答辩博士：窦沙沙
指导教师：王小平 教授
论文题目：铝合金冲压成形中摩擦特性研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：李东波 教授/博导 南京理工大学
周来水 教授/博导 南京航空航天大学
张丽艳 教授/博导 南京航空航天大学
鲁世红 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
王小平 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年03月23日09:00
地点：腾讯会议 ID944-544-730 密码198212
学位论文简介：
铝合金作为一种较为成熟的轻质高强合金材料在航空航天中的使用量巨大，比钢有更高的比强度和更优异的加工性能，航空铝合金薄壁件具有良好的轻量化效果，被广泛应用航空航天制造业。高强轻质铝合金材料成型技术和加工技术也在不断发展进步。在铝合金件冲压成形是一个高度非线性的变化过程，其与模具之间的摩擦行为十分复杂，如何用实验方法测定和研究铝合金板材成形过程摩擦的变化规律，如何获取统一且精确的摩擦模型，一直是板材成形研究中的一个重点和难点。随着有限元分析技术在冲压成形中的应用越来越广泛，有效地预测金属板材的成形性能，可减少产品的生产成本和时间。目前大部分有限元软件对冲压成形过程中摩擦力的处理过于简单，其模拟精度有待于进一步提高。因此本文从铝合金板材冲压摩擦理论的分析出发，结合摩擦实验，从宏观和微观两个角度进行分析，主要研究内容包括：
（1）铝合金冲压成形摩擦行为分析
从板材成形摩擦学角度出发，阐述了铝合金板材冲压成形过程摩擦学的特点，将摩擦过程分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和润滑摩擦；将摩擦力分为粘着力、变形力、犁沟力和棘轮力；从微观角度解释摩擦系数和摩擦力，揭示了表面轮廓与摩擦系数的关系；并从摩擦学系统角度揭示了板材摩擦是一个高度复杂的非线性问题；最后介绍润滑在冲压成形过程中的作用。
（2）铝合金冲压成形流变特性分析
流变应力是材料变形时重要考虑的一个物理量，分别对AA5052和AA6061铝合金在不同温度和速率下进行单轴拉伸实验，获得这两种材料不同条件下的应力-应变关系曲线，并对材料变形的力学行为进行了表征；接着在实验数据的基础上对Johnson-Cook模型进行修正，拟合出分别适合AA5052和AA6061铝合金的本构方程；最后基于von Mises弹塑性理论将新的本构方程通过UMAT子程序实现到ABAQUS软件中。
（3）AA5052铝合金冷冲压成形摩擦实验及分析
在常温下，以AA5052铝合金为研究对象，用盘销式摩擦试验机，测量在不同载荷、速度和滑动行程下板材与模具间的摩擦系数；分别在干摩擦和边界润滑条件下进行摩擦实验，研究滑动速度、法向载荷和滑动行程对摩擦系数的影响，并建立基于速度和载荷的摩擦模型；对摩擦后试样的表面微观形貌进行观察和分析，探究其摩擦磨损机理；最后结合有限元软件和实例对摩擦模型的有效性进行验证。
（4）AA6061铝合金温热冲压成形摩擦实验及分析
与冷冲压相比，铝合金在温热冲压成形过程的摩擦行为更为复杂。采用CFT-I型反复式高温摩擦试验机，以AA6061铝合金为研究对象，测量在不同的温度和边界润滑条件下的摩擦系数，分析温度、法向载荷、滑动速度及滑动行程对摩擦系数的影响规律；并在实验数据基础上，建立基于滑动速度和法向载荷的摩擦模型；接着通过光学显微镜对试样摩擦前后的表面形貌进行观察，进一步深入研究铝合金温热成形的摩擦接触机理；最后运用冲压实例对摩擦模型的有效性进行验证。
（5）铝合金微观形貌摩擦模型研究
铝合金与模具真实接触表面是由许多微小的形貌构成，在法向及切向载荷的作用下，接触状态不断发生变化。从微观角度出发，以AA5052铝合金为研究对象，在边界润滑状态下，研究摩擦系数与表面微观形貌之间的关系；依据接触力学理论、犁刨-粘着模型和能量守恒方程，从单个形貌接触过程开始分析，结合接触表面的形貌和接触载荷的变化情况，推导出单形貌摩擦模型，并进一步积分推广到整个粗糙表面上，建立多形貌摩擦模型，最后结合实例验证模型的正确性。
本文围绕铝合金板材冲压成形中的摩擦行为，采用宏观和微观相结合的方法，对不同状态下的摩擦行为开展了一系列的实验和理论研究，获得不同状态下的摩擦模型，并对模型的有效性进行验证。本文的研究结果将为铝合金板材冲压成形数值模拟提供理论依据，并对实际生产工艺提供指导。
主要创新点如下：
（1）分别对AA5052铝合金和AA6061铝合金在冷温条件下进行拉伸实验，获得不同应变速率下的应力-应变曲线，研究在不同应变速率和温度下的力学行为，对JC方程进行修正，分别拟合出AA5052和AA6061铝合金的本构方程，经验证得出修正后的本构方程对实际拉伸情况具有更好的预测性。
（2）在冷成形条件下，借助盘销式摩擦试验机，在干摩擦和边界润滑条件下研究AA5052铝合金滑动速度、法向载荷和滑动行程对摩擦系数的影响规律，建立边界润滑条件下基于速度和载荷的单因素和混合摩擦模型；对实验前后试样表面微观形貌进行了观察，分析其摩擦机理主要为犁刨和磨粒磨损，最后结合实例对摩擦模型的有效性进行模拟和实际验证，为提高铝合金冷冲压有限元模拟精度提供了一定的理论依据。
（3）在温成形条件下，借助反复式高温摩擦试验机，研究AA6061铝合金在不同温度、载荷和速度下的摩擦规律，在边界润滑条件下建立基于速度和载荷的单因素和混合摩擦模型，对实验前后试样表面微观形貌进行了观察，分析得出铝合金温热成形的摩擦机理主要为粘着和磨粒磨损，最后结合实例对摩擦模型的有效性进行模拟和实际验证，为铝合金温热冲压有限元模拟精度的提高提供一定的理论依据。
（4）从微观角度出发，结合接触力学理论和“犁刨-黏着”模型，从单个形貌接触开始分析，建立单形貌接触摩擦模型；通过整体表面形貌的表征，在力平衡方程，能量和体积守恒方程的基础上，提出单摩擦模型，用统计学的方法结合冲压工艺特性，推导出“静止+滑动”加载下的多形貌摩擦模型，最后结合实例进行验证，扩充了铝合金冲压摩擦在微观角度分析的理论依据。
