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真空低压铸造技术在航空航天部门的应用评估
苗玮

2018-01-18 | 聚焦

据SAE网站2018年1月10日刊文,高 圧鋳 造(HPDC)是适合铝镁合金的传统铸造工艺,但也不是没有瑕疵,主要表现是工艺过程中易出现气孔,由于质量得不到保证,限制了这项工艺在航空航天上的应用。真空低压铸造(SVDC)避免了该项不足,得到了工业界的普遍认可。

红色箭头标出的部分是波音737MAX的燃油口盖,是真空低压铸造在航空航天部门使用的主要实例

使用SVDC,设计师可以设计出形状复杂的整体薄壁零件,实现减重、降低能耗以及成本的目标。由于传统工艺过程易出现缺陷,为了达到要求的强度,零件厚度往往会设计为上限,但加厚的零件不能进行后续热处理,给装配和机加带来风险。SVDC的优点是可以进行后续热处理,提高铸件的性能,还可以将单个零件组合成整体。组合件的重量与整体件相比,重量可降低20%,壁厚减薄40%,同时降低能耗、材料使用成本、辐射以及使用热处理提高力学性能、拓宽使用范围等。

关于SVDC的效益,我们采用基于过程的成本模型(PBCM)来评估。PBCM 是三个相互关联和相互依存的模型,包括技术过程模型、生产运行模型以及资金核算模型等。技术过程模型的基本因素包括材料、能源、劳动力、设备、报废以及质量。运行模型的关键要素是时间,这对于确定技术过程如何在物理上实施和组织、以及工厂管理人员如何以成本-效益和易于运行的方式分配设备资源至关重要。资金模型里就是上述模型里的资源转化成经济成本,比如生产要素(如能源、劳动力、材料、设备等)用购买价格来衡量。这些模型的关键点是都要基于物理关系或统计学关系建立,比如关键资源的需求如设备性能(浇注能力、模具夹持力等)以及生产时间等与零件性能(尺寸和质量)以及工艺参数(温度、压力)的关系,然后再把这些需求转换成特殊的成本。

PBCM模型可以针对一项工艺在不同的生产效率、零件尺寸以及应用情况下,来比较材料、能耗等情况,进行盈亏分析。

下表中是口盖与两个附属件的成本分析,评估零件尺寸对成本经济性的影响。红线是HPDC的单位成本,绿线是SVDC的单位成本。当三个零件的产量都非常低的时候,SVDC的单位成本明显高于HPDC,但是随着产量的增加成本趋于一致甚至稍低于HPDC.达到相同成本的点在表中用蓝星标出。

对于大型的零件,当生产量为7180件,单价118.14美元时,两种工艺的成本一样;对于中型大小的零件,生产量为8230件,单价45.54美元时达到一致。大型、中型和小型件的重量分别为22公斤、5.4公斤和0.4公斤。

SVDC和HPDC成本分析图,可以看出小型件使用SVDC的成本要比HPDC高出1.2%,大型件则低6%

如果中型件和大型件的年产量能达到10000件,使用SVDC生产是非常有利的,因为SVDC主要是能降低材料用量,但小型件的材料用量本来就少,所以SVDC对小型件的优势不明显。不过对于小型件来说,使用SVDC的成本仅高出HPDC 1.2%,这可以通过与大型件搭配或者控制能源消耗来平衡。

从今后来看,SVDC有助于提高产品性能、质量、可靠性、零件一致性以及降低碳排放,将是多数工业包括航空航天的首选技术。

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原文链接:SAE网站
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