本研究针对复杂铸件整体制造难、制模周期长、资源消耗大等难题，构建无模铸造复合成形原理及机制，发明复杂砂型/芯数字化柔性挤压近成形、切削净成形方法，研发出砂型挤压/切削复合成形工艺，省去木模、金属模制造过程。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 铸造是我国装备制造的基础工艺，无论是农业机械、机床、汽车、船舶，还是航空航天以及国防军工等领域的发展都离不开铸件。我国现已成为世界铸件生产大国，2020年我国各类铸件总产量达到5195万吨，较2019年同比增长6.6%，约占世界总产量45%，位居世界第一位。 铸造主要有砂型铸造、金属型铸造和特种铸造等，砂型铸造由于其原材料来源广泛、成本低、铸型制造简便以及应用合金种类多等优点，世界上80%的铸件都是采用砂型铸造。对于砂型铸造工艺来说，模样、芯盒等模具的设计制造是非常复杂并且耗时的过程，该过程首先需要根据铸造方案进行模具的设计，然后通过翻模制作砂型和砂芯，之后再将制作好的砂型和砂芯经过组芯、合箱以及浇铸从而完成金属毛坯的制造。而高性能复杂整体金属结构件又是航空航天、国防军工、轨道交通等领域高端装备的核心组成部分。因此构件的短流程、高精密、高性能制造是实现我国高端装备自主研发及制造的关键环节。 传统的金属成形如模具铸造、模压锻造等需要木模、金属模的成形工艺，存在工序多、流程长、形性精确控制难等世界性难题，无法满足多品种、小批量、短流程、高精度的迫切要求，亟需研发新型精密成形基础前沿机制与方法。本项目将构建数字化精密成形理论体系，涵盖数字化无模铸造复合成形和数字化多材质复合铸型等两方面，突破了复杂整体构件高效率、高性能、高精度无模成形技术，变革了采用模具造型的传统砂型铸造和模压锻造生产模式，推动传统金属成形模式的创新发展。 复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形、切削净成形的数字化无模铸造复合成形技术与装备 本研究针对复杂铸件整体制造难、制模周期长、资源消耗大等难题，构建无模铸造复合成形原理及机制，发明复杂砂型/芯数字化柔性挤压近成形、切削净成形方法，研发出砂型挤压/切削复合成形工艺，省去木模、金属模制造过程。揭示了挤压工艺对砂型透气性、砂型强度等性能的影响规律，发明了梯度紧实的柔性挤压成形方法，实现了砂型/芯梯度紧实柔性挤压近成形。 复杂铸件形性精确调控的数字化多材质复合成形技术与装备 本研究针对传统单一铸型对结构复杂、壁厚差异大、铸件形性调控难、尺寸精度差等难题，提出了多材质复合铸型技术及与铸件相匹配的多材质复合铸型及其坎合组装方法，通过建立多材质复合铸型与高性能铸件一体化精确铸造成形的计算分析模型，构建了多材质复合铸型的调控原理与方法。揭示了多材质复合铸型对铸件温度场、微观组织及力学性能的影响规律，研制出石英砂、宝珠砂、铬铁矿砂等构成的形性可控铸型材料配方，实现了铸型透气性、固化强度、切削性能的协同调控。研究了传统铸型与复合铸型的凝固温度曲线，对比了不同工艺所制铸件的强度，掌握了各铸型单元的热力学参数及型砂种类对铸件性能的影响规律，揭示了金属液与不同铸型间的热力耦合作用机理。 三、创新点及主要技术指标 1.复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形、切削净成形的数字化无模铸造复合成形技术与装备 本研究揭示了砂粒移位、桥连断裂、空穴弥合的砂型/芯切削机理，建立了非均质离散体砂型切削模型，发明了一种切削排砂一体化的无模铸型数字化快速制造方法，实现了高精高效制造，铸件制造周期缩短50%以上，成本降低30%以上。 2.复杂铸件形性精确调控的数字化多材质复合成形技术与装备 本研究实现了对铸件充型凝固过程的精确调控，提高了复杂铸件内在质量与外在精度，实现了铸件性能主动精确调控，使铸件废品率从5%～10%降至2%～4%，减重10%～20%。 四、知识产权及获奖（成果基础） 知识产权情况： 成果获授权发明专利46件，其中美日等国际发明专利18件；软件著作权12件；起草制定国家、行业等标准规范14项；出版专著《无模铸造》（机械工业出版社，2017）。成果入选并被列为国家工信部《机械基础件、基础制造工艺、基础材料产业“十二五”规划》（工信部规[2011]509号）中“50项推广应用的先进绿色制造工艺”的首项技术。 获奖情况： 2020年国家科学技术进步奖二等奖； 2018年中国机械工业科学技术奖特等奖； 2017年国家技术发明二等奖； 2016年中国机械工业科学技术奖特等奖； 2016年中国专利金奖； 2014年国家科学技术进步奖一等奖； 2012年北京市科学技术奖一等奖； 2011年国家科学技术进步奖二等奖。 五、成果图片

本发明公开了一种板材包拉成形装置，包括凸模、凹模及用于 与凹模的顶端面配合压住板材的压边圈，压边圈位于凹模的上方，所 述凹模上设置有便于板材进行拉深成形的圆角，所述凹模在对应于圆 角的位置安装有反胀线圈，所述反胀线圈为同心线圈，反胀线圈用于 通电后使滑动到凹模圆角处的板材区域向远离圆角的方向折弯胀起从 而形成折弯胀起部。本发明通过在凹模的圆角处设置电磁放电线圈， 使凹模的圆角正对的板材区域发生折弯胀起，能有效改善板材的法兰 部的材料流动性，最终提高零件的拉深成形质量。

北京科技大学腐蚀与防护中心电化学工程与材料研究室经过多年潜心研究，开发出了新型的化学镀镍铬磷稀土非晶态合金技术，并获得了国家发明专利。此研究开发成果为国内外领先水平。 化学镀合金技术是一种表面强化、表面保护技术。化学镀不用电能，只需将被镀物放入化学镀溶液中经自催化反应即可在被镀物表面形成非晶态的合金镀层，而且镀层厚度分布比电镀更均匀。化学镀获得的是非晶态的合金镀层，比一般的结晶组织的电镀层具有更优异的耐腐蚀性能和良好的耐磨蚀性能，也具有极好的装饰性能。 新型的化学镀镍铬磷稀土非晶态合金镀层与以往常规的化学镀镍磷非晶态合金镀层相比，由于加入了稀土、铬元素，具有更优异的耐腐蚀性能和更良好的耐磨蚀性能，特别是使镀层硬度能达到电镀硬铬镀层的硬度。 化学镀镍铬磷稀土非晶态合金的工艺易于操作，与化学镀镍磷合金工艺基本一致。 由于化学镀镍铬磷稀土非晶态合金镀层具有优异的耐腐蚀、耐磨蚀性能及较高的硬度，因此，其应用领域非常广泛，例如： 计算机硬盘；打印机的转动轴； 电子设备外壳的电磁屏蔽； 复印机内的各种零部件； 石油、石化及化工企业的换热器和反应器； 油田采油套管、井下工具； 食品机械； 各种机械零部件； 纺织机械； 印刷机械； 汽车工业中的零部件；

随着我国战略性新兴产业（如高速铁路、大飞机）和高端装备制造业（如部分高速精密机床）的发展，高端轴承进口增长较快。目前高铁轴承全部进口，部分高速精密机床轴承还需进口。从长远看，对我国战略性新兴产业的成长将产生不利影响。钛镍合金是一种金属间化合物，具有优良的耐磨性、耐蚀性。钛镍合金TiNi60是一种Ti、Ni质量原子比为40: 60的金属间化合物，具有低密度、高硬度、优异的耐蚀性以及良好的摩擦学性能且在热处理前易于加工，可望在高速轴承中得到应用。TiNi60的密度为6.7 g/cc，比普通轴承钢密度小30%左右，密度小这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化。本项目主要是解决现用滚动轴承材料难以满足高速滚动在高铁、高速机床等高技术领域应用中高强度、低摩擦、高耐磨性要求的问题，采用高真空感应熔炼技术制备出优异性能的高速滚动轴承材料-钛镍60合金，并采用可生物降解润滑剂的超滑技术对高速球轴承会为耐磨、减摩起到事半功倍的作用，为高端轴承的国产化奠定基础，为我国装备制造业的发展贡献力量。本项目的前期工作，针对球轴承材料TiNi60采用蓖麻油润滑获得了超低摩擦系数（最低达到0.004）。该项技术完全由本课题组研发，完全具有自主知识产权，此外该技术具有生产过程环保、能耗小、制造成本低、产品易系列化和原材料无危险性、毒性等突出特点。因此可以肯定该项技术、该类产品的出现为我国轴承市场注入了新鲜的“血液”。可以预见该技术的市场前景是非常广阔的，其产品的市场竞争优势也是非常明显的。

随着我国战略性新兴产业（如高速铁路、大飞机）和高端装备制造业（如部分高速精密机床）的发展，高端轴承进口增长较快。目前高铁轴承全部进口，部分高速精密机床轴承还需进口。从长远看，对我国战略性新兴产业的成长将产生不利影响。钛镍合金是一种金属间化合物，具有优良的耐磨性、耐蚀性。钛镍合金TiNi60是一种Ti、Ni质量原子比为40: 60的金属间化合物，具有低密度、高硬度、优异的耐蚀性以及良好的摩擦学性能且在热处理前易于加工，可望在高速轴承中得到应用。TiNi60的密度为6.7 g/cc，比普通轴承钢密度小30%左右，密度小这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化。本项目主要是解决现用滚动轴承材料难以满足高速滚动在高铁、高速机床等高技术领域应用中高强度、低摩擦、高耐磨性要求的问题，采用高真空感应熔炼技术制备出优异性能的高速滚动轴承材料-钛镍60合金，并采用可生物降解润滑剂的超滑技术对高速球轴承会为耐磨、减摩起到事半功倍的作用，为高端轴承的国产化奠定基础，为我国装备制造业的发展贡献力量。本项目的前期工作，针对球轴承材料TiNi60采用蓖麻油润滑获得了超低摩擦系数（最低达到0.004）。该项技术完全由本课题组研发，完全具有自主知识产权，此外该技术具有生产过程环保、能耗小、制造成本低、产品易系列化和原材料无危险性、毒性等突出特点。因此可以肯定该项技术、该类产品的出现为我国轴承市场注入了新鲜的“血液”。可以预见该技术的市场前景是非常广阔的，其产品的市场竞争优势也是非常明显的。

Cu-Ni-Sn系合金性能虽好，但由于Sn元素熔点低，其极易发生偏析而影响合金的最终性能。特别是由于Sn元素的偏析行为，Cu-Ni-Sn系合金在热轧和冷轧过程中容易产生裂纹，这严重制约了该合金的开发与应用。目前，国内仅有个别公司可以对Cu-Ni-Sn系合金进行小批量生产。 中南大学深冷成形及高性能有色金属材料加工研究团队开发了深冷轧制技术，通过深冷温度抑制Sn元素的偏析行为以及深冷环境下变形提高材料的变形均匀性，有效解决Cu-Ni-Sn合金等难加工金属材料的变形裂纹问题。与此同时，通过深冷轧制处理，可以实现铜合金力学性能提升20~30%。

主要研究内容 这类产品具有硬度高、耐磨损、使用寿命长，刃口锋利不变形，在使用过程中不需要经常修刀或磨刃，被加工的产品质量精度高等特点，是将取代高速钢刀具同类产品的必然发展趋势。以超长度薄条形硬质合金刀具的焊接为例，是将1000㎜ 长度以内，1㎜ 厚度，10㎜ 宽度的硬质合金刀条，焊接在1000㎜ 长度，4㎜ 厚度，30㎜ 宽度的带状钢质刀板一侧，形成单侧硬质合金刃口的木工刨刀产品。 技术特点及适用范围 该技术采用高频全自动钎焊工艺，涉及到刀体、

由于镁合金熔沸点低，在焊接过程中存在严重的烧损问题，既降低了焊接接头强度，又污染了环境，因此迫切需要开发出低烟尘镁合金焊接材料。大连理工大学通过对镁合金焊接材料成分、组织性能、成形工艺及其塑性变形机理的研究，开发出具有自主知识产权的系列低烟尘镁合金焊接材料热挤压-拉拔制备技术。该技术充分利用了合金化设计，使镁合金挥发烧损减少30%以上，同时解决了镁合金焊接材料制备过程中的温度及速度匹配等一系列问题，实现了不同直径镁合金焊接材料的制备。镁合金焊接材料热挤压-热拉拔制备技术结

通过在压铸过程中抽除模具型腔内的气体而消除压铸件内的气孔 和溶解气体，降低铸件气孔率、硬度提高、微观组织细小，全面提高压铸件力学性能和表面质量。针对汽车行业开发了新型高性能压铸镁/铝合金材料、高真空压铸成形技术及挤压铸造装备。 技术背景： 通过在压铸过程中抽除模具型腔内的气体而消除压铸件内的气孔 和溶解气体，降低铸件气孔率、硬度提高、微观组织细小，全面提高压铸件力学性能和表面质量。针对汽车行业开发了新型高性能压铸镁/铝合金材料、高真空压铸成形技术及挤压铸造装备。 技术水平： 可在1.5s内实现模具型腔压力达到5kPa的超高真空水平，气孔率与传统压铸相比可降低一倍以上，可实现大型薄壁压铸件热处理。