1、 上海交通大学硕士学位论文 先进高强钢冷冲压模具磨损预测研究 硕 士 研 究 生 ： 顾新建 学号 ： 1130209396 导师 ： 于忠奇副教授 申请学位 ： 专业硕士 学科 ： 车辆工程 所在单位 ： 机械与动力工程学院 答辩日期 ： 2016 年 1 月 22 日 授予学位单位 ： 上海交通大学 万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master STUDYON PREDICTION FOR DIE WEAR DURING COLD FORMING OF A
2、HSS SHEETS Candidate： Xinjian Gu Student ID: 1130209396 Supervisor： Associate Prof. Zhongqi Yu Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Vehicle Engineering Affiliation： School of Mechanical Engineering Date of Defence： Jan. 22, 2016 Degree-Conferring-Institution： Shanghai Jiao
3、Tong University 万方数据 万方数据万方数据 万方数据万方数据 万方数据上海交通大学硕士学位论文 I 先进高强钢冷冲压模具磨损预测研究 摘要 先进高强钢具有较高的强度级别， 致使冷成形过程中在模具和板料接触界面上将产生较大的接触应力及温升， 造成严重的板料表面划伤及模具磨损。 预测先进高强钢冷成形模具磨损量并找到合理的控制方案，是目前先进高强钢冲压生产中所面临的一大技术难题。 本文以先进高强钢冷冲压成形过程中模具磨损预测为目标， 主要研究了先进高强钢冷成形过程中凹模圆角处钢板-模具界面摩擦系数和表面损伤演化研究，并建立了冷冲压模具圆角区磨损预测方法。 （1）基于弯曲试验的钢板-模
4、具圆角区界面滑动摩擦系数研究 在现有的圆角区滑动摩擦系数模型基础上， 给出了考虑弯曲过程的弯曲和反弯曲因素的摩擦系数计算方法， 并进行了工艺因素等因素对该滑动摩擦系数影响的实验研究。研究表明：弯曲圆角区的摩擦系数要明显高于薄板拉伸的摩擦系数； 材料强度会对凹模圆角的摩擦系数产生影响；材料强度越高、表面硬度越高，凹模圆角的摩擦系数也越小；冲压工艺参数也会对凹模圆角的摩擦系数产生影响；随着相对圆角半径减小、压边力增大、拉伸速度减小，圆角区的摩擦系数都会有所增大。 （2）先进高强钢冲压件表面划伤实验研究 基于物理模拟实验研究了冲压工艺等因素对先进高强钢冲压件万方数据摘要 II 表面划伤的影响， 同时
5、基于数值仿真模型获得了不同工艺参数下模具表面温升变化，进一步对表面划伤变化进行了阐释。研究表明：材料强度会对板料表面划伤产生影响；相同工艺条件下，钢板强度越高，板料在成形过程中越容易产生表面划伤； 冲压中工艺参数也会对板料表面划伤产生一定的影响；相对圆角半径减小、压边力增大、拉伸速度增大时，板料表面划伤加重。 （3）基于摩擦功的模具圆角区磨损量数值预测 基于数值仿真方法获得工艺参数和摩擦功之间的关联， 通过模拟实验构建了摩擦功和模具修模极限值的关系， 实现了模具修模周期的预测。 此外， 研究了不同工艺参数下凹模圆角处摩擦功耗散量的规律。研究表明：在摩擦功的分布上，板料流入处摩擦功最大，之后逐渐
6、较小，在 40附近又升高到一个较小的峰值，之后减小至零；在摩擦功对各个因素的敏感性上，随着相对圆角半径减小、冲压速度提高、板料强度增大，凹模圆角区摩擦功耗散量最大值显著增大；压边力对凹模圆角区摩擦功最大值影响不明显。 关键词：先进高强钢；冷成形；摩擦系数；表面划伤；磨损预测 万方数据上海交通大学硕士学位论文 III STUDY ON PREDICTION FORDIE WEAR DURING COLD FORMING OF AHSS SHEETS ABSTRACT The high intensity level of AHSS can lead to higher contact stres
7、s and temperature during cold forming, thus resulting in serious surface damage of sheet metal and die wear, which is also a technical challenge to the application of AHSS. In order to study friction wear on the interface between the die and blank during cold sheet forming of AHSS, this paper carrie
8、d out the research on friction coefficient on the radius of die, surface damage of sheet metal, and the prediction for die wear during cold forming of AHSS sheets, analyzed the influence of material factors and process factors on surface damage to sheet metal, and established prediction method for d
9、ie wear. (1) Study on sliding friction coefficient based on bending test. Put forward a new method for calculating friction coefficient on the die radius with consideration of bending force and anti-bending force, on base of which, studied the material factors and process factors influence on slidin
10、g friction coefficient on die radius. The investigation shows that: the bending friction coefficient is obviously higher than the plate drawing 万方数据摘要 IV friction coefficient; strength of material can influence bending friction coefficient, the higher the material strength is, and the lower the fric
11、tion coefficient is. Process parameters can affect the friction coefficient, too. With the decrease of die corner radius, the increase of BHF and the decrease of stamping speed, the friction coefficient will increase; lubrication can reduce the friction coefficient. (2) Experimental study on surface
12、 damage to AHSS sheet. Studied the material factors and process factors influence on surface damage to AHSS sheet based on physical simulation experiment, and studied the influence of the processing parameters on the maximum value of the temperature field based on finite simulation, gave a further i
13、nterpretation of surface damage. The investigation shows that: strength of material can influence the surface damage; under the same consideration, the higher the strength is, the higher the contact pressure is, and the more serious the surface damage is. Process parameters can affect the surface da
14、mage, too. With the decrease of die corner radius, the increase of BHF and the increase of stamping speed, the surface damage will be more serious; lubrication can reduce the damage to sheet surface. (3) Prediction for die wear based on friction energy Obtained the association between process parame
15、ters and friction energy by means of numerical simulation, and established the connection between the friction energy and dies repair limitation through experiment. 万方数据上海交通大学硕士学位论文 V In addition, this paper also studied process factors influence on the distribution of friction energy on die radius.
16、 The investigation shows that: at the beginning of the dies corner, the friction energy is the biggest, and then decreases along the corner, while at about 40 on the radius, friction energy increases to a peak value, then reduces to zero. Process parameters can affect friction energy, with the decre
17、ase of relative corner radius, the increase of stamping speed and the strength of material, the friction energy will increase; while BHF has a very tiny influence on the friction energy. KEY WORDS: AHSS; cold forming; friction coefficient; surface damage; wear prediction 万方数据目录 VI 目录 摘要 . I ABSTRACT
18、 . III 目录 . VI 第一章 绪论. 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 先进高强钢的发展和应用. 2 1.3 先进高强钢冷成形过程摩擦磨损研究 . 3 1.3.1 成形过程板料-模具滑动摩擦系数测量 . 4 1.3.2 板料冲压件表面划伤缺陷 . 5 1.3.3 模具磨损研究 . 7 1.3.4 有限元技术在摩擦磨损研究中的应用. 10 1.4 研究内容及思路 . 11 第二章 基于弯曲试验的滑动摩擦系数研究 . 13 2.1 引言 . 13 2.2 凹模圆角区摩擦系数计算. 13 2.3 弯曲试验条件 . 15 2.3.1 试验装置 . 15 2.3.2 实验材料及方法 . 17
19、 2.4 圆角区摩擦系数特性对比分析 . 18 2.4.1 考虑弯曲力反弯曲力的必要性分析. 18 2.4.2 平板拉伸和圆角弯曲下摩擦系数对比. 19 2.5 工艺参数对圆角区摩擦系数影响分析 . 21 2.5.1 材料强度对圆角摩擦系数的影响 . 21 2.5.2 圆角半径对圆角摩擦系数的影响 . 22 2.5.3 压边力对圆角摩擦系数的影响 . 23 2.5.4 拉伸速度对圆角摩擦系数的影响 . 24 2.5.5 润滑对圆角摩擦系数的影响 . 25 2.6 本章小结 . 26 第三章 先进高强钢表面划伤研究 . 27 3.1 引言 . 27 3.2 试验条件与表面划伤评价指标 . 27
20、万方数据上海交通大学硕士学位论文 VII 3.2.1 试验条件 . 27 3.2.2 评价指标 . 27 3.3 面向界面压力和温度的数值仿真模型 . 28 3.4 工艺参数对成形表面划伤影响研究 . 30 3.4.1 材料强度对板料表面划伤的影响 . 30 3.4.2 圆角半径对板料表面划伤的影响 . 31 3.4.3 压边力对板料表面划伤的影响 . 33 3.4.4 拉伸速度对板料表面划伤的影响 . 34 3.4.5 润滑对板料表面划伤的影响 . 35 3.6 本章小结 . 37 第四章 基于摩擦功的模具磨损预测研究 . 38 4.1 引言 . 38 4.2 工艺参数-摩擦功关系模型建立
21、. 39 4.2.1 摩擦功数值求解 . 40 4.2.2 凹模圆角摩擦功参数化研究 . 42 4.2.3 工艺参数-摩擦功关系模型建立 . 47 4.3 模具修模极限-摩擦功关系模型建立 . 49 4.3.1 模具磨损程度的评价 . 49 4.3.2 基于弯曲试验的模具修模极限测量. 49 4.3.3 模具修模极限-摩擦功关系模型建立 . 51 4.5 小结 . 53 第五章 全文总结和展望 . 55 5.1 全文总结 . 55 5.2 展望 . 56 参考文献 . 57 致谢 . 61 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 62 万方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1
22、.1 研究背景 进入 21 世纪后，中国汽车产销量连年攀升，如图 1-1 所示。汽车作为人类目前为止最为方便、灵活而又相对经济的交通工具，也是能源的吞耗大户。汽车产销量的连年攀升，一方面确实体现出中国经济的发展，但另一方面也使能源和环境问题日益严重，当今普遍存在于中国华北地区的雾霾就是很好的体现。从国家近期对“十三五”的规划中也可以看出，“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念也必将会树立和贯彻。因此，汽车的节能减排已是势在必行刻不容缓1-2， 这既是为解决当前普遍存在的能源环境问题， 也是对国家政策的积极响应。目前， 汽车节能减排的主要着力点有三： 发动机效率提升、 汽车轻量化、 新能源。
23、本文研究内容与汽车车身轻量化主题有关。研究表明，汽车自身重量减小 10%，其燃油经济性可提高 4%7%3。汽车的轻量化不仅对其燃油经济性有很大的提升，而且对整车的操控性能、相互碰撞时的安全性能都有很大的改善。研究汽车轻量化必然要关注材料问题，目前汽车上用材的比例大致如图 1-2 所示。从图中可以看出，黑色金属依然是车用材料的主流，因此汽车的轻量化也必然要从用材最多的黑色金属着手。先进高强钢作为目前最为热门的车用材料，以其500MPa15000MPa 的超高强度，可在材料用量大大减少的情况下，保证汽车碰撞安全性能；同时又以其良好的成形性能和较好的经济性，成为车用普通钢材的最佳替代者4-5。 图
24、1-1 2000-2013 年中国汽车年销量及增长率 Fig.1-1 Annual car production & growth rate in China 万方数据第一章 绪论 2 图 1-2 当今汽车用材分布 Fig.1-2 Automotive Materials Usage - Today 然而，先进高强钢的高强度也是一把双刃剑，它除具有上面所述的优良使用性能外，其超高强度也会带来成形过程中板料-模具界面严重的摩擦磨损问题，以及成形工件由于回弹严重而导致的尺寸精度较差的问题6。对于回弹问题，生产中常用的解决措施是采用更小的模具圆角半径以及更大的压边力来尽量控制回弹在允许范围之内7。而
25、以上两个措施虽然可以在一定程度上解决回弹问题，但其同时也会导致板料-模具界面磨损更加严重，加大成形件的表面划伤以及成形模具的磨损， 导致工件的废品率上升， 模具修模周期减小， 生产成本加大等8。这主要是：先进高强钢自身强度较高，成形过程中塑形变形抗力更大，这样会使得凹模圆角区的接触压力明显增大，导致模具磨损加剧，板料表面在一定程度上受到表面划伤9。 本文即是针对先进高强钢冷成形中模具圆角区-板料界面上的摩擦磨损问题，尤其是模具磨损量数值预测问题展开相关研究。 1.2 先进高强钢的发展和应用 先进高强钢以其良好综合性能正在广泛地应用于车身的制造和生产。1983年，瑞典 SSAB 公司率先实现双相
26、高强钢的量产10。双相钢作为第一代先进高强钢，也是目前应用最为广泛的先进高强钢。双相钢的组织结构由相对较软的铁素体和加强相马氏体组成。通过添加一些非金属元素碳、 硅等也能起到增强马氏体强度的作用，进而增加钢板整体的强度11。目前，DP 钢生产的主流工艺是通过对奥氏体相和铁素体相冷却速度的控制，在参与奥氏体还未转变为马氏体时，将一部分奥氏体转变为铁素体，来实现双相钢的生产12。但是，第一代高强钢塑性以及韧性都不够高，在其应用过程中，很容易产生开裂等缺陷，不能很好的满足大规模应用的条件，为解决其塑性韧性较低的问题，世界各地学者们都做了大量的探索。2003 年，美国学者 Speer13-15等人利用
27、淬火工艺，将中碳含硅钢热万方数据上海交通大学硕士学位论文 3 处理至 MsMf之间，并控制温度稳定，使得马氏体分配至残余奥氏体，并且使部分残余奥氏体富碳稳定到室温，以增强材料的塑性，此即淬火-分配工艺(Quenching & Partitioning)。其间，铝合金、镁合金、复合材料、碳纤维等特种材料的发展一度对钢铁提出了巨大挑战。但是，随着先进高强钢的迅速发展，凭着其性能的逐步改善，以及其特有的低成本性，依然保持着车身上应用最为广泛的材料的地位。世界上各大钢铁企业也针对其他铝合金、碳纤维等新材料的挑战，合力开展先进高强钢的应用研究16，推出迎合节能减排这一世界主题的汽车轻量化项目，使得先进高
28、强钢在发展上有了重要的支撑。在此种种推动下，先进高强钢正在越来越多地在车身上应用，车身重量逐步减轻，除了减低燃油外，还增强了汽车的操控性和安全性。目前，先进高强钢主要用于 B 级及以上级别的车型，A 级车尚未广泛采用，而 A 级车在中国有着非常广阔的市场，如果先进高强钢能进一步降低生产和应用成本，其应用前景必然非常广阔，这也必然为整个中国汽车总体的安全性和节能性带来重大利好。因此，对先进高强钢的研究既是当今绿色发展理念的需要，也是整个中国汽车市场的一种迫切需求。 1.3 先进高强钢冷成形过程摩擦磨损研究 冲压成形过程影响板料-模具间摩擦磨损的因素非常多，如图 1-3 所示，总体可分为材料因素、
29、 工艺因素和生产环境， 其中各材料因素包括板料、 模具材料、板料镀层、模具表面处理等；工艺因素包括成形速度、板料厚度、模具圆角、压边力、润滑、拉延筋等；生产环境包括环境温度、湿度、设备稳定性等。且以上诸多因素中很多是难以量化的，很多因素之间也会互相影响，比如工艺因素对温度以及材料之间的影响。 由此可知，成形过程中的摩擦磨损问题是一个非常复杂的问题。 针对以上诸多因素， 国内外学者做了大量的探索和研究， 下面分类说明。 图 1-3 冲压过程中影响摩擦磨损的主要因素 Fig.1-3 Main factors that influence friction wear during stamping
30、万方数据第一章 绪论 4 1.3.1 成形过程板料-模具滑动摩擦系数测量 在先进高强钢冷成形时， 板料的表面划伤和模具磨损正是源自二者不断地相对滑动摩擦。板料和模具之间的摩擦行为对接触副材料、成形工艺都是比较敏感的，不同的接触副材料、不同工艺下摩擦行为的演变也会不同。随着先进高强钢的广泛应用，在其冲压生产中也必然会带来不同的摩擦演变规律。相关研究中，摩擦系数是应用最为广泛的评价摩擦行为演变的一个参数。 1978 年，加拿大学者 J.L.Duncan17指出：在汽车板的冲压成形中，板料流经拉深筋和模具圆角时，都会产生不同于平面相对滑动时的摩擦行为，并针对圆角处的摩擦进行了深入的研究，通过理论推导
31、积分求解了圆角摩擦系数，给出了公式：122ln()PP，其中 P1为板料流动的拉力，P2位后拽力。此式后来得到世界学者的广泛认可，并用于研究各类圆角摩擦行为。然而其在计算中，并没有考虑到板料流经圆角前后的弯曲力和反弯曲力的。同年，Weideman18详细研究了冲压过程中拉深筋处摩擦阻力的作用， 将板材通过拉延筋时产生的阻力分为两部分：板材流经凸凹筋圆角时的摩擦力和流经拉延筋时的弯曲/反弯曲变形导致的弹塑形应变阻力，如图 1-5a 所示，在 A、B、C、D、E、F 中，A、C、E 处会产生弯曲力，B、D、F 中会产生反弯曲力，并推导得出了力的求解公式。 a 拉深筋中的弯曲力和反弯曲力 b 弯曲力
32、反弯曲力的力学模型 图 1-5 板料流经拉深筋处的弯曲力和反弯曲力及其计算 Fig.1-5 The bending force & anti-bending force and their calculation at draw bead 2007 年，中国学者常春19等人研制了一种用于测量板料成形时模具圆角处摩擦测试的实验装置，其示意图如图 1-6 所示，该装置考虑了成形时板料厚向增厚和周向收缩，可以同时测量板料成形时凸模和凹模圆角摩擦系数，既可以用于滑动摩擦测试，也可以用作滚动摩擦测试；基于摩擦系数测量装置，测试了不同压边力等工艺条件下铝合金的摩擦系数演变。 万方数据上海交通大学硕士学位论
33、文 5 图 1-6 圆角摩擦系数测量试验原理图 Fig.1-6 Sketch map for the testing of friction coefficient on radius 2008 年，中国学者郭正华20等研究了镁合金板温成形过程模具圆角部位摩擦。 探讨了温度、 压边力、 润滑状态对模具圆角部位摩擦因数的影响。 同年 Kim21等人对不同强度级别高强钢的摩擦行为进行了探究，研究了不同模具材料、涂层配幅下的板料-模具间摩擦系数的演变规律，获得了在其条件下的板料-润滑剂-模具的最佳匹配。2007 年，G rd22,23等人用滑块-平板装置研究了干摩擦状态下DP 钢板与不同模具材料、不
34、同涂层、以及不同正压力下的摩擦行为；在此研究基础上，进一步研究了温度的变化对黏着磨损的影响规律。2009 年，Cora24等人利用自制的销-盘磨损实验机，研究高强钢 DP600 与不同模具材料的摩擦匹配特性， 研究表明， D2 模具材料抗磨损性能最差， 而 Vancron4 的抗磨损性能最好。2009 年 Cao25用研究了相对滑动距离、接触压力以及相对滑动速度对摩擦磨损的影响。 由以上研究可知， 目前广泛采用的圆角摩擦系数计算公式并没有考虑板料流经圆角时的弯曲和反弯曲过程，因此该公式并不能很好的反映模具-板料界面上摩擦行为的演变，比如对于不同强度或宽度的钢板，由于弯曲和反弯曲，两端拉力必然不
35、同，强度级别高、宽度大的钢板必然导致主动拉力更大，摩擦系数的计算值就会比实际值偏高。因此，此种摩擦系数计算是不够准确的，尤其是对于强度级别较高的先进高强钢板，误差会更大，因此必须对传统的摩擦系数计算模型进行改进，改进点就是考虑变形时的弯曲和反弯曲。 1.3.2 板料冲压件表面划伤缺陷 板料表面划伤现象是薄板件成形时最常见的质量缺陷之一， 也是本文研究的核心内容之一。板料的表面划伤在汽车板的生产中表现为车身表面划伤，严重时会导致后续喷涂工艺无法掩盖此缺陷，在车身表面产生瑕疵。 板料表面的表面划伤往往是由模具的磨损导致，当模具表面磨损到一定程度，表面凸凹不平，便会刮伤流经其上的板料，导致板料表面的
36、损伤，即生产中的表面拉伤。随着先进高强钢的广泛应用，由于其较高的强度级别，成形时会产生更大的接触应力，导致万方数据第一章 绪论 6 模具磨损、板料表面划伤都会更加严重，因此，对先进高强钢表面划伤的研究很有意义。 2009 年， 侯英苛26-29对 U 型件冲压成形中的板料表面划伤及演化规律进行了系统的研究，通过 U 型件冲压模拟实验，获取了工艺因素、模具材料对先进高强钢成形过程表面划伤的影响规律，在此基础上建立了板料表面划伤演化模型，并完成了板料强度-模具硬度的工艺窗口匹配，如图 1-7 所示；此外，还针对不同表面处理的先进高强钢板进行了研究， 完成了裸板和镀锌板的表面划伤评估标准确立，并且对
37、比分析了两种板材不同的摩擦行为。 100 250 212.5 175 137.5 35 50 55 45 40 400 325 250 175 152025303540455055100120140160180200220 Blank hardness/HBTool hardness/HRC 冲压次数：200 冲压次数：300 冲压次数：400 a 板料与模具硬度匹配窗口 b 板料与模具硬度匹配窗口的应用 图 1-7 板料与模具硬度匹配窗口及其应用 Fig.1-7 The matching window of tool and blank hardnessand its application
38、 2012 年，王武荣30等研究了 DP590 裸板和镀锌板的表面划伤的演变，并且对摩擦系数也进行了测量和分析，其研究发现：摩擦系数会随着板料的滑动、不断硬化而有所逐渐减小；表面镀锌会使 DP590 板料的摩擦系数有所增大；工艺参数方面， DP590 镀锌板和压头之间的摩擦系数会随着滑动速度、 变形量以及载荷大小的增大而增大；而 DP590 裸板则呈现出完全相反的规律，摩擦系数随着滑动速度、变形量以及载荷的增大而减小。同年，Paul31等用销盘磨损实验研究了冷成形干摩擦条件下，低碳钢的摩擦磨损特性，研究表明：黏着磨损受温度影响明显， 板料表面材料的转移会随温度而变化， 一定范围内存在一个极小值
39、。 2014年，岳懂32等人通过 U 型件冲压半工程实验，研究了 DP780 裸板与两类表面处理模具材料之间的匹配，其研究表明：覆有 TD 涂层的模具材料抗磨损性能要明显优于真空热处理模具，并且凹模过渡圆角处的磨损是整个模具上最为严重的。2015 年， 孙利33通过平板拉伸实验和数值仿真， 研究了拉伸速度和温度对 QP980板摩擦磨损的影响，实验表明：滑动速度和温度对摩擦和磨损的影响是十分复杂的，在前期可降低摩擦，减小磨损，但超过一定温度后，又使摩擦系数增大，磨损加剧。 以上研究中，大多是针对 980MPa 以下的材料进行的研究，并且有些因素并万方数据上海交通大学硕士学位论文 7 没有考虑在内
40、，比如相对圆角半径等，只是针对某一个或几个因素进行的研究，而实际冲压成形过程中，板料表面的表面划伤是所有因素共同作用的结果， 因此需要进一步全面分析，本文正是以 DP980 这一超高强钢板的抗表面划伤性能进行的研究，并以 DP780 和 QP980 板作对比。此外，以上对板料表面划伤的研究中， 大多用表面粗糙度去评价板料表面的损伤程度，但是先进高强板除了用于车身外覆盖件外，还广泛的应用于汽车内板等承载、防撞部件，对这些零件的加工质量一般只要求其力学性能达标，而不会过分关注其表面状态， 如能建立板料表面形貌和服役力学性能之间的关系，对扩展表面划伤评价方法具有积极意义。 早在 1958 年，Neu
41、ber34研究了表面形貌对表面应力集中系数的影响，提出公式：1tRzKn ，其中 n 为应力状态系数，Rz为表面粗糙度， 为材料表面有效轮廓波谷的曲率半径， 为平均波谷间距，这样便建立了表面形貌和应力集中系数的关系。1999 年，Arola 等又提出了考虑三个粗糙度参数的表面形貌对应力集中的影响，提出公式1()()tRaRyKnRz ，建立了应急集中系数和三个表面粗糙度值以及应力状态系数和材料表面轮廓波谷曲率半径的关系，是对 Neuber 模型的一个优化。2010 年，章刚35等人又研究了铝合金表面粗糙度对表面应力集中系数得影响，并且还分析了和疲劳寿命的关系，得出了修正的应力集中系数计算公式0
42、.8690.025()(1 2.044)2tdRzKa。2015 年，廖智奇36等通过数值仿真的方法研究了铝合金微缺口参数对表面应力集中系数的影响规律， 建立了表面粗糙度参数与应力集中系数 Kt及疲劳寿命 N 间的关系式。以上这些研究大多是针对铝合金材料，因为这些材料多用于航空零部件制造，对力学性能尤其是疲劳性能要求很高，因此比较关注表面形貌和力学性能的关系； 由于先进高强钢板的力学性能也是一个很重要的指标，因此在其冲压生产中， 也可以借鉴以上表面形貌和力学性能之间的关系。 1.3.3 模具磨损研究 模具的磨损问题是冲压生产一直以来所面对的问题之一。 由于模具开发成本较高，因此车身制造时模具设
43、计、模具磨损的预测和控制都是非常重要的一环，以满足在保证其生产批量及产品质量的情况下实现成本的最低化。 在模具磨损的研究中，目前仍然以实验为主，常用的实验装置包括经典的销盘磨损实验装置，如图 1-8a 所示，以及平板拉伸实验装置，图 1-8b 所示，也有一些学者为了满足自身实验需求，研制了一些其他的特殊的试验机，本文正是在自主研制的磨损万方数据第一章 绪论 8 表面划伤特性试验机上来开展对板料表面划伤以及模具磨损的研究的，后续正文中将详细介绍。有关模具的磨损规律及其预测和控制，国内外学者都做过很多的研究。 a.销盘磨损实验装置 b.平板拉伸实验装置 图 1-8 常用的磨损实验装置 Fig.1-
44、8 The common experiment machine for wear test 在有关磨损机制及演变规律的研究中，2005 年，Boher37等人研究了拉深成形工艺下的凹模圆角出磨损的演化机制，其研究表明，凹模圆角处的磨损要明显比其他位置更加严重，黏着和犁沟效应一般都会首先在凹模圆角处产生。2011年，Hiratsuka38研究了滑动速度、温度以及无摩擦接触时间对铸铁冲压中摩擦磨损的影响，研究表明：速度较低时，接触区域的实际摩擦会增加，从而加快了磨损量。2012 年，Cora39等通过平板拉伸实验研究了不同模具材料、不同表面涂层下的模具抗磨损性能，结果表明：TD 涂层的模具材料抗磨
45、损性能明显优于其他材料。2013 年，Groche 40,41等人研究了 3 种模具材料与 DP980 镀锌板和裸板匹配的抗磨损性能，研究表明：TiC、TiN 涂层的 CP4M 模具材料的抗磨损性能优于无涂层的 CP4M 模具；镀锌板的抗磨损性能要优于裸板。2014 年，岳懂等通过 U 型件冲压实验也表明：模具在凹模圆角处的磨损最为严重，并且粘着磨损为主要磨损机制。2010 年，Benghalem42研究了不同载荷、温度、速度以及热处理状态下，塑性变形和摩擦磨损的关联。 在有关磨损预测的研究中，应用最为广泛的模型为经典的 Archard 模型，该模型主要应用于黏着磨损，是通过大量的物理实验总结
46、出来的磨损体积随压力、相对位移、材料硬度之间的关系：kFsVH，其中 k 为磨损系数，取决于接触材料的量纲为一的系数。除了 Archard 模型之外，还有 Rowe 模型，也是在大量的实验基础上总结出来的：21msWVKfs，其中 V 为磨损体积，W 为法向载荷，s 为滑动距离，s为被磨损材料受压屈服极限，km为材料性质有关的常数。针对磨粒磨损也有类似于 Archard 模型的计算模型，这是由布尚通过大量的万方数据上海交通大学硕士学位论文 9 实验提出的：abrk WxVH，其中，V 为磨损体积，W 为法向载荷，x 为滑动距离，H 为被磨损材料硬度，kabr为磨损系数。 随着有限元理论的发展和
47、计算机运算能力的提升， 利用数值仿真和经典预测模型相结合来实现磨损预测也变得越来越流行。2003 年，Lee43利用数值仿真的方法研究了热锻中的模具磨损， 将温度对材料硬度和磨损系数的影响加入到经典的 Archard 模型中，利用数值仿真的方法求解每个增量步中模具表面不同位置时的相对位移、 接触应力、 材料硬度以及磨损系数， 然后进行累加得出模具磨损量，获取热锻中模具磨损随时间和位置的分布，其每个分量的基本计算式为：( )( )ijijijijijL PWk TH T。2007 年，Z. Cedric Xia 等44从摩擦力做功和磨损的关系出发，提出了磨损严重性指数 WSI，0Tfricsli
48、dWSIvdt，其中，fric为接触界面上的切应力，slidv滑动速度；然后提出了利用数值仿真求解冲压工艺中模具不同位置的磨损分布的方法，并给出了一个具体的求解案例，如图 1-9 所示。 a.冲压件上不同点位 b. #9 处 WSI 的数值求解结果 图 1-9 基于摩擦功的模具磨损预测 Fig.1-9 Prediction for die wear based on of friction energy 总结以上研究可知：在以上三个经典的磨损预测模型中，Archard 模型应用最为广泛。所以本研究应用的预测模型以 Archard 模型为基础，并进行必要的修正。数值仿真的方法在磨损预测中的应用主
49、要包括两个方面，一是基于经典的Archard 模型的磨损预测，二是基于摩擦功的磨损预测。数值仿真的广泛应用，是因为它可以方便地求解出实际过程中难以测量的界面接触应力， 进而利用磨损预测模型实现对模具磨损量的预测。 万方数据第一章 绪论 10 1.3.4 有限元技术在摩擦磨损研究中的应用 以上三个有关板料-模具间摩擦系数的研究，板料表面划伤、模具磨损的研究大多是通过实验的方法进行。物理模拟实验结果是真实的可靠的，但对于成形过程的摩擦磨损尤其是模具磨损的研究而言，它也有着两方面难点：一是磨损是一个逐渐积累的过程， 需要进行大批次实验，成形过程滑动磨损更是难于实现自动化，需要大量的时间和材料成本；另
50、一方面是模具-板料接触界面上的压力是关乎板料表面划伤和模具磨损的一个非常重要的物理量， 但是通过实验的方法几乎不可能实现稳定可靠的采集。而随着有限元理论的发展，以及计算机处理能力的不断提升， 成形过程摩擦磨损研究在这两个方面都能通过数值仿真方法得到很好的弥补，因此数值仿真也正在越来越广泛地应用于成形过程的摩擦磨损研究。 2001 年，Hortig45首次通过数值模拟的方法求解了成形过程中板料-模具接触界面上应力的分布，以及摩擦力对不同工艺参数、几何参数的敏感性。2008年，Pereira46-48等用数值方法模拟了 U 型件冲压过程，发现：界面压力分布随时间存在两个明显不同的阶段，即瞬态阶段和
