7075鋁合金變載荷摩擦模型研究

朱少華 ，夏建生，，趙軍 ，竇沙沙

(1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

板料成形過程中，成形性能受到多種因素的影響。傳統的成形預測大多采用庫倫摩擦模型［1］，該模型只局限于接觸壓力小于屈服應力極限的彈性變形階段［2］。在板料變形過程中界面載荷壓力和塑性變形導致模具和板料的實際接觸面積不再與正常載荷成比例［3-4］，即摩擦系數隨載荷不斷變化。因此，傳統的板料成形數值模擬中采用恒定摩擦系數已經不能準確地反映熱成形過程（定摩擦系數通常只局限于彈性變形階段），需要建立能夠準確描述鋁合金板料成形過程中摩擦特性的預測模型。

國內學者針對鋁合金熱成形摩擦作了大量研究。Liu等［5］基于熱拉抜的高溫摩擦磨損試驗機，研究了6061鋁合金在干燥和潤滑條件下的摩擦性能；Dou等［4］使用盤銷摩擦試驗機研究了邊界潤滑條件下，滑動速度和法向載荷對5052鋁合金與SKD11鋼摩擦系數的影響，并分別建立了摩擦模型，又通過數值模擬和實際熱沖壓，驗證了模型的有效性；Xia等［6］通過溫成形摩擦試驗分別研究了6061鋁合金和P20鋼在溫度、界面載荷和滑動速度等不同工藝參數下的摩擦特性，分別建立了速度和載荷的摩擦系數模型，并證明了這兩種變摩擦模型的厚度和回彈精度均高于恒定摩擦系數模型；郭怡暉等［7］通過插值法將不同壓力下的摩擦系數導入有限元仿真軟件，對比變摩擦系數和恒定摩擦系數條件下的成形極限圖，表明變摩擦系數更能精確預測零件成形；聶昕等［8］通過摩擦試驗得到高強度鋼在不同溫度的摩擦模型，并通過熱沖壓仿真模擬和實際熱沖壓，證明變摩擦模型材料的成形性更好、回彈精度更高。

本文以7075鋁合金為研究對象，研究不同載荷下7075鋁合金摩擦系數的變化規律，通過非線性擬合建立基于載荷摩擦系數的變載荷摩擦模型；并通過ABAQUS有限元仿真和實際沖壓試驗驗證該摩擦模型的有效性。

1 試驗材料和測量方法

1.1 試驗材料

選用西南鋁業生產的厚度為0.5 mm、寬度為20 mm的7075-T6鋁合金作為摩擦試樣，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示；選用P20模具鋼作為摩擦副，并將其表面拋光，得到綜合表面粗糙度Ra為0.8～1.2 μm。

表1 7075-T6鋁合金中各元素的質量分數Table 1 The mass fraction of each element in 7075-T6 aluminum alloy

1.2 測量方法

采用線切割將7075-T6鋁合金板料裁剪成大小為200 mm×20 mm×0.5 mm的長條，每次試驗前將丙酮溶液均勻地噴涂在裁剪好的板料上表面進行超聲清洗，保證試驗時板料邊界潤滑。采用拉伸式高溫摩擦試驗機進行試驗，如圖1所示。

拉伸式高溫摩擦試驗機由測量系統和驅動系統組成，驅動系統由兩個線性同步執行器組成，測量原理如圖2所示。圖2中板料帶動旋轉輥轉動，旋轉輥中加入熱電偶，使板料在相同速度和恒定溫度下完成摩擦運動；P20摩擦副位于板料頂面，加載力位于法向。

摩擦試驗時選用200 ℃的恒定加熱溫度、4 mm/s的滑動速度，在法向載荷為2、3、4、5、6 N時；分別進行3次試驗，每次試驗選取前30 s的試驗結果，得到摩擦系數曲線、三維表面形貌、平均摩擦系數曲線如圖3～圖5所示。需要注意的是每次試驗完成后，都需要更換P20模具鋼。

2 測量結果分析

由圖3可以看出：在不同載荷下，摩擦系數變化規律大致相似，即邊界潤滑條件下，在相同溫度、滑動速度下，摩擦系數隨著載荷的增加而逐漸減??；同一載荷下的摩擦系數則隨著滑動時間的增加而增加，在達到最大值后再逐漸減小，最后趨于穩定。這主要是由于板料在開始運動之前處于準靜態，在高溫作用下板料表面形成氧化層，在板料開始運動之后，由于模具硬度比板料大，模具表面凸起使得板料表面氧化層破裂，摩擦系數上升；隨著滑動時間的增加，破裂的氧化層與潤滑油接觸產生犁溝磨損，導致摩擦系數下降；在犁溝磨損形成后，潤滑劑的不斷流入又導致摩擦系數變化相對平穩。另一方面，隨著載荷的增加，板料與模具的接觸面積增大，板料表面的磨屑顆粒被帶入犁溝，從而在材料表面產生黏著效果，導致摩擦系數隨著載荷的增加而逐漸變小，這與文獻［9-10］的試驗結論大體一致。

圖4為采用VK-X100光學顯微鏡，觀察邊界潤滑條件時不同法向載荷下7075鋁合金與P20鋼摩擦后的表面形貌。由圖4可以看出，載荷為2 N時，7075鋁合金表面較為平整，表面出現不連續的痕跡，這是由于7075鋁合金與P20模具鋼之間在潤滑劑的作用下，鋁合金表面的氧化層被破壞，從而發生相對滑動，表現為犁溝磨損；當載荷從3 N增加到6 N時，隨著載荷的增加，7075鋁合金表面劃痕數量、寬度在增加，圖4e中板料表面出現局部剝落痕跡，這進一步印證了上文摩擦系數隨載荷變化的摩擦特性。

圖4 不同法向載荷下7075鋁合金與P20鋼摩擦后的三維表面形貌Fig. 4 Three-dimensional surface morphology of 7075 aluminum alloy and P20 steel after friction under different normal loads

3 摩擦系數擬合

由圖5可以看出，平均摩擦系數隨著載荷的增加而逐漸減小，符合反比例函數趨勢。因此設板料與模具鋼間摩擦系數的函數表達式為：

圖5 平均摩擦系數曲線圖Fig. 5 Curve of average friction coefficient

式中：μ為摩擦系數；F為加載載荷，N；a、b、c為常數。

將試驗測得的平均摩擦系數采用ORIGIN進行自定義反比例函數擬合，得到摩擦系數擬合曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，摩擦系數擬合曲線擬合度為0.9889，超過0.95，擬合效果較好，與文獻［11］所述一致。

圖6 摩擦系數擬合曲線Fig. 6 Friction coefficient fitting curve

將圖6中的a=3.111、b=6.156、c=-0.113代入式（1），得到板料與模具鋼間摩擦系數的函數表達式為：

為驗證式（2）對于變載荷摩擦模型的有效性，分別采用另外5組載荷進行試驗，得到摩擦系數μ的測量值、計算值及其誤差，如表3所示。從表3可以看出誤差不超過5%，進一步說明了所建變載荷摩擦模型是有效的。

表3 不同載荷下摩擦系數μ的測量值與計算值Table 3 The measured and calculated values of friction coefficient μ under different loads

4 數值模擬及沖壓試驗

為進一步驗證所建變載荷摩擦模型的準確性，通過ABAQUS沖壓仿真模擬和實際沖壓相結合的方法進行研究。

4.1 有限元數值模擬

采用ABAQUS有限元分析軟件對變載荷摩擦模型和定摩擦模型（μ=0.14）下的錐形件進行有限元仿真，錐形件的幾何尺寸及有限元模型如圖7所示。仿真時，為節省計算時間，選用1/2模型，板料設為三維可變形殼體，直徑為160 mm、厚度為0.5 mm；模具設為剛體，模具間隙為1.1倍的板料厚度；有限元網格類型為四邊形結構化網格，沖壓速度為2000 mm/s，得到錐形件的厚度分布云圖和等效塑性應變圖，分別如圖8、圖9所示。

圖7 錐形件幾何尺寸及有限元模型Fig. 7 Geometric dimension and finite element model of conical parts

圖8 不同摩擦模型下仿真模擬錐形件的厚度分布Fig. 8 Thickness distribution of simulated conical parts under different friction models

圖9 不同摩擦模型下仿真模擬錐形件的等效塑性應變圖Fig. 9 Equivalent plastic strain maps of simulated conical parts under different friction models

從圖8可以看出，凸模與板料底部圓角接觸的厚度最大，壓邊區的厚度最小。這是由于凸模下移過程中，與凸模接觸的圓角部分受到拉應力和彎曲應力，變形力較大，導致本部分的厚度最大；而壓邊區域受到拉應力，板料流入凹模，使得本部分的厚度最小。從圖9可以看出等效塑性應變峰值主要集中在凸模圓角區。

4.2 沖壓試驗

采用YL25/180-WG型雙動拉伸機對板料進行沖壓試驗。試驗時，板料溫度為200 ℃，模具溫度為25 ℃，沖壓后得到如圖10a所示的錐形沖壓件。沿圖10a錐形件的半徑選取38個測量點（見圖10b），使用TM-8810型測厚儀測量錐形件厚度；再將實際沖壓試驗得到的錐形件厚度與基于變載荷摩擦模型、定摩擦模型（μ=0.14）仿真模擬得到的錐形件厚度進行比較，結果如圖11所示。

圖10 錐形沖壓件及其厚度測量點Fig. 10 Conical stamping parts and their thickness measurement points

圖11 不同摩擦模型下仿真模擬錐形件和錐形沖壓件的厚度分布Fig. 11 Thickness distribution of simulated conical parts and conical stamping parts under different friction models

由圖11可以看出，基于變載荷摩擦模型得到的錐形件厚度更接近于實際沖壓的厚度，能夠較好地預測不同載荷下7075鋁合金與P20模具鋼在接觸界面下的摩擦行為。

5 結論

采用拉伸式高溫摩擦試驗機，研究在邊界潤滑條件下，不同載荷對7075鋁合金板料摩擦系數的影響。結果表明：變載荷下摩擦系數隨著載荷的增加而逐漸減小，定載荷下的摩擦系數先增大后減小再趨于平穩；隨著載荷的增加，7075鋁合金表面的犁溝和劃痕數量增加，犁溝磨損越發顯著；利用ORIGIN建立的變載荷摩擦模型，擬合度大于0.95，擬合效果較好，可較為準確地判斷材料的摩擦行為；并且基于變載荷摩擦模型仿真模擬錐形件的厚度更接近實際沖壓錐形件的厚度，進一步驗證了該摩擦模型的有效性。