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世界首臺微鑄鍛銑裝備下線,中國高端數(shù)控機床解開世界難題

來源:原創(chuàng)電動工具迷 2020-10-23 瀏覽:2833
緊固件工業(yè)網(wǎng)】2020年10月17日消息,近日,張海鷗教授發(fā)明的金屬3D打印技術(shù)"智能微鑄鍛銑",在3D打印中同步復(fù)合鍛打技術(shù),成功應(yīng)用一臺設(shè)備,短流程輕載荷、綠色制造出鍛件,改變了國內(nèi)外鑄鍛焊銑分離、流程長、需大型鑄鍛削設(shè)備、耗資源重污染、復(fù)雜件無法整體制造的傳統(tǒng)制造模式;突破了3D打印無鍛造而難得鍛件的世界難題。

緊固件工業(yè)-微鑄鍛銑裝備

"中國張海鷗團隊首創(chuàng)電弧熔積與原位熱軋(鑄鍛銑)同步制造技術(shù),不同于國際同行團隊的電弧熔積的分步制造技術(shù)。張海鷗團隊利用鑄鍛銑工藝,獲等軸細晶,成功制造出性能超過鍛件的發(fā)動機零件。"國際權(quán)威3D打印雜志《烏勒斯報告》(《Wholers Report》)評價道。

緊固件工業(yè)-微鑄鍛銑裝備

該技術(shù)融合3D打印、半固態(tài)快鍛、柔性機器人3項重大技術(shù),將金屬鑄造、鍛壓、銑技術(shù)合三為一,實現(xiàn)3D打印鍛態(tài)等軸細晶化、高均勻致密度、高強韌、形狀復(fù)雜的金屬鍛件,全面提高制件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性。

鑄鍛工藝以前都是先鑄出毛坯然后鍛壓成型,進入大機械制造時代,傳統(tǒng)制造流程是鑄鍛、焊銑分開,這樣就需要多工序、多裝備,而且時間長,污染大。現(xiàn)在常規(guī)的技術(shù)是金屬3D打印,由于金屬熔化得很快,溫度梯度就比較高,產(chǎn)生的氣孔很難以排出。溫度梯度高容易產(chǎn)生裂紋等缺陷??偨Y(jié)出來:我們現(xiàn)在的制造模式對于制造金屬鍛件來說,依賴重型的裝備長,流程長,重污染,是一種非綠色的鑄造過程。

"常規(guī)金屬3D打印存在致命缺陷:一是沒有經(jīng)過鍛造,金屬抗疲勞性嚴重不足;二是制件性能不高,難免存在疏松、氣孔和未熔合等缺陷;三是大都采用激光、電子束為熱源,成本高昂。所以形成了中看不中用的尷尬局面。"張海鷗介紹,正因如此,全球金屬3D打印行業(yè)一直處在"模型制造"和展示階段,無法進入高端應(yīng)用。

金屬3D打印制造模式由于只有鑄沒有鍛,可以認為它是一種價格比較高、效率比較低,但是優(yōu)質(zhì)的綠色制造。它的性能應(yīng)該介于鑄造和鍛造之間。微鑄鍛銑一體化3D打印就變成了一個超短流程制造鍛件的新方法,把上述長流程縮短為:采用金屬絲、采用裝備來直接得到鍛件,把多設(shè)備、多工序、長流程的傳統(tǒng)模式變成采用單一設(shè)備、工序合一、超短流程的制造模式。

另外,結(jié)合超細等軸晶單鍵微鑄鍛復(fù)合成形工藝,可以獲得比傳統(tǒng)鍛造更優(yōu)越的鍛造性能,從而攻克3D打印不能打印鍛件的這樣一個難題。

據(jù)悉,采用智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù),由原來的10%的成品率可以變成100%,通過X光檢測,性能合格。

高鐵關(guān)鍵部件輒叉需要比較好的帶沖擊的耐磨的性能,如果只采用3D打印,只不過改變了它的熱處理方式,仍然沒有改變它的組織特征。采用微鍛造后,強度和塑形有所降低,即使通過微鍛造合一還沒有進行熱處理情況下,強度延伸都超過了單純3D打印,這說明微鍛造的復(fù)合是非常有效的技術(shù)。

新型飛機主承力接頭的零件,原來是分段式的機械鍛造、加工,然后機械鉚接起來。復(fù)雜的合金螺旋槳以及葉輪,采用我們該技術(shù)可以實現(xiàn)在表面用規(guī)矩的模具鋼向內(nèi)部梯度過渡到鑄鋼,這樣在成形模具材料使用方面已經(jīng)有很大的優(yōu)勢。

該技術(shù)另一個優(yōu)勢是低成本,使用的熱源價格比較低,而且能量和材料利用率較高。一個零件長短的不同,各點的溫度是不一樣的,得到的各點性能也是不均勻的。使用該技術(shù)可以"乘熱打鐵",在熔池與雜孔之間的距離是一定,成形的條件一定情況下,我們可以得到通體的各點力學性能一致器件。

克蘭菲爾德大學(Cranfield)將電弧熔熾與鍛軋集成至1臺三軸數(shù)控機上,嘗試成形零件,但這也將是一個挑戰(zhàn)。張海鷗團隊已鑄造同步復(fù)合得到鍛件,贏得了挑戰(zhàn)。在美國召開的TCT成形大會上, 奧科寧克公司(ARCONIC)在最后一個階段用激光受粉得到一個鑄批,這樣一個過程中它的效率和成本相對于本項技術(shù)有比較大的提高,可惜的是成本也有比較大的提高。智能微鑄鍛增材制造是華中科技大學機械科學與工程學院張海鷗教授團隊發(fā)明的,其傳奇的研發(fā)歷程您可以在西瓜視頻搜索獲取更多解析,這里就不再重復(fù)。

"在金屬微熔鑄的同時同一工位復(fù)合鍛造工藝,"鑄鍛復(fù)合,邊鑄邊鍛"可以獲得增材制造鍛態(tài)無織構(gòu)12級超細等軸晶、高強韌、高可靠性能的復(fù)雜形狀金屬鍛件,突破性地解決了傳統(tǒng)制造流程長、污染重、能耗高、材料利用率低、需要超大型鍛機的世界性難題,同時克服了常規(guī)金屬增材制造沒有經(jīng)過鍛造,容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷,產(chǎn)生高致密性、各向同性、等軸細晶,強度、韌性較傳統(tǒng)制造更高,可以增強關(guān)鍵重要零部件的性能,改變了"鑄鍛分離"的傳統(tǒng)制造模式,較傳統(tǒng)制造方法可縮短制造流程60%以上,節(jié)能90%以上,成本降低60%以上,有望開啟綠色短流程制造金屬鍛件的新模式,為高端制造業(yè)顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。"

該發(fā)明專利技術(shù)已經(jīng)試點應(yīng)用于航空、航天、海洋工程、核能、高端裝備等高性能核心復(fù)雜零部件制造。

"我們的技術(shù)將在先進制造領(lǐng)域掀起新一輪的革命",這位年過60歲張海鷗教授和夫人王桂蘭一起,帶領(lǐng)團隊用14年的時間,破解了困擾金屬3D打印的世界級技術(shù)難題,實現(xiàn)了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。

不僅是空客,美國通用電氣公司不久前也主動上門洽談合作。創(chuàng)新成果被航空業(yè)巨頭競相追逐,表明了我國在3D打印技術(shù)上已經(jīng)由"跟跑"開始進入"領(lǐng)跑"階段。將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一,改變西方引領(lǐng)的制造模式。

目前由"智能微鑄鍛"打印出的高性能金屬鍛件,已達到2.2米長約260公斤。現(xiàn)有設(shè)備已打印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等8種金屬材料,是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術(shù)裝備。微鑄鍛銑復(fù)合增材制造專用設(shè)備TY2000AL-ZDX-03,打印尺寸為:X/Y/Z 2800*1500*900mm。

專家們表示,這項技術(shù)改變了長期以來由西方引領(lǐng)的"鑄鍛銑分離"的傳統(tǒng)制造歷史,將開啟實驗室制造大型機械的歷史。

該技術(shù)有以下幾個創(chuàng)新點:

1、施加微區(qū)逐步鍛造機械力使熔積自由成形的半凝固/剛凝固區(qū)產(chǎn)生粘塑性變形;

2、率先提出電弧微鑄軋復(fù)合直接成形高性能金屬零件的方法;

3、面向高端部件極端服役條件和增材制造成形性。

我國高端裝備的快速研發(fā)生產(chǎn),急需大型高端零件整體制造技術(shù)。

"智能微鑄鍛銑"方法,以電弧增材與連續(xù)等材微鍛及熱處理同步復(fù)合并融合減材銑削新思想,獨創(chuàng)緊湊柔性機構(gòu),實現(xiàn)了增-等-減材與調(diào)質(zhì)集成制造;提出磁-電-光-力多能場多尺度混態(tài)成形模擬方法,揭示超常態(tài)應(yīng)力變形和組織演變規(guī)律,建立形性并行設(shè)計-制造-測控集成智能系統(tǒng),創(chuàng)立了中國領(lǐng)先世界的鑄鍛銑一體化超短流程綠色智能制造新模式與裝備。

攻克傳統(tǒng)技術(shù)難題,推動金屬3D打印制件進入大國重器應(yīng)用

發(fā)明的增材與多向微區(qū)半固態(tài)等材鍛造同步復(fù)合并融合減材銑削的超短流程綠色智能制造新方法與裝備,成功突破3D打印不能打印鍛件而難以在大型高端鍛件中工程應(yīng)用的世界難題,將引領(lǐng)高端制造業(yè)向綠色智能化方向發(fā)展,助力傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

北京工業(yè)大學教授陳繼民認為,張海鷗發(fā)明的技術(shù)在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點支柱領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,比如對于長壽命、高可靠性的航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的制造有顯著優(yōu)勢。

在我國研制的新型飛機上,一種新型復(fù)雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開始和張海鷗團隊合作,用該技術(shù)打印出來的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過傳統(tǒng)鍛件。

目前,該技術(shù)正在西航動力公司、西安飛機制造公司等新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用,已經(jīng)試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體、發(fā)動機過渡段等零件,以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等,應(yīng)用前景廣闊。

根據(jù)空客公司對飛機零部件的需求,張海鷗團隊正在進行研發(fā),"一旦繼續(xù)獲得認可,我們將贏得空客的零部件生產(chǎn)的訂單,同時還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞。"張海鷗說。

該技術(shù)成功制造難焊接中碳鋼發(fā)動機過渡段并通過烏克蘭標準質(zhì)量檢測和實機考核;美國GE公司測試GH4169高溫合金疲勞性能超過鍛件;發(fā)明被Wohlers Report 2017報道,獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎、中國發(fā)明特別獎,以及中國和美國發(fā)明專利。

但是制造大國重器的設(shè)備必須在自己手中,今年8月,該項技術(shù)在商務(wù)部、科技部調(diào)整發(fā)布《中國禁止出口限制出口技術(shù)目錄》清單中明確約定鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術(shù)僅為我國制造業(yè)服務(wù)。

最后對這個技術(shù)進行展望。3D鑄鍛銑合一制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,將改進用一臺設(shè)備制造鍛件的綠色智能制造中國模式。第二把鑄件改成鍛件也可以輕量化。第三可望成為"中國制造2025"標桿成果,形成新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)和市場群,促進傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型,是中國超越西方的一個戰(zhàn)略機遇。

總結(jié)

全球首創(chuàng)的"智能微鑄鍛"金屬3D打印技術(shù)是中國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的推進器,或?qū)⑾破鹗澜绺叨搜b備制造業(yè)的革命。

相關(guān)發(fā)展不僅可使中國的大飛機、大船舶能夠?qū)崿F(xiàn)"中國打印",其他國家的高端裝備也能刻上"中國打印"的烙印,中國方案、中國智慧將閃耀全球。但是有了高端裝備是想要制造完全自主化飛機零部件還是不夠,還有哪些方面我們已經(jīng)取得了突破?我們還需要再那些方面持續(xù)突破?讓我們拭目以待未來的發(fā)展。
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