鑄造技術路線圖（續(xù)前）
——數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化

1.2.4 高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術

1.2.4.1 現(xiàn)狀

鑄鐵在我國國民經(jīng)濟乃至世界制造業(yè)中占有極其重要的地位，是工業(yè)生產(chǎn)中最為廣泛的一種鑄造金屬材料，在一般的機械制造、冶金礦山、石油化工、交通運輸和國防工業(yè)等各部門中發(fā)揮著基礎性的作用。雖然現(xiàn)代鑄鐵面臨來自各方面的挑戰(zhàn)，但是等溫淬火球墨鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵及高強薄壁灰鑄鐵和各種性能（如抗磨，減磨、耐蝕等）鑄鐵仍還會有較大的發(fā)展雖然處于高速發(fā)展中的我國，鑄鐵將以比世界平均水平高得多的速度增長。但是我國高性能鑄鐵所占比例遠低于工業(yè)發(fā)達國家，而且性能相比較差，如可鍛鑄鐵產(chǎn)量雖然位居前列，但絕大多數(shù)為黑心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵產(chǎn)量不高。因此實現(xiàn)鑄造大國向強國的轉(zhuǎn)變，高性能鑄鐵性能研究較為重要[18]。

材料性能最終取決于其組織形態(tài)，因此研究鑄鐵的性能需重點考察鑄鐵組織（石墨+基體組織），特別是高性能的鑄鐵材料。如鑄鐵的性能很大程度上與石墨的數(shù)量、大小、分布和形態(tài)相關，尤其是石墨的形態(tài)。當基體為珠光體的鑄鐵，石墨由粗片狀（灰鑄鐵）向球狀（球墨鑄鐵）轉(zhuǎn)變時，則抗拉強度、伸長率以及沖擊韌性分別有大幅度的提高。又如：把鑄件加熱到奧氏體化溫度，獲得均勻的奧氏體組織之后，再將鑄件淬入鹽浴，并在鹽浴中等溫停留，奧氏體在等溫停留過程中析出鐵素體組織，從而形成等溫淬火球磨鑄鐵。再如：石墨形態(tài)由蠕蟲狀與團球狀以不同比例混合后，其力學-物理性能介于灰鑄鐵和球鐵之間的蠕墨鑄鐵。因此，如何定量化研究與分析組織形態(tài)的是控制與提升鑄鐵性能的一條重要途徑。數(shù)值模擬是實現(xiàn)定量化組織形態(tài)分析的重要方法與手段，具有實驗適應性強、可重復性高、成本低等特點[19]。因此在“十三五”期間，需要重要研究高性能鑄鐵凝固與熱處理等鑄造工藝過程組織演變的數(shù)值模擬。

1.2.4.2 挑戰(zhàn)

高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術，主要是為了掌握高性能鑄鐵石墨與基體組織在凝固及熱處理等鑄造工藝的組織演變規(guī)律，從而達到定量化控制與提升鑄鐵材料性能的目的。對于等溫淬火球鐵，需要進行鑄鐵熱處理高碳奧氏體及針狀鐵素體組織形成過程數(shù)值模擬研究；對于球墨鑄鐵，需要進行在球化劑與孕育劑作用下石墨球化形貌形成的數(shù)值模擬；對于蠕墨鑄鐵，則需要進行在蠕化劑作用下，蠕蟲狀石墨形成的多尺度數(shù)學模型及微觀組織數(shù)值模擬。以這三種典型高性能鑄鐵為研究對象進行突破，掌握其規(guī)律后并推廣至其余高性能鑄鐵組織演變過程的數(shù)值模擬中，從而形成高性能鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬的系統(tǒng)技術。

1.2.4.3 目標

（1）預計到2020年，要達到的目標：實現(xiàn)等溫淬火球墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

（2）預計到2025年，要達到的目標：實現(xiàn)蠕墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

（3）預計到2030年，要達到的目標：實現(xiàn)高強灰鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

1.2.5 網(wǎng)絡化智能化鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成技術

1.2.5.1 現(xiàn)狀

鑄造企業(yè)網(wǎng)絡制造模式指鑄造企業(yè)按照敏捷制造的思想，采用信息化技術，對企業(yè)訂單、設計、生產(chǎn)和銷售等資源進行靈活高效地整合，對產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)進行協(xié)同集成，提高企業(yè)市場快速反應和競爭能力的新模式。具體來說，鑄造企業(yè)推行網(wǎng)絡制造就是推行信息化建設，加強兩化融合。而當前隨著近日李克強總理與默克爾總理簽署了《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》，網(wǎng)絡制造已經(jīng)開始走入強調(diào)智能制造的工業(yè)4.0時代：整個生產(chǎn)流程都由軟件來控制，包括人機整合、機器與外部機器整合、生產(chǎn)流程與外部合作伙伴整合等[20]。

當前鑄造行業(yè)網(wǎng)絡制造和信息化的現(xiàn)狀總體為：

1）鑄造企業(yè)信息化實力薄弱；

2）上下游企業(yè)信息集成與協(xié)同管控較少；

3）生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)字化管控與ERP普及率仍有待發(fā)展；

4）整體上進入發(fā)展階段，且近幾年呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢；

5）少數(shù)鑄造企業(yè)對工藝生產(chǎn)質(zhì)量進行了全面流程化管控，實現(xiàn)了單件全生命周期追溯。

我國鑄造企業(yè)的網(wǎng)絡制造和信息化建設呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1）工藝PDM與管理ERP的集成，并與生產(chǎn)質(zhì)量系統(tǒng)形成協(xié)同，做到相互驅(qū)動和約束；

2）關鍵件、重要件做到單件化生產(chǎn)和質(zhì)量的數(shù)字化管理，關鍵生產(chǎn)過程全過程數(shù)字化監(jiān)控和管理；

3）智能化管理技術與智能化鑄造裝備；

4）車間設備數(shù)據(jù)集成與車間在線化管控技術；

5）產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡協(xié)同集成制造與大數(shù)據(jù)分析技術。

1.2.5.2 挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡化智能化鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成技術，主要解決鑄造生產(chǎn)流程中實時現(xiàn)場信息如何處理與后期如何分析的問題，從而達到互聯(lián)互通網(wǎng)絡協(xié)同和網(wǎng)絡化智能化鑄造的目的。實現(xiàn)該過程則需要從多個方面進行研究，在與硬件結合方面：智能化鑄造裝備技術和軟硬件雙向數(shù)據(jù)集成技術研究，鑄件信息現(xiàn)場識別技術與設備；在鑄造工藝方面：搭建鑄造工藝知識庫，鑄造工藝生產(chǎn)質(zhì)量的數(shù)字化管理與協(xié)同技術；在管理方面：鑄造生產(chǎn)數(shù)據(jù)柔性化分析理論和系統(tǒng)技術，鑄造全業(yè)務流程集成化和產(chǎn)業(yè)鏈集成化系統(tǒng)技術。在以上技術逐個突破的基礎上，開發(fā)出網(wǎng)絡化智能化的鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成的軟硬件技術平臺，整體實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)流程軟硬件信息智能化集成及柔性化分析[21]。

1.2.5.3 目標

（1）預計到2020年，要達到的目標：突破傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)流程軟硬件信息交流的技術難點，通過搭建柔性化信息處理分析技術系統(tǒng)，構建一個互聯(lián)互通網(wǎng)絡協(xié)同和網(wǎng)絡化、智能化的鑄造集成的軟硬件技術平臺。

（2）預計到2025年，要達到的目標：做到產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡、企業(yè)價值鏈網(wǎng)絡、數(shù)字化管理系統(tǒng)與車間設備軟硬件網(wǎng)絡三個方面的集成，實現(xiàn)智能化鑄造和智能化管理。

（3）預計到2030年，要達到的目標：促進產(chǎn)業(yè)結構升級，打造若干個鑄造4.0示范工廠，提升行業(yè)整體實力。

1.2.6 建立完善的鑄造材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及

先進的物理實驗平臺

1.2.6.1 現(xiàn)狀

材料物性參數(shù)是數(shù)字化鑄造的直接依據(jù)，對建模與數(shù)值模擬結果的準確性和可靠性起決定性作用。當前階段鑄造過程數(shù)值模擬中應用到的材料性能參數(shù)可以劃分為充型凝固模擬用性能參數(shù)、熱應力分析用力學性能參數(shù)以及微觀組織模擬用性能參數(shù)等[22]。具體說來，鑄造過程模擬用的物性參數(shù)包括：材料本身的物理參數(shù)，如密度等；與傳熱有關的熱物性參數(shù)，如導熱系數(shù)、比熱、熱焓（結晶潛熱）等；和收縮有關的參數(shù)，如體積收縮系數(shù)和線收縮系數(shù)；和液態(tài)流動有關的參數(shù)，如粘度、表面張力等；和力學性能有關等參數(shù)，如楊氏彈性模量、剪切彈性模量、塑性硬化模量、泊松比、屈服應力、斷裂應力等；和組織變化有關的參數(shù)，如相變溫度、溶質(zhì)擴散系數(shù)、相圖等；以及和電磁有關的參數(shù)，如電導率等。

鑄造過程涉及金屬材料、造型/制芯材料、涂料等多種材料，這些材料有著本質(zhì)的不同。這些材料既有金屬又有非金屬，既有固體材料、又有散體材料，還有液體材料。在鑄造過程中鑄件、鑄型或輔助材料的溫度和狀態(tài)都發(fā)生很大的變化。材料參數(shù)還和模擬尺度有關系。例如某些材料的彈性模量，在宏觀尺度中可認為其各向同性；而在介觀尺度，則表現(xiàn)為明顯的各向異性[23]。另外，隨著模擬計算的深入，涉及多尺度、多物理現(xiàn)象的耦合等，精度要求不斷提高，因此材料性能參數(shù)與對材料內(nèi)在特性的知識已經(jīng)不能滿足鑄造過程凝固模擬的需求，甚至阻礙了模擬的進一步發(fā)展。但獲得準確且完整的物性參數(shù)仍然十分困難，這是當前影響鑄造過程數(shù)字化的重要因素之一[24]。

為了順利發(fā)展數(shù)字化鑄造技術，并進行工藝設計集成來保證鑄件質(zhì)量以及達到壽命的預測，迫切需要建立標準化的關鍵材料性能數(shù)據(jù)庫，用來存儲關于加工工藝和微觀組織的關系、微觀組織的信息、微觀組織和材料性能的關系等，用來支持計算模型的開發(fā)和驗證。

圖1 數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術路線圖

1.2.6.2 挑戰(zhàn)

我國在數(shù)字化鑄造方面的相關配套基礎薄弱，如沒有專門的數(shù)據(jù)庫、沒有材料數(shù)據(jù)熱力學計算軟件，在該方面是完全空白，完全依賴國外軟件如JmatPro、Thermo-Calc、Pandat等。材料的性能參數(shù)一般在各種手冊和文章中均可以找到一些，但往往是不全面的、不完整的。同時對于同一參數(shù)不同來源的數(shù)值有時差距很大，甚至相互矛盾。因此如何搜集和整理這些參數(shù)并且進行可靠性驗證十分重要。數(shù)據(jù)的可靠性可以通過相似材料的相互對比來進行校核。通過實驗與計算、以及文獻檢索和校核等多種方法可以獲得鑄造材料的物性參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、檢索、引用，為數(shù)字化鑄造奠定堅實的基礎。

1.2.6.3 目標

（1）預計到2020年，要達到的目標：建立標準化的鑄造過程信息分類方法，并以此為基礎建立開放的鑄造材料數(shù)據(jù)庫。

（2）預計到2025年，要達到的目標：建立先進的實驗平臺，為獲得精確的材料物性參數(shù)提供技術支持，并為數(shù)字化鑄造技術提供實驗驗證平臺。

（3）預計到2030年，要達到的目標：以信息學技術研究材料不同物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立完善的鑄造數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化應用的數(shù)據(jù)庫，面向鑄造行業(yè)全面開放。

1.3 技術路線圖

數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術路線圖見圖1.

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［2］ 中華人民共和國國務院.國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2016-2020 年 ）.http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/gjkjgh/200811/t20081129_65774.htm

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編寫組

組 長：許慶彥

成 員：熊守美，周建新，沈厚發(fā)，康進武，殷亞軍，計效園，閆學偉