7075铝合金变载荷摩擦模型研究.pdf

采用自主设计的摩擦试验机，研究在边界润滑条件下不同载荷对7 0 7 5 铝合金板料摩擦系数的影响，利用ORIGIN拟合软件建立基于载荷摩擦系数的变载荷摩擦模型，结合ABAQUS有限元仿真和实际冲压试验，验证所建模型的有效性。研究结果表明：在2 6 N范围内，随着载荷的增加，7 0 7 5 铝合金板料摩擦系数逐渐减小，表面划痕数量和宽度增加，犁沟磨损越发显著；基于变载荷摩擦模型仿真模拟锥形件的厚度更接近于实际冲压锥形件的厚度，验证了该摩擦模型的有效性。关键词：7 0 7 5 铝合金；载荷；表面形貌；变摩擦模型；有限元仿真中图分类号：TG156.3文献标志码：A文章编号：16 7 1-5 32 2(2 0 2 3)0 2-0 0 7 2-0 7板料成形过程中，成形性能受到多种因素的影响。传统的成形预测大多采用库伦摩擦模型 ，该模型只局限于接触压力小于屈服应力极限的弹性变形阶段 2 。在板料变形过程中界面载荷压力和塑性变形导致模具和板料的实际接触面积不再与正常载荷成比例 3-4,即摩擦系数随载荷不断变化。因此，传统的板料成形数值模拟中采用恒定摩擦系数已经不能准确地反映热成形过程（定摩擦系数通常只局限于弹性变形阶段），需要建立能够准确描述铝合金板料成形过程中摩擦特性的预测模型。国内学者针对铝合金热成形摩擦作了大量研究。Liu等 5 基于热拉拔的高温摩擦磨损试验机，研究了6 0 6 1铝合金在干燥和润滑条件下的摩擦性能;Dou等 4 使用盘销摩擦试验机研究了边界润滑条件下，滑动速度和法向载荷对5 0 5 2 铝合金与SKD11钢摩擦系数的影响,并分别建立了摩擦模型，又通过数值模拟和实际热冲压，验证了模型的有效性；Xia等 6 通过温成形摩擦试验分别研究了6 0 6 1铝合金和P20钢在温度、界面载荷和滑动速度等不同工艺参数下的摩擦特性，分别建立了速度和载荷的摩擦系数模型，并证明了这两种变摩擦模型的厚度和回弹精度均高于恒定摩擦系数模型；郭怡晖等 7 通过插值法将不同压力下的摩擦系数导人有限元仿真软件，对比变摩擦系数和恒定摩擦系数条件下的成形极限图，表明变摩擦系数更能精确预测零件成形；聂昕等 8 通过摩擦试验得到高强度钢在不同温度的摩擦模型，并通过热冲压仿真模拟和实际热冲压，证明变摩擦模型材料的成形性更好、回弹精度更高。本文以7 0 7 5 铝合金为研究对象，研究不同载荷下7 0 7 5 铝合金摩擦系数的变化规律，通过非线性拟合建立基于载荷摩擦系数的变载荷摩擦模型；并通过ABAQUS有限元仿真和实际冲压试验验证该摩擦模型的有效性。一试验材料和测量方法1.1试验材料选用西南铝业生产的厚度为0.5 mm、宽度为20mm的7 0 7 5-T6铝合金作为摩擦试样，其化学成分如表1所示，力学性能如表2 所示；选用P20模具钢作为摩擦副，并将其表面抛光，得到综合表面粗糙度Ra为0.8 1.2 m。收稿日期：2 0 2 2-12-2 3基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 15 0 5 40 8）；江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2022174）。作者简介：朱少华（1996 一），男，山东日照人，硕士生，主要研究方向为智能化设计技术。通信作者：夏建生（198 0 一），男，福建寿宁人，教授，博士，主要研究方向为智能优化设计。73朱少华，等载荷摩擦模型研究第2 期表17075-T6铝合金中各元素的质量分数Table1The mass fraction of each element in 7075-T6aluminumalloy元素质量分数/%Si0.4Fe0.5Cu1.22.0Mn0.3Mg2.12.9Cr0.180.28Zn5.16.1Ti0.20表2 7 0 7 5-T6铝合金的力学性能Table2Mechanicalproperties of 7075-T6aluminumalloy参数数值密度/(kgm)2.810弹性模量/GPa71.7泊松比0.33屈服强度/MPa503最大抗拉强度/MPa5721.2测量方法采用线切割将7 0 7 5-T6铝合金板料裁剪成大小为2 0 0 mmx20mm0.5mm的长条，每次试验前将丙酮溶液均匀地喷涂在裁剪好的板料上表面进行超声清洗，保证试验时板料边界润滑。采用拉伸式高温摩擦试验机进行试验，如图1所示。拉伸式高温摩擦试验机由测量系统和驱动系统组成，驱动系统由两个线性同步执行器组成，测量原理如图2 所示。图2 中板料带动旋转辊转动，旋转辊中加人热电偶，使板料在相同速度和恒定温度下完成摩擦运动；P20摩擦副位于板料顶面，加载力位于法向。驱动系统测量系统图1拉伸式高温摩擦试验机Fig.1Tensile high-temperature friction testingmachineP20摩擦副7075铝合金旋转辊图2摩擦测量装置示意图Fig.2Schematic diagram of friction measurementdevice摩擦试验时选用2 0 0 的恒定加热温度、4mm/s的滑动速度，在法向载荷为2、3、4、5、6 N时；分别进行3次试验，每次试验选取前30 s的试验结果，得到摩擦系数曲线、三维表面形貌、平均摩擦系数曲线如图3 图5 所示。需要注意的是每次试验完成后，都需要更换P20模具钢。0.353N2N0.300.250.200.150.104N5N6N0.05051015202530时间/s图3摩擦系数曲线Fig.3Friction coefficientcurve2测量结果分析由图3可以看出：在不同载荷下，摩擦系数变化规律大致相似，即边界润滑条件下，在相同温度、滑动速度下，摩擦系数随着载荷的增加而逐渐减小；同一载荷下的摩擦系数则随着滑动时间的增加而增加，在达到最大值后再逐渐减小，最后趋于稳定。这主要是由于板料在开始运动之前处于准静态，在高温作用下板料表面形成氧化层，在板料开始运动之后，由于模具硬度比板料大，模具表面凸起使得板料表面氧化层破裂，摩擦系数上升；随着滑动时间的增加，破裂的氧化层与润滑油接触产生型沟磨损，导致摩擦系数下降；在犁沟磨损形成后，润滑剂的不断流人又导74第3 6 卷盐城工学院学报（自然科学版）8.0Mm9.0m7.08.06.07.05.06.04.05.08.1um9.6Jm4.030200.0-200.03.02.02.01.01.00.00.0m100.0100.0-0100.0200.0280.70100.0200.0280.7x/mx/umaF=2NbF=3N9.0uB.Oun8.07.07.06.06.05.05.04.04.09.4um-8.1Jum3.0200.03.0200.02.02.0101.00.00.0um100.0100.00100.0200.0280.70100.0200.0280.7x/umx/umCF=4NF=5N12.0um10.08.06.013.7um4.0200.0#2.00.0100.00100.0200.0280.7x/umF=6Ne图4不同法向载荷下7 0 7 5 铝合金与P20钢摩擦后的三维表面形貌Fig.4Three-dimensional surface morphology of 7075 aluminum alloy and P20 steel after friction under different nor-mal loads致摩擦系数变化相对平稳。另一方面，随着载荷的增加，板料与模具的接触面积增大，板料表面的磨屑颗粒被带人犁沟，从而在材料表面产生黏着效果，导致摩擦系数随着载荷的增加而逐渐变小,这与文献 9-10 的试验结论大体一致。图4为采用VK-X100光学显微镜，观察边界75第2 期朱少华，等：7 0 7变载荷摩擦模型研究0.300.250.200.150.1023456载荷/N图5平均摩擦系数曲线图Fig.5Curve of average friction coefficient润滑条件时不同法向载荷下7 0 7 5 铝合金与P20钢摩擦后的表面形貌。由图4可以看出，载荷为2N时，7 0 7 5 铝合金表面较为平整，表面出现不连续的痕迹，这是由于7 0 7 5 铝合金与P20模具钢之间在润滑剂的作用下，铝合金表面的氧化层被破坏，从而发生相对滑动，表现为犁沟磨损；当载荷从3N增加到6 N时，随着载荷的增加，7 0 7 5 铝合金表面划痕数量、宽度在增加，图4e中板料表面出现局部剥落痕迹，这进一步印证了上文摩擦系数随载荷变化的摩擦特性。3摩擦系数拟合由图5 可以看出，平均摩擦系数随着载荷的增加而逐渐减小，符合反比例函数趋势。因此设板料与模具钢间摩擦系数的函数表达式为：a从=(F+b)+C(1)式中：为摩擦系数；F为加载载荷，N;a、b、c 为常数。将试验测得的平均摩擦系数采用ORICIN进行自定义反比例函数拟合，得到摩擦系数拟合曲线，如图6 所示。从图6 可以看出，摩擦系数拟合曲线拟合度为0.98 8 9，超过0.95，拟合效果较好,与文献 11 所述一致。将图6 中的a=3.111、b=6.15 6、c=-0.113代人式（1），得到板料与模具钢间摩擦系数的函数表达式为：3.111：0.113(2)(F+6.156)为验证式（2)对于变载荷摩擦模型的有效性，分别采用另外5 组载荷进行试验，得到摩擦系数的测量值、计算值及其误差，如表3所示。从表3可以看出误差不超过5%，进一步说明了所建变载荷摩擦模型是有效的。0.28实验数据拟合数据0.26模型NewFunctionzaibe(u0.24方程a(P-6)+绘田B3.110592.851350.226.155914.483270.113280.14381Reduced Chi-S2.75305E-50.20R平方(COD）0.99445调整后R平方0.98890.180.160.14023456法向载荷/N图6摩擦系数拟合曲线Fig.6Friction coefficient fitting curve表3不同载荷下摩擦系数的测量值与计算值Table3The measured and calculated values of frictioncoefficient underdifferent loads载荷F/Nu测量值从计算值误差/%1.50.295 00.29330.202.50.24830.2464-0.803.50.211 20.2092-1.005.50.15420.1539-0.266.50.131 50.132 80.904数值模拟及冲压试验为进一步验证所建变载荷摩擦模型的准确性，通过ABAQUS冲压仿真模拟和实际冲压相结合的方法进行研究。4.1有限元数值模拟采用ABAQUS有限元分析软件对变载荷摩擦模型和定摩擦模型(u=0.14)下的锥形件进行有限元仿真，锥形件的几何尺寸及有限元模型如图7 所示。仿真时，为节省计算时间，选用1/2 模型，板料设为三维可变形壳体，直径为16 0 mm、厚度为0.5 mm；模具设为刚体，模具间隙为1.1倍的板料厚度；有限元网格类型为四边形结构化网格，冲压速度为2 0 0 0 mm/s，得到锥形件的厚度分布云图和等效塑性应变图，分别如图8、图9所示。从图8 可以看出，凸模与板料底部圆角接触的厚度最大，压边区的厚度最小。这是由于凸模下移过程中，与凸模接触的圆角部分受到拉应力76第3 6 卷盐城工学院学报（自然科学版）和弯曲应力，变形力较大，导致本部分的厚度最大；而压边区域受到拉应力，板料流人凹模，使得本部分的厚度最小。从图9可以看出等效塑性应变峰值主要集中在凸模圆角区52.45凸模凸模压料板板料压料板板料凹模凹模53单位：mma几何尺寸图b模型装配图图7锥形件几何尺寸及有限元模型Fig.7Geometric dimension and finite element model of conical partsa几何尺寸图b模型装配图图7锥形件几何尺寸及有限元模型Fig.7Geometric dimension and finite element model of conical partsSTHSTH(平均:7 5%)(平均:7 5%)+5.069e-01+5.030e-01+4.979e-01+4.919e-01+4.888e-01+4.808e-01+4.797e-01+4.697e-01+4.707e-01+4.585e-01+4.616e-01+4.474e-01+4.525e-01+4.363e-01+4.435e-01+4.252e-01+4.344e-01+4.141e-01+4.253e-01+4.029e-01+4.163e-01+3.918e-01+4.072e-01+3.807e-01+3.981e-01+3.696e-01a变载荷摩擦模型b定摩擦模型(=0.14)图8不同摩擦模型下仿真模拟锥形件的厚度分布Fig.8Thickness distribution of simulated conical parts under different friction modelsPEEQPEEQSNEG,(fraction=-1.0)(平均:7 5%)SNEG,(fraction=-1.0)+3.017e-01(平均：7 5%)+2.772e-01+2.527e-01+3.254e-01+2.282e-01+2.986e-01+2.038e-01+2.718e-01+1.793e-01+1.548e-01+2.450e-01+1.303e-01+2.182e-01+1.058e-01+1.914e-01+8136e-02+5.688e-02+1.646e-01+3.240e-02+1.378e-01+7.923e-03+1.110e-01+8.417e-02+5.737e-02+3.057e-02+3.773e-03a变载荷摩擦模型b定摩擦模型（u=0.14）图9不同摩擦模型下仿真模拟锥形件的等效塑性应变图Fig.9Equivalent plastic strain maps of simulated conical parts under different friction models4.2冲压试验采用YL25/180-WG型双动拉伸机对板料进行冲压试验。试验时，板料温度为2 0 0，模具温度为2 5，冲压后得到如图10 a所示的锥形冲压件。沿图10 a锥形件的半径选取38 个测量点（见图10 b），使用TM-8810型测厚仪测量锥形件厚度；再将实际冲压试验得到的锥形件厚度与基于变载荷摩擦模型、定摩擦模型(u=0.14)仿真模拟得到的锥形件厚度进行比较，结果如图11所示，由图11可以看出，基于变载荷摩擦模型得到的锥形件厚度更接近于实际冲压的厚度，能够较好地预测不同载荷下7 0 7 5 铝合金与P20模具钢在接触界面下的摩擦行为。77第2 期朱少华，等：载荷摩擦模型研究363738353433+3243K3028k262924222051823162114101219171513119a锥形冲压件b厚度测量点图10锥形冲压件及其厚度测量点Fig.10Conical stamping parts and their thickness measurement points0.60m0.55uu/直0.500.45变载荷摩擦模型0.40实际冲压件定摩擦模型0.35010203040测量点图11不同摩擦模型下仿真模拟锥形件和锥形冲压件的厚度分布Fig.llThickness distribution of simulated conicalparts and conical stamping parts under different frictionmodels5结论采用拉伸式高温摩擦试验机，研究在边界润滑条件下，不同载荷对7 0 7 5 铝合金板料摩擦系数的影响。结果表明：变载荷下摩擦系数随着载荷的增加而逐渐减小，定载荷下的摩擦系数先增大后减小再趋于平稳；随着载荷的增加，7 0 7 5 铝合金表面的犁沟和划痕数量增加，犁沟磨损越发显著；利用ORIGIN建立的变载荷摩擦模型，拟合度大于0.95，拟合效果较好，可较为准确地判断材料的摩擦行为；并且基于变载荷摩擦模型仿真模拟锥形件的厚度更接近实际冲压锥形件的厚度，进一步验证了该摩擦模型的有效性。参考文献：1 HOL J,CID ALFARO M V,DE ROOIJ M B,et al.Advanced friction modeling for sheet metal formingJ.Wear,2012,286/287:66-78.2 WANG W R,ZHAO Y Z,WANG Z M,et al.A study on variable friction model in sheet metal forming with advancedhigh strength steelsJ.Tribology International,2016,93:17-28.3 DARENDELILER H,AKKOK M,ALI YUCESOY C.Effect of variable friction coefficient on sheet metal drawingJ.Tri-bology International,2002,35(2):97-104.4 DOU S S,XIA JS.Analysis of sheet metal forming(stamping process):a study of the variable friction coefficient on 5052aluminum alloyJ.Metals,2019,9(8):853.5 LIU Y,ZHU B,WANG K,et al.Friction behaviors of 6061 aluminum alloy sheets in hot stamping under dry and lubri-cated 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loads on the friction coefficient of7075 aluminum alloy sheet under boundary lubrication conditions.A variable load friction model based on the load friction coeffi-cient was established by using ORIGIN ftting software.The effectiveness of the model was verified by combining ABAQUS finiteelement simulation and actual stamping test.The research results indicate that within the range of 2 N to 6 N,with the increase ofload,the friction coefficient of 7075 aluminum alloy sheet gradually decreases,the number and width of surface scratches in-crease,and the furrow wear becomes more significant.The thickness of the simulated conical parts based on the friction modelwith variable load is closer to the thickness of the actual pressed conical parts,and the validity of the friction model is verified.Keywords:7075 aluminum alloy;load;surface morphology;variable friction model;finite element simulationMultiwfn Study of an Organic Phosphine-Hexamethylene DiamineTetramethylene Phosphonic AcidCHU Yuting,WANG Zhuhui,WANG Xingyu,ZHOU Ying,YAN Xin(School of Chemistry and Chemical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu224051,China)Abstract:Hexanediamine tetramethylene phosphonic acid(HDTMPA)is an organic phosphine,which is rich in phosphonic acidgroups and imino groups.The oxygen atoms on phosphonic acid groups have more lone pair and less steric hindrance,so it is of-ten used to prepare composite materials with clay minerals to adsorb heavy metal ions.The molecular structure of HDTMPA wasoptimized by Gaussian program,and then the atomic charge,electrostatic potential,average ion localization energy and electronlocalization function of HDTMPA were analyzed by Multiwfn program to study its adsorption mechanism and active sites of or-ganophosphines.It is found that the oxygen atom on phosphonic acid group in HDTMPA molecule is the active site,and the oxy-gen atom on P=O is more active than that on POH.Keywords:HDTMPA;Gaussian program;Multiwfn program