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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(mǎn)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

本發(fā)明提供了一種電磁脈沖助推式漸進(jìn)拉深成形方法，包括將 待成形板料置于凹模與凸模之間；實(shí)施預(yù)成形，使位于凸模底部的待 成形板料被壓入凹模內(nèi)；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(shí)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(nèi)；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(fù)執(zhí)行沖壓拉深與電磁脈沖拉深，直至完成待成形板

（專(zhuān)利號(hào)：ZL 201410495292.0） 簡(jiǎn)介：本發(fā)明公開(kāi)一種帶輔助底座的板料漸進(jìn)成形方法，屬于金屬塑性加工成型技術(shù)領(lǐng)域。該成形方法首先在現(xiàn)有數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床上設(shè)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(guò)調(diào)節(jié)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(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床的夾具內(nèi)安裝輔助底座裝置，并把液壓缸的底部固定在數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床上；然后三維建模以及調(diào)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(wú)芯棒的旋鍛工藝參數(shù)優(yōu)化、缺陷預(yù)防以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目背景： 超高強(qiáng)汽車(chē)用鋼具有超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，是汽車(chē)輕量化的理想材料，受到汽車(chē)制造行業(yè)的廣泛關(guān)注。根據(jù)國(guó)家強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》，汽車(chē)輕量化近期和中期目標(biāo)為：重點(diǎn)發(fā)展超高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼在汽車(chē)中的應(yīng)用比例達(dá)到 50%以上；重點(diǎn)發(fā)展第三代汽車(chē)鋼和鋁合金技術(shù)，并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，在車(chē)身結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用超高強(qiáng)鋼是汽車(chē)行業(yè)極具潛力的發(fā)展方向之一。然而，超高強(qiáng)鋼在使用中還存在較多的應(yīng)用瓶頸，比如其成形窗口窄、邊部開(kāi)裂、回彈、可焊性差等問(wèn)題。在所有問(wèn)題中，回彈最為突出，并且隨著強(qiáng)度增加，回彈的傾向和嚴(yán)重程度不斷增大。在此背景下，開(kāi)展針對(duì)超高強(qiáng)鋼回彈技術(shù)的研究，采取有效手段控制回彈，可有效推進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用。 關(guān)鍵工藝技術(shù)： 項(xiàng)目的關(guān)鍵工藝技術(shù)為：基于組織演變的回彈行為控制技術(shù)，即基于超高強(qiáng)鋼成形過(guò)程中的組織演變與回彈的內(nèi)在關(guān)系，提出回彈行為的控制技術(shù)。通過(guò)分析超高強(qiáng)汽車(chē)用鋼在成形過(guò)程中的 local misorientation 等微觀組織、力學(xué)性能和彈性模量的變化，總結(jié)影響超高強(qiáng)鋼的回彈機(jī)理，建立超高強(qiáng)鋼回彈預(yù)測(cè)模型，最終實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)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(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限裂縫寬度小于0.1mm，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3％以上。該材料的極限拉應(yīng)變是混凝土拉應(yīng)變 (0.01%)的300倍以上，鋼筋屈服應(yīng)變 (0.15%) 的20倍以上。采用UHTCC永久性模板-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法，在模板設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用模板的連接件和面板來(lái)分散混凝土主體結(jié)構(gòu)上的裂縫，借助UHTCC材料的裂縫無(wú)害化分散能力將混凝土結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的裂縫分散成寬度小于0.1mm的無(wú)害裂縫，通過(guò)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(zhì)高強(qiáng)的鋼橋，然而鋼橋橋面疲勞開(kāi)裂和鋪裝層頻繁破損每年給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，如武漢三橋“10年24修”等，屬世界性難題。針對(duì)這一問(wèn)題，邵旭東教授成功研發(fā)了專(zhuān)用于鋼橋面的超高韌性混凝土（STC）材料，攻克了收縮、開(kāi)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(zhǎng)鋼橋面抗疲勞壽命超3倍；鋼橋面鋪裝的難題不復(fù)存在。鋼—STC輕型組合橋面的使用壽命達(dá)100年，遠(yuǎn)超常規(guī)鋼橋面鋪裝5~10年的壽命，初始成本略高，全壽命成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋪裝。該成果適用于各類(lèi)新建或改建鋼橋橋面。目前在國(guó)內(nèi)橋梁界影響巨大，受到權(quán)威橋梁專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)，獲得7項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，頒布了相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)現(xiàn)象是材料科學(xué)和生物物理等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)納米孔道的尺度達(dá)到納米即接近分子大小時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)許多奇異的輸運(yùn)現(xiàn)象。研究這些輸運(yùn)現(xiàn)象對(duì)于了解細(xì)胞膜離子通道機(jī)制，制備新型高效分離設(shè)備淡化海水、處理污水，探索新型DNA測(cè)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(jié)構(gòu)堅(jiān)韌富有柔性并且可以高效大規(guī)模制備的優(yōu)點(diǎn)，但是由于已沿用六十多年的傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻制備法不便可靠控制蝕刻速率，無(wú)法達(dá)到亞納米尺度。劉峰和王宇鋼課題組基于多年來(lái)核徑跡納米孔研究工作的基礎(chǔ)（JACS，2008,2009；AFM, 2010,2011; EES, 2011等），首次通過(guò)高能重離子轟擊高分子膜并進(jìn)行充分紫外線照射，不進(jìn)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(yáng)離子選擇性高達(dá)108，但導(dǎo)通量離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。事實(shí)上，選擇性和通量對(duì)于所有離子分離膜都是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。2017年《Science》專(zhuān)門(mén)就此發(fā)表題為“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的長(zhǎng)篇評(píng)述文章，指出分離膜研究的正確方向是要同時(shí)具有高選擇性和高通量。通過(guò)優(yōu)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(shí)，將離子的輸運(yùn)率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí) （圖A）。 這種納米核孔膜的優(yōu)異分離性能突破了傳統(tǒng)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(shí)，他們還建立了高分子納米孔模型并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)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(shì)壘的阻礙從而極大提高了輸運(yùn)量，同時(shí)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(xiàng)研究揭示了納米孔道的離子輸運(yùn)新機(jī)制，并且為突破高選擇性和高輸運(yùn)率的矛盾提供了新的思路。通過(guò)該方法所制備的高分子膜在過(guò)濾重金屬元素的水凈化，制備新型電池等方面也有重要應(yīng)用價(jià)值。

已有樣品/n團(tuán)隊(duì)的研究工作取得了突破性進(jìn)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(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距，為我國(guó)在該領(lǐng)域擺脫國(guó)外技術(shù)壁壘限制增加了關(guān)鍵性的籌碼，對(duì)下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。該芯片的使用簡(jiǎn)單靈活，可實(shí)現(xiàn)并行多波段／多波束運(yùn)行，并可提供較高的動(dòng)態(tài)范圍。目前，該芯片已在武漢郵電科學(xué)院構(gòu)建的1Tb/s 相干光OFDM 傳輸驗(yàn)證平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證。

項(xiàng)目背景：超高強(qiáng)汽車(chē)用鋼具有超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，是汽車(chē)輕量化的理想材料，受到汽車(chē)制造行業(yè)的廣泛關(guān)注。根據(jù)國(guó)家強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》，汽車(chē)輕量化近期和中期目標(biāo)為：重點(diǎn)發(fā)展超高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼在汽車(chē)中的應(yīng)用比例達(dá)到 50%以上；重點(diǎn)發(fā)展第三代汽車(chē)鋼和鋁合金技術(shù)，并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，在車(chē)身結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用超高強(qiáng)鋼是汽車(chē)行業(yè)極具潛力的發(fā)展方向之一。然而，超高強(qiáng)鋼在使用中還存在較多的應(yīng)用瓶頸，比如其成形窗口窄、邊部開(kāi)裂、回彈、可焊性差等問(wèn)題。在所有問(wèn)題中，回彈最為突出，并且隨著強(qiáng)度增加，回彈的傾向和嚴(yán)重程度不斷增大。在此背景下，開(kāi)展針對(duì)超高強(qiáng)鋼回彈技術(shù)的研究，采取有效手段控制回彈，可有效推進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用。關(guān)鍵工藝技術(shù)：項(xiàng)目的關(guān)鍵工藝技術(shù)為：基于組織演變的回彈行為控制技術(shù)，即基于超高強(qiáng)鋼成形過(guò)程中的組織演變與回彈的內(nèi)在關(guān)系，提出回彈行為的控制技術(shù)。通過(guò)分析超高強(qiáng)汽車(chē)用鋼在成形過(guò)程中的 local misorientation 等微觀組織、力學(xué)性能和彈性模量的變化，總結(jié)影響超高強(qiáng)鋼的回彈機(jī)理，建立超高強(qiáng)鋼回彈預(yù)測(cè)模型，最終實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)鋼的回彈行為控制。