摘要
为了应对我国不断发展的汽车行业所带来的环境污染和能源危机，汽车轻量化在减小车身重量的同时，可以有效的减小油耗和二氧化碳的排放量。目前在汽车零件材料的选用中，对铝代替钢材的研究和应用较为广泛。其中7075铝合金具有较高的强度和硬度，且密度小质量轻，可以降低油耗，所以该材料逐渐成为汽车零部件的主要用材。为了能够获得成形精度高和形状复杂的零件，7075铝合金板材采用热成形技术可以有效克服室温成形性能差的缺点。但是在高温成形工艺中，较差的摩擦行为会使得高温软化后的板料粘附在模具上，在较大的摩擦力条件下会更容易造成零件破裂等缺陷，这不仅降低了零件的成形质量，还增加了模具的损耗和生产成本。 为了探究和解决铝合金高温成形过程中摩擦对成形质量的影响，自行设计了板料成形过程力-位移数据的采集装置，分别对无润滑及涂有氮化硼、石墨和二硫化钼润滑剂的板料进行了U形件热冲压成形实验，分析不同润滑剂对成形零件的力-位移曲线、表面质量、厚度减薄和板料的流入量的影响规律。建立了7075铝合金U形件的热成形有限元模型，提出了摩擦系数的反求方法，该方法是通过有限元模拟结合实验数据拟合优化获得摩擦系数，并通过实验结果验证了反求摩擦系数的准确性。最后从材料成形温度场、应力场和应变场分析摩擦系数对成形质量的影响。主要研究结论如下： (1)无润滑零件在成形过程中的最大受力为66.9KN，涂有氮化硼和石墨润滑剂的零件在成形过程中最大成形力相近，分别为30.5KN和30.12KN，而涂有二硫化钼润滑剂零件的最大成形力为26.1KN。从成形零件的表面质量来看，无润滑的零件具有严重的拉毛现象，会产生大量的划痕，甚至产生破裂现象，而采用润滑剂的零件成形质量完好，划痕也较少，其中采用氮化硼和石墨滑剂的零件表面有较少的拉毛缺陷，采用二硫化钼润滑剂零件的表面质量最佳。成形零件的厚度分布表明，主要减薄区域在圆角和侧壁处，其中无润滑零件的厚度减薄量最大，而采用润滑剂的零件厚度减薄明显减少，其中采用二硫化钼润滑剂的厚度减薄最小。考虑不同润滑剂会使板料具有不同的流入情况，得到无润滑的板料流入量为40.1mm，采用润滑剂的板料流入量较大，其中二硫化钼润滑的板料流入量最大为45.0mm。从板料的最大成形力、表面质量、厚度减薄和板料流入的结果表明，二硫化钼的润滑性能要优于石墨润滑剂，其次是氮化硼润滑剂，无润滑的成形零件质量最差。 (2)通过热拉伸实验得到7075铝合金材料的真实应力应变曲线，根据不同轧制方向的厚向异性和屈服应力，计算出YLD2000-2D屈服模型所需要8个各向异性参数，建立了材料的本构模型。 (3)用反问题优化求解的方法获得采用不同润滑剂的摩擦系数，其中无润滑状态的摩擦系数最大(静摩擦系数为0.450、动摩擦系数0.290)，而二硫化钼的摩擦系数最小(静摩擦系数为0.144、动摩擦系数为0.138)，采用石墨润滑剂的摩擦系数要小于氮化硼润滑剂。为了证明反求摩擦系数的准确性，计算了实验和模拟的力-位移曲线拟合平均误差，结果均在10%以内，并对比了模拟和实验成形零件的厚度、板料流入量，结果表明实验和模拟具有较好的拟合。 (4)对反求优化效果最好的二硫化钼和无润滑零件有限元模拟结果进行对比，得出摩擦系数越大，摩擦产热越高，零件的温度分布就越高，这时材料的屈服应力会下降。从成形应变场可以看出，由于无润滑零件成形过程有较大的摩擦力，使得板料在成形过程中容易产生较大应变，所以摩擦系数越大应变也就越大。较大的应变区域内应力分布也较大，从应力场的分布可以看到相较于二硫化钼润滑零件，无润滑零件在主要的应变区域有较大的应力分布。
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