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铝合金板温成形接触和摩擦问题的研究

张伟  
【摘要】: 随着能源和环境问题的日益尖锐,全球各大汽车制造商都加快了对车辆轻型化的研发,而车辆轻型化中一个很重要的内容就是车身零件的轻量化。由于铝合金板的强度和钢板相当,而比重只有钢板的1/3,因此已经开始被用来制造汽车覆盖件。铝合金板的塑性差,在常温下难以成形,为了提高铝合金板的成形性能,常常需采用温成形工艺。在铝合金板温成形过程中,摩擦和润滑状态对成形的质量有着重要的影响,对其摩擦和润滑进行研究是目前亟需研究的课题。本文结合通用汽车—中国材料及摩擦学研究联合体资助的研究项目,对铝合金板温成形过程中板料与模具的接触和摩擦进行了理论与实验的研究,建立了板料与模具表面基于分形理论的接触模型和不同润滑状态下的摩擦模型,并对成形过程中不同变形区域的摩擦系数进行了实验测定。 为了研究铝合金板与模具表面的接触摩擦规律,首先必须对其表面形貌有充分的了解。本文利用AF-LI型表面轮廓测量仪对5182铝合金板和模具的表面进行了测量,获得了其表面形貌数据,采用尺度独立的分形参数对板料表面进行了表征,建立了基于分形理论的铝合金板表面形貌模型。基于分形参数所建立的表面形貌模型不受表面轮廓测量仪器分辨率和取样长度的影响,其表征具有唯一性,因而比传统的基于统计分析的模型更为合理。 在表面形貌模型的基础上,建立了铝合金板与模具的弹塑性分形接触模型,该模型将模具视为刚性体,给出了板料与模具接触面的尺寸分布规律和实际接触面积的计算方法,描述了实际接触面积与法向载荷的关系。 摩擦和润滑状态是影响铝合金板温成形的关键因素之一,本文分析了铝合金板在成形过程中的摩擦润滑状态,得出了板料和模具之间处于边界润滑摩擦或混合摩擦状态的结论,并建立了不同润滑条件下的摩擦模型,结合由分形接触模型计算得到的真实接触面积,对不同接触载荷下的摩擦系数进行了理论计算。 在对铝合金板成形过程中的摩擦开展实验研究时,本文针对现有的板料成形摩擦测试方法中存在的实验条件与成形工艺实际状况不一致、测量结果与真实情况偏差大的问题,提出了铝合金板温成形中测量凹、凸模圆角处和拉深筋处摩擦的方法,并设计制作了测试实验装置。在测试实验中,采用了楔形铝合金板试件,在成形中试件受周向压力作用,可较好地模拟板料的实际成形过程,有利于获得更准确的测量结果。 利用自行设计制作的实验装置,对5182铝合金板温成形过程中凹、凸模圆角处和拉深筋处的摩擦系数进行了实验测量,测定了不同的成形区域和成形条件下摩擦系数随凸模行程的变化规律,对理论模型进行了验证。


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