kế máy
Bất chấp việc sử dụng vật liệu composite ngày càng tăng, hợp kim nhôm vẫn chiếm ưu thế trong cấu trúc của máy bay, và gia công hàng không vũ trụ vẫn được định nghĩa bởi tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao. Việc gia công loại bỏ hơn 90% phôi thô là điều phổ biến, và việc quản lý khối lượng phoi lớn đó là một thách thức quan trọng.

Ông Giraldo nói tiếp: “Khi gia công loại bỏ đến 90% phôi, việc thoát phoi (1) trở nên rất quan trọng”. Những tiến bộ trong hình học công cụ (2), lớp phủ trên mảnh dao và thiết kế tưới nguội xuyên tâm (3) giúp kiểm soát tải trọng phoi và hỗ trợ tốc độ cắt cũng như tốc độ tiến dao cao hơn, nhưng bản thân máy công cụ cũng đóng vai trò quan trọng không kém.
(1) Phoi (chip): là những mảnh vụn, sợi kim loại bắn ra trong quá trình mảnh dao cắt vào phôi.
– Thoát (evacuation): là quá trình đẩy những mảnh vụn đó ra khỏi vùng đang cắt.
(2) Hình học dụng cụ (tool geometry): là hình dáng, các góc cắt và rãnh xoắn trên dao (hoặc mảnh dao).
(3) Làm mát xuyên tâm (through-coolant): Là một tính năng rất quan trọng trong gia công hiện đại. Thay vì phun nước làm mát từ bên ngoài vào (thường bị phoi chặn lại), dung dịch làm mát được bơm trực tiếp qua các lỗ nhỏ chạy dọc trong thân dao và phun ra ngay tại lưỡi cắt.

Ông Giraldo giải thích: “Đối với nhôm, trục chính có số vòng quay cao (high-RPM) (*) là yếu tố thiết yếu để ngăn vật liệu bám dính vào lưỡi cắt. Các dòng máy chuyên dụng cho nhôm với tốc độ trục chính cao thường là giải pháp hiệu quả nhất.”
(*) High-RPM (high revolutions per minute): là số vòng quay trên mỗi phút rất cao.

Việc thoát phoi kém là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến việc sụt giảm năng suất máy. Ông Giraldo cho biết thêm: “Nếu không có hệ thống thoát phoi phù hợp, dù là qua chất làm nguội áp suất cao hay khí nén, phoi có thể bị cắt lại, dẫn đến hỏng công cụ và buộc công nhân phải dừng máy để dọn phoi thủ công. Thời gian dừng máy sẽ nhanh chóng làm mất đi ưu thế về sản lượng mà hệ thống mang lại.”

Sách trắng của tập đoàn Walter cũng nhấn mạnh điểm này, lưu ý rằng ngay cả các thông số cắt đã được tối ưu hóa tốt cũng mất đi hiệu quả khi dòng chảy của phoi không được kiểm soát, đặc biệt là trong các thành phần cấu trúc có hốc sâu.

Titan và siêu hợp kim: năng lượng, nhiệt độ và chiến lược
Nếu gia công nhôm tập trung vào tốc độ và kiểm soát phoi, thì titan và các siêu hợp kim dựa trên niken (nickel-based superalloys) (*) đòi hỏi một tư duy hoàn toàn khác. Những vật liệu này chiếm tỷ lệ lớn trong các càng đáp của máy bay (landing gear), các bộ phận gần động cơ và thiết bị quốc phòng, đồng thời chúng là nguyên nhân dẫn đến chi phí gia công cao nhất trong ngành hàng không vũ trụ.
(*) Nickel-based superalloys: là nhóm vật liệu kim loại được thiết kế để duy trì độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa cực tốt ở nhiệt độ rất cao (thường lên đến hơn 7000C hoặc 8000C). Thành phần chính của chúng là niken, được pha trộn thêm các nguyên tố như crom, cô-ban, molypden, nhôm và titan để tạo ra những đặc tính siêu việt. Các sản phẩm phổ biến là inconel (như inconel 718, 625), hastelloy, waspaloy hay monel.

Ông Giraldo cho biết: “Với các vật liệu và thành phần phức tạp hiện nay, việc tối ưu hóa đòi hỏi sự kết hợp giữa chủng loại vật liệu, lớp phủ, dạng hình học, thông số cắt và chiến lược ứng dụng phù hợp, được tùy chỉnh cho từng đặc tính cụ thể.”

Đối với vật liệu titan, hiệu quả đạt được nhanh nhất thông qua việc áp dụng các công cụ được thiết kế chuyên dụng để quản lý nhiệt và kiểm soát phoi. Ông Giraldo lưu ý: “Hai mảnh dao có vẻ rất giống nhau, nhưng sự khác biệt trong hình học bẻ phoi (chipbreaker geometry) (*) hoặc thành phần lớp phủ có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng kiểm soát phoi, quản lý nhiệt và tuổi thọ của công cụ.”
(*) Chipbreaker geometry: là các rãnh, gờ hoặc những thiết kế hình học đặc biệt trên bề mặt cắt của mảnh dao. Mục đích duy nhất của nó là làm cho dải phoi (vụn kim loại) khi thoát ra sẽ bị uốn cong, va đập và tự gãy vụn thành những đoạn nhỏ, thay vì kéo dài thành những sợi dây kim loại sắc nhọn và nguy hiểm.

Đối với các siêu hợp kim dựa trên niken như inconel 718, các chiến lược gia công đã thay đổi một cách căn bản. Ông Giraldo giải thích: “Trước đây, các nguyên công như phay rãnh toàn phần yêu cầu các thông số cắt rất thận trọng, dẫn đến tiêu hao công cụ cao và thời gian chu kỳ kéo dài.”

Ngày nay, các chiến lược phay thích ứng và phay hiệu suất cao đang chiếm ưu thế. Ông nói: “Các chiến lược này dựa trên độ ăn dao hướng tâm thấp kết hợp với tốc độ tiến dao cao hơn, thay vì cắt toàn rãnh. Về bản chất, khái niệm này là ‘thái mỏng’ vật liệu thay vì ép toàn bộ dao cắt vào vùng làm việc.”

Sách trắng của tập đoàn Walter cũng khẳng định rằng sự chuyển dịch này, được hỗ trợ bởi những tiến bộ trong độ cứng vững của máy, phần mềm CAM (computer-aided manufacturing) và vật liệu dụng cụ cắt, đã định nghĩa lại tính khả thi về mặt kinh tế khi gia công các loại siêu hợp kim chịu nhiệt (HRSA – heat-resistant super alloy).

Thành mỏng, độ vươn dài và cuộc chiến chống rung
Các thành phần hàng không vũ trụ hiếm khi có được ưu thế về mặt cắt ngang vững chãi. Những vách thành mỏng, hốc sâu và hình học phức tạp đã đẩy các công cụ và máy móc đến giới hạn ổn định. Trong môi trường này, độ cứng vững trở thành yếu tố quyết định cho cả chất lượng lẫn năng suất.

Ông Giraldo nhận định: “Đây là lúc các hệ thống dụng cụ mô-đun trở nên cần thiết. Yếu tố quan trọng chính là độ cứng vững, đặc biệt là mối tương quan với độ vươn dài của dụng cụ.”

Các hệ thống như giao diện mô-đun cho phép nhà sản xuất tùy chỉnh chiều dài và độ cứng của công cụ sao cho phù hợp với từng đặc tính cụ thể đang được gia công. Ông Giraldo giải thích: “Một cụm lắp ráp ngắn hơn, cứng vững hơn sẽ cho phép tốc độ tiến dao cao hơn, giảm rung động và mang lại bề mặt hoàn thiện tốt hơn. Ngược lại, độ vươn dài quá mức sẽ dẫn đến hiện tượng rung (chatter), chất lượng bề mặt kém và sai lệch về kích thước.”

Đối với các nhà máy sản xuất tại Canada chuyên chế tạo các linh kiện hàng không vũ trụ với sản lượng thấp nhưng chủng loại đa dạng, tính linh hoạt này là yếu tố sống còn. Ông Giraldo cho biết: “Ngành hàng không vũ trụ thường liên quan đến các dự án sản xuất đơn lẻ hoặc số lượng rất ít, vì vậy tính linh hoạt là cực kỳ quan trọng. Khi các giải pháp tiêu chuẩn không đáp ứng được nhu cầu của khách hàng, chúng tôi có thể nhanh chóng điều chỉnh chúng.”

Sản xuất chồng lớp (in 3D) thay đổi quy trình sản xuất
Mặc dù gia công cắt gọt (gia công trừ – subtractive) vẫn đóng vai trò trung tâm trong sản xuất hàng không vũ trụ, nhưng các quy trình chồng lớp đang định hình lại cách thức áp dụng cắt gọt kim loại. Ông Giraldo nhận thấy sản xuất chồng lớp giúp giảm lãng phí, đồng thời làm thay đổi các ưu tiên trong gia công.

Ông Giraldo cho biết: “Thay vì phải gia công loại bỏ 90% phôi thô, các doanh nghiệp sản xuất đang ngày càng bắt đầu với các thành phần có hình dạng gần như hoàn thiện (near-net-shape) được tạo ra thông qua quy trình sản xuất chồng lớp. Điều đó có nghĩa là hiện nay công ty Sandvik Coromant chỉ cần gia công 20% đến 30% công đoạn cuối cùng của bộ phận.”

Sự chuyển dịch này mang lại lợi ích về tính bền vững, nhưng nó cũng làm thay đổi các yêu cầu về dụng cụ. Độ chính xác khi gia công tinh và tính nguyên vẹn của bề mặt trở nên quan trọng hơn, trong khi các chiến lược gia công thô dần ít được chú trọng. Sản xuất chồng lớp cũng đang ảnh hưởng đến chính thiết kế dụng cụ, cho phép in các thân dụng cụ với các kênh làm nguội nội bộ được tối ưu hóa và rút ngắn thời gian sản xuất.

Đo lường tích hợp vào quy trình gia công cơ khí
Khi các chiến lược gia công ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, việc đo lường không còn bị tách rời trong phòng kiểm tra. Trong ngành hàng không vũ trụ, đo lường (metrology) đang ngày càng được tích hợp trực tiếp vào chu kỳ gia công.

Ông Jamie King, Giám đốc khu vực Canada của tập đoàn Blum-Novotest, nhận định: “Trước đây, việc thăm dò (probing) chỉ được xem là bước thực hiện trước khi gia công để đảm bảo vị trí chi tiết. Ngày nay, nó đã trở thành một phần của chiến lược quy trình và kế hoạch tự động hóa tổng thể.”

Các hệ thống thăm dò trong máy của công ty Blum hiện nay có thể quét các đặc tính phức tạp, đo độ bóng bề mặt và xác nhận tình trạng phôi trước khi các dụng cụ gia công tinh bắt đầu hoạt động. Ông King giải thích: “Giai đoạn này của quy trình không chỉ quan trọng để duy trì dung sai trên các bề mặt hoàn thiện, mà còn cung cấp thông tin về tình trạng của chi tiết trước khi dao gia công tinh cắt gọt.”

Việc giám sát dụng cụ cũng quan trọng khi gia công các vật liệu có giá trị cao. Ông King chia sẻ: “Chi phí của các bộ phận làm từ những vật liệu này quá cao, không thể mạo hiểm để xảy ra hư hại do gãy dụng cụ”. Việc giám sát theo thời gian thực cho phép điều khiển tốc độ tiến dao thích ứng và chủ động thay thế dụng cụ trước khi sự cố xảy ra.

Dữ liệu, khả năng truy xuất nguồn gốc và chứng nhận
Sản xuất hàng không vũ trụ không chỉ là cắt gọt kim loại mà còn liên quan chặt chẽ đến việc lưu trữ hồ sơ. Các chu kỳ đo lường tự động và thu thập dữ liệu kỹ thuật số giúp hỗ trợ khả năng truy xuất nguồn gốc và tuân thủ các quy định nghiêm ngặt của ngành.

Ông King nói rằng: “Các hệ thống thăm dò của tập đoàn Blum-Novotest có thể kết hợp với các phần mềm ưu việt để cung cấp giải pháp cho việc truy xuất nguồn gốc và dữ liệu lịch sử. Tập đoàn thậm chí có thể sử dụng phần mềm này để tạo thành một vòng lặp khép kín trở lại máy công cụ, nhằm cập nhật các giá trị bù trừ (offsets) và đảm bảo rằng máy luôn cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.”

Tuy nhiên, ông King cũng đưa ra cảnh báo về việc thu thập dữ liệu một cách thiếu chọn lọc. “Dù dữ liệu rất quan trọng, tôi luôn khuyên khách hàng nên tập trung vào việc thu thập và đánh giá những dữ liệu thực sự liên quan, những thông tin có thể trực tiếp chuyển hóa thành các hành động cụ thể.”

Một sự bằng dài hạn
Con đường phía trước đã rõ ràng nhưng không hề đơn giản. Cơ hội tăng trưởng là có thật, được củng cố bởi các chương trình máy bay chu kỳ dài và đầu tư quốc phòng ngày càng tăng. Đồng thời, áp lực cạnh tranh đòi hỏi sự tập trung không ngừng nghỉ vào chi phí trên mỗi thành phần, sự ổn định của quy trình và việc giảm thiểu rủi ro.

Như báo cáo từ sách trắng của tập đoàn Walter đã kết luận, gia công kim loại trong ngành hàng không vũ trụ sẽ tiếp tục được định nghĩa bởi một sự cân bằng: tận dụng công nghệ tiên tiến tại những khâu mang lại giá trị có thể đo lường được, đồng thời duy trì kỷ luật kinh tế trên toàn bộ hệ sinh thái gia công. Đối với những nhà máy sản xuất sẵn sàng tối ưu hóa liên tục và tích hợp máy móc, công cụ cùng hệ thống đo lường thành một chiến lược thống nhất, sự cân bằng đó hoàn toàn có thể đạt được.

Để xem các tin bài khác về “Gia công kim loại”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworking Technology