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數字化無模鑄造精密成形技術與裝備

本研究針對復雜鑄件整體制造難、制模周期長、資源消耗大等難題，構建無模鑄造復合成形原理及機制，發明復雜砂型/芯數字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發出砂型擠壓/切削復合成形工藝，省去木模、金屬模制造過程。一、項目分類關鍵核心技術突破二、成果簡介鑄造是我國裝備制造的基礎工藝，無論是農業機械、機床、汽車、船舶，還是航空航天以及國防軍工等領域的發展都離不開鑄件。我國現已成為世界鑄件生產大國，2020年我國各類鑄件總產量達到5195萬噸，較2019年同比增長6.6%，約占世界總產量45%，位居世界第一位。鑄造主要有砂型鑄造、金屬型鑄造和特種鑄造等，砂型鑄造由于其原材料來源廣泛、成本低、鑄型制造簡便以及應用合金種類多等優點，世界上80%的鑄件都是采用砂型鑄造。對于砂型鑄造工藝來說，模樣、芯盒等模具的設計制造是非常復雜并且耗時的過程，該過程首先需要根據鑄造方案進行模具的設計，然后通過翻模制作砂型和砂芯，之后再將制作好的砂型和砂芯經過組芯、合箱以及澆鑄從而完成金屬毛坯的制造。而高性能復雜整體金屬結構件又是航空航天、國防軍工、軌道交通等領域高端裝備的核心組成部分。因此構件的短流程、高精密、高性能制造是實現我國高端裝備自主研發及制造的關鍵環節。傳統的金屬成形如模具鑄造、模壓鍛造等需要木模、金屬模的成形工藝，存在工序多、流程長、形性精確控制難等世界性難題，無法滿足多品種、小批量、短流程、高精度的迫切要求，亟需研發新型精密成形基礎前沿機制與方法。本項目將構建數字化精密成形理論體系，涵蓋數字化無模鑄造復合成形和數字化多材質復合鑄型等兩方面，突破了復雜整體構件高效率、高性能、高精度無模成形技術，變革了采用模具造型的傳統砂型鑄造和模壓鍛造生產模式，推動傳統金屬成形模式的創新發展。復雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數字化無模鑄造復合成形技術與裝備本研究針對復雜鑄件整體制造難、制模周期長、資源消耗大等難題，構建無模鑄造復合成形原理及機制，發明復雜砂型/芯數字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發出砂型擠壓/切削復合成形工藝，省去木模、金屬模制造過程。揭示了擠壓工藝對砂型透氣性、砂型強度等性能的影響規律，發明了梯度緊實的柔性擠壓成形方法，實現了砂型/芯梯度緊實柔性擠壓近成形。復雜鑄件形性精確調控的數字化多材質復合成形技術與裝備本研究針對傳統單一鑄型對結構復雜、壁厚差異大、鑄件形性調控難、尺寸精度差等難題，提出了多材質復合鑄型技術及與鑄件相匹配的多材質復合鑄型及其坎合組裝方法，通過建立多材質復合鑄型與高性能鑄件一體化精確鑄造成形的計算分析模型，構建了多材質復合鑄型的調控原理與方法。揭示了多材質復合鑄型對鑄件溫度場、微觀組織及力學性能的影響規律，研制出石英砂、寶珠砂、鉻鐵礦砂等構成的形性可控鑄型材料配方，實現了鑄型透氣性、固化強度、切削性能的協同調控。研究了傳統鑄型與復合鑄型的凝固溫度曲線，對比了不同工藝所制鑄件的強度，掌握了各鑄型單元的熱力學參數及型砂種類對鑄件性能的影響規律，揭示了金屬液與不同鑄型間的熱力耦合作用機理。三、創新點及主要技術指標 1.復雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數字化無模鑄造復合成形技術與裝備本研究揭示了砂粒移位、橋連斷裂、空穴彌合的砂型/芯切削機理，建立了非均質離散體砂型切削模型，發明了一種切削排砂一體化的無模鑄型數字化快速制造方法，實現了高精高效制造，鑄件制造周期縮短50%以上，成本降低30%以上。 2.復雜鑄件形性精確調控的數字化多材質復合成形技術與裝備本研究實現了對鑄件充型凝固過程的精確調控，提高了復雜鑄件內在質量與外在精度，實現了鑄件性能主動精確調控，使鑄件廢品率從5%～10%降至2%～4%，減重10%～20%。四、知識產權及獲獎（成果基礎）知識產權情況：成果獲授權發明專利46件，其中美日等國際發明專利18件；軟件著作權12件；起草制定國家、行業等標準規范14項；出版專著《無模鑄造》（機械工業出版社，2017）。成果入選并被列為國家工信部《機械基礎件、基礎制造工藝、基礎材料產業“十二五”規劃》（工信部規[2011]509號）中“50項推廣應用的先進綠色制造工藝”的首項技術。獲獎情況： 2020年國家科學技術進步獎二等獎； 2018年中國機械工業科學技術獎特等獎； 2017年國家技術發明二等獎； 2016年中國機械工業科學技術獎特等獎； 2016年中國專利金獎； 2014年國家科學技術進步獎一等獎； 2012年北京市科學技術獎一等獎； 2011年國家科學技術進步獎二等獎。五、成果圖片

南京航空航天大學 2022-08-12

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