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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

本發明提供了一種電磁脈沖助推式漸進拉深成形方法，包括將 待成形板料置于凹模與凸模之間；實施預成形，使位于凸模底部的待 成形板料被壓入凹模內；在待成形板料位于凸模底部的部分施加電磁 力，向下推送待成形板料；同時在待成形板料的周邊均施加電磁力， 向凹模的中心推送待成形板料，使待成形板料流入凹模內；在凸模上 施加下壓力，使凸模下行，使待成形板料位于凸模下部的部分被向下 拉深；反復執行沖壓拉深與電磁脈沖拉深，直至完成待成形板

（專利號：ZL 201410495292.0） 簡介：本發明公開一種帶輔助底座的板料漸進成形方法，屬于金屬塑性加工成型技術領域。該成形方法首先在現有數控漸進成形機床上設置一套輔助底座裝置，將圓錐形輔助底座的底部固定在液壓缸上面，通過調節液壓缸的推力和行程以控制所述圓錐形輔助底座的升降；在數控漸進成形機床的夾具內安裝輔助底座裝置，并把液壓缸的底部固定在數控漸進成形機床上；然后三維建模以及調整圓錐形輔助底座的傾角，將待成形板料固定在夾具上，操

含芯棒和無芯棒的旋鍛工藝參數優化、缺陷預防以及產品設計。

項目背景： 超高強汽車用鋼具有超高的強度和優異的塑性，是汽車輕量化的理想材料，受到汽車制造行業的廣泛關注。根據國家強國戰略咨詢委員會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，汽車輕量化近期和中期目標為：重點發展超高強鋼和先進高強鋼技術，實現高強鋼在汽車中的應用比例達到 50%以上；重點發展第三代汽車鋼和鋁合金技術，并推進其產業化應用。因此，在車身結構件上應用超高強鋼是汽車行業極具潛力的發展方向之一。然而，超高強鋼在使用中還存在較多的應用瓶頸，比如其成形窗口窄、邊部開裂、回彈、可焊性差等問題。在所有問題中，回彈最為突出，并且隨著強度增加，回彈的傾向和嚴重程度不斷增大。在此背景下，開展針對超高強鋼回彈技術的研究，采取有效手段控制回彈，可有效推進高強鋼在汽車車身上的應用。 關鍵工藝技術： 項目的關鍵工藝技術為：基于組織演變的回彈行為控制技術，即基于超高強鋼成形過程中的組織演變與回彈的內在關系，提出回彈行為的控制技術。通過分析超高強汽車用鋼在成形過程中的 local misorientation 等微觀組織、力學性能和彈性模量的變化，總結影響超高強鋼的回彈機理，建立超高強鋼回彈預測模型，最終實現超高強鋼的回彈行為控制。

超高韌性混凝土（UHTCC） 硬化后具有顯著的應變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產生多條細密裂縫，極限裂縫寬度小于0.1mm，極限拉應變可穩定地達到3％以上。該材料的極限拉應變是混凝土拉應變 (0.01%)的300倍以上，鋼筋屈服應變 (0.15%) 的20倍以上。采用UHTCC永久性模板-結構一體化設計方法，在模板設計過程中，使用模板的連接件和面板來分散混凝土主體結構上的裂縫，借助UHTCC材料的裂縫無害化分散能力將混凝土結構可能產生的裂縫分散成寬度小于0.1mm的無害裂縫，通過這樣的方法可以有效控制大體積混凝土表面的裂縫，從而提升其耐久性

大跨徑橋梁需采用輕質高強的鋼橋，然而鋼橋橋面疲勞開裂和鋪裝層頻繁破損每年給國家帶來巨大的經濟損失和不良的社會影響，如武漢三橋“10年24修”等，屬世界性難題。針對這一問題，邵旭東教授成功研發了專用于鋼橋面的超高韌性混凝土（STC）材料，攻克了收縮、開裂、疲勞、薄層組合等一系列難題。鋼—STC輕型組合橋面能將橋面局部剛度提高40倍以上，延長鋼橋面抗疲勞壽命超3倍；鋼橋面鋪裝的難題不復存在。鋼—STC輕型組合橋面的使用壽命達100年，遠超常規鋼橋面鋪裝5~10年的壽命，初始成本略高，全壽命成本遠低于傳統鋪裝。該成果適用于各類新建或改建鋼橋橋面。目前在國內橋梁界影響巨大，受到權威橋梁專家的高度評價，獲得7項發明專利，頒布了相關地方標準，包括洞庭湖二大橋等20余座大型鋼橋已采用此橋面方案。

納米孔道的離子輸運現象是材料科學和生物物理等領域研究的熱點。當納米孔道的尺度達到納米即接近分子大小時，將會出現許多奇異的輸運現象。研究這些輸運現象對于了解細胞膜離子通道機制，制備新型高效分離設備淡化海水、處理污水，探索新型DNA測序方法等都有重要意義。基于核徑跡高分子膜制備的納米孔具有結構堅韌富有柔性并且可以高效大規模制備的優點，但是由于已沿用六十多年的傳統化學蝕刻制備法不便可靠控制蝕刻速率，無法達到亞納米尺度。劉峰和王宇鋼課題組基于多年來核徑跡納米孔研究工作的基礎（JACS，2008,2009；AFM, 2010,2011; EES, 2011等），首次通過高能重離子轟擊高分子膜并進行充分紫外線照射，不進行蝕刻而成功制備亞納米尺度的核孔膜 （Qi Wen, et al., Advanced Functional Materials，2016, Cover Highlights)。該膜具有超高離子選擇性，比如陰陽離子選擇性高達108，但導通量離實際應用尚有一定距離。事實上，選擇性和通量對于所有離子分離膜都是一對難以調和的矛盾。2017年《Science》專門就此發表題為“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的長篇評述文章，指出分離膜研究的正確方向是要同時具有高選擇性和高通量。通過優選高分子膜并利用新的制備工藝，劉峰、王宇鋼課題組所獲得的新型納米尺度核孔膜，在保持堿金屬離子與重金屬離子高選擇性的同時，將離子的輸運率提高了3個數量級 （圖A）。 這種納米核孔膜的優異分離性能突破了傳統的分離膜和氧化石墨烯等新型分離膜的局限 （圖B）。與此同時，他們還建立了高分子納米孔模型并通過分子動力學模擬揭示，一方面由于孔的半徑在0.5納米左右極大減少了脫水勢壘的阻礙從而極大提高了輸運量，同時由于部分脫水的離子和表面吸附的電荷之間的相互作用而保持了高選擇性 （圖C）。 這項研究揭示了納米孔道的離子輸運新機制，并且為突破高選擇性和高輸運率的矛盾提供了新的思路。通過該方法所制備的高分子膜在過濾重金屬元素的水凈化，制備新型電池等方面也有重要應用價值。

已有樣品/n團隊的研究工作取得了突破性進展，成功研制出超高采樣率、寬頻帶的30Gsps6bit ADC/DAC 芯片，大大縮短了與先進國家的技術差距，為我國在該領域擺脫國外技術壁壘限制增加了關鍵性的籌碼，對下游產業的發展起到了極大的促進作用。該芯片的使用簡單靈活，可實現并行多波段／多波束運行，并可提供較高的動態范圍。目前，該芯片已在武漢郵電科學院構建的1Tb/s 相干光OFDM 傳輸驗證平臺上實現應用驗證。

項目背景：超高強汽車用鋼具有超高的強度和優異的塑性，是汽車輕量化的理想材料，受到汽車制造行業的廣泛關注。根據國家強國戰略咨詢委員會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，汽車輕量化近期和中期目標為：重點發展超高強鋼和先進高強鋼技術，實現高強鋼在汽車中的應用比例達到 50%以上；重點發展第三代汽車鋼和鋁合金技術，并推進其產業化應用。因此，在車身結構件上應用超高強鋼是汽車行業極具潛力的發展方向之一。然而，超高強鋼在使用中還存在較多的應用瓶頸，比如其成形窗口窄、邊部開裂、回彈、可焊性差等問題。在所有問題中，回彈最為突出，并且隨著強度增加，回彈的傾向和嚴重程度不斷增大。在此背景下，開展針對超高強鋼回彈技術的研究，采取有效手段控制回彈，可有效推進高強鋼在汽車車身上的應用。關鍵工藝技術：項目的關鍵工藝技術為：基于組織演變的回彈行為控制技術，即基于超高強鋼成形過程中的組織演變與回彈的內在關系，提出回彈行為的控制技術。通過分析超高強汽車用鋼在成形過程中的 local misorientation 等微觀組織、力學性能和彈性模量的變化，總結影響超高強鋼的回彈機理，建立超高強鋼回彈預測模型，最終實現超高強鋼的回彈行為控制。