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塑性变形界面表面形貌变化及摩擦特性研究

杨本杰  
【摘要】:在金属板材拉延等涉及塑性变形的成型加工过程中,由工件、模具和界面间的润滑剂构成了一个复杂多变的塑性变形界面摩擦系统。为了研究表面形貌对界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦测试实验装置。在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列铝带材拉延摩擦测试试验。利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌表征参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa、中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律。运用图像的阈值分割最大类间方差法,通过Matlab编程计算出真实接触面积比。结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,三种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高接触压力下,三种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,三种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;界面摩擦对表面形貌变化的影响使得试验前后三维表面形貌表征参数值发生规律性变化,在一定程度上可以揭示表面形貌的变化机理。真实接触面积比随着接触压力的增大而增大,随着滑动速度的增大而减小;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素。 在试验的基础上,基于分形理论和ANSYS有限元法对粗糙表面接触界面微凸体变形的全过程进行数值模拟和分析。模拟了不同接触压力和滑动速度条件下工件表面微凸体的变形情况,得出了接触压力和滑动速度对工件表面形貌的影响关系,与试验结果相对比,从而进一步分析了塑性变形界面表面形貌的变化机理。


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