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數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)與裝備

本研究針對(duì)復(fù)雜鑄件整體制造難、制模周期長(zhǎng)、資源消耗大等難題，構(gòu)建無(wú)模鑄造復(fù)合成形原理及機(jī)制，發(fā)明復(fù)雜砂型/芯數(shù)字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發(fā)出砂型擠壓/切削復(fù)合成形工藝，省去木模、金屬模制造過(guò)程。一、項(xiàng)目分類(lèi) 關(guān)鍵核心技術(shù)突破二、成果簡(jiǎn)介鑄造是我國(guó)裝備制造的基礎(chǔ)工藝，無(wú)論是農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床、汽車(chē)、船舶，還是航空航天以及國(guó)防軍工等領(lǐng)域的發(fā)展都離不開(kāi)鑄件。我國(guó)現(xiàn)已成為世界鑄件生產(chǎn)大國(guó)，2020年我國(guó)各類(lèi)鑄件總產(chǎn)量達(dá)到5195萬(wàn)噸，較2019年同比增長(zhǎng)6.6%，約占世界總產(chǎn)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(lái)源廣泛、成本低、鑄型制造簡(jiǎn)便以及應(yīng)用合金種類(lèi)多等優(yōu)點(diǎn)，世界上80%的鑄件都是采用砂型鑄造。對(duì)于砂型鑄造工藝來(lái)說(shuō)，模樣、芯盒等模具的設(shè)計(jì)制造是非常復(fù)雜并且耗時(shí)的過(guò)程，該過(guò)程首先需要根據(jù)鑄造方案進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)，然后通過(guò)翻模制作砂型和砂芯，之后再將制作好的砂型和砂芯經(jīng)過(guò)組芯、合箱以及澆鑄從而完成金屬毛坯的制造。而高性能復(fù)雜整體金屬結(jié)構(gòu)件又是航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通等領(lǐng)域高端裝備的核心組成部分。因此構(gòu)件的短流程、高精密、高性能制造是實(shí)現(xiàn)我國(guó)高端裝備自主研發(fā)及制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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(zhǎng)、形性精確控制難等世界性難題，無(wú)法滿足多品種、小批量、短流程、高精度的迫切要求，亟需研發(fā)新型精密成形基礎(chǔ)前沿機(jī)制與方法。本項(xiàng)目將構(gòu)建數(shù)字化精密成形理論體系，涵蓋數(shù)字化無(wú)模鑄造復(fù)合成形和數(shù)字化多材質(zhì)復(fù)合鑄型等兩方面，突破了復(fù)雜整體構(gòu)件高效率、高性能、高精度無(wú)模成形技術(shù)，變革了采用模具造型的傳統(tǒng)砂型鑄造和模壓鍛造生產(chǎn)模式，推動(dòng)傳統(tǒng)金屬成形模式的創(chuàng)新發(fā)展。復(fù)雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數(shù)字化無(wú)模鑄造復(fù)合成形技術(shù)與裝備本研究針對(duì)復(fù)雜鑄件整體制造難、制模周期長(zhǎng)、資源消耗大等難題，構(gòu)建無(wú)模鑄造復(fù)合成形原理及機(jī)制，發(fā)明復(fù)雜砂型/芯數(shù)字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發(fā)出砂型擠壓/切削復(fù)合成形工藝，省去木模、金屬模制造過(guò)程。揭示了擠壓工藝對(duì)砂型透氣性、砂型強(qiáng)度等性能的影響規(guī)律，發(fā)明了梯度緊實(shí)的柔性擠壓成形方法，實(shí)現(xiàn)了砂型/芯梯度緊實(shí)柔性擠壓近成形。復(fù)雜鑄件形性精確調(diào)控的數(shù)字化多材質(zhì)復(fù)合成形技術(shù)與裝備本研究針對(duì)傳統(tǒng)單一鑄型對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差異大、鑄件形性調(diào)控難、尺寸精度差等難題，提出了多材質(zhì)復(fù)合鑄型技術(shù)及與鑄件相匹配的多材質(zhì)復(fù)合鑄型及其坎合組裝方法，通過(guò)建立多材質(zhì)復(fù)合鑄型與高性能鑄件一體化精確鑄造成形的計(jì)算分析模型，構(gòu)建了多材質(zhì)復(fù)合鑄型的調(diào)控原理與方法。揭示了多材質(zhì)復(fù)合鑄型對(duì)鑄件溫度場(chǎng)、微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，研制出石英砂、寶珠砂、鉻鐵礦砂等構(gòu)成的形性可控鑄型材料配方，實(shí)現(xiàn)了鑄型透氣性、固化強(qiáng)度、切削性能的協(xié)同調(diào)控。研究了傳統(tǒng)鑄型與復(fù)合鑄型的凝固溫度曲線，對(duì)比了不同工藝所制鑄件的強(qiáng)度，掌握了各鑄型單元的熱力學(xué)參數(shù)及型砂種類(lèi)對(duì)鑄件性能的影響規(guī)律，揭示了金屬液與不同鑄型間的熱力耦合作用機(jī)理。三、創(chuàng)新點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo) 1.復(fù)雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數(shù)字化無(wú)模鑄造復(fù)合成形技術(shù)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(jī)理，建立了非均質(zhì)離散體砂型切削模型，發(fā)明了一種切削排砂一體化的無(wú)模鑄型數(shù)字化快速制造方法，實(shí)現(xiàn)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(fù)雜鑄件形性精確調(diào)控的數(shù)字化多材質(zhì)復(fù)合成形技術(shù)與裝備本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄件充型凝固過(guò)程的精確調(diào)控，提高了復(fù)雜鑄件內(nèi)在質(zhì)量與外在精度，實(shí)現(xiàn)了鑄件性能主動(dòng)精確調(diào)控，使鑄件廢品率從5%～10%降至2%～4%，減重10%～20%。四、知識(shí)產(chǎn)權(quán)及獲獎(jiǎng)（成果基礎(chǔ)）知識(shí)產(chǎn)權(quán)情況：成果獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利46件，其中美日等國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利18件；軟件著作權(quán)12件；起草制定國(guó)家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范14項(xiàng)；出版專(zhuān)著《無(wú)模鑄造》（機(jī)械工業(yè)出版社，2017）。成果入選并被列為國(guó)家工信部《機(jī)械基礎(chǔ)件、基礎(chǔ)制造工藝、基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃》（工信部規(guī)[2011]509號(hào)）中“50項(xiàng)推廣應(yīng)用的先進(jìn)綠色制造工藝”的首項(xiàng)技術(shù)。獲獎(jiǎng)情況： 2020年國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)； 2018年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)； 2017年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)； 2016年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)； 2016年中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)； 2014年國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)； 2012年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)； 2011年國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。五、成果圖片

南京航空航天大學(xué) 2022-08-12

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