6061铝合金脉冲电流辅助热冲压下的摩擦特性_刘镕滔.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023摩擦与润滑6061 铝合金脉冲电流辅助热冲压下的摩擦特性刘镕滔1,夏建生1,2,赵 军2,窦沙沙1,朱少华1,韩传德1(1.盐城工学院 机械优集学院,江苏 盐城 224051;2.燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004)摘要:采用往复式摩擦试验机,研究了干摩擦条件下、不同电流密度对 6061 铝合金与 P20 模具钢的摩擦因数的影响。采用Origin 软件进行数据处理,建立了不同电流密度下的变摩擦因数模型,并对变摩擦因数模型与定摩擦因数模型分别进行了有限元仿真及试验验证,比较了两种模型及试验验证下脉冲电流辅助热冲压成形后的厚度分布规律。结果表明:在电流密度为210 Amm-2内,摩擦因数随着电流密度的增加而逐渐减小;基于不同电流密度下的变摩擦因数模型,其数据拟合程度较好;仿真与试验验证结果一致,铝合金板料的最大减薄在凸模圆角处,验证了变摩擦因数模型的准确性。关键词:6061 铝合金;电流辅助热冲压;变摩擦因数;电流密度;摩擦特性DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.026中图分类号:TG155.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0191-08Friction characteristics for 6061 aluminum alloy under pulse current assisted hot stampingLiu Rongtao1,Xia Jiansheng1,2,Zhao Jun2,Dou Shasha1,Zhu Shaohua1,Han Chuande1(1.Mechanical Engineering College,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China;2.School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:The influences of different current densities on the friction coefficients of 6061 aluminum alloy and P20 die steel under dry friction condition were studied by a reciprocating friction machine.Then,the data was processed by software Origin,and a variable friction coeffi-cient model under different current densities was established.Furthermore,the finite element simulation and test verification of the variable friction coefficient model and the constant friction coefficient model were carried out respectively,and the thickness distribution laws of the two models and test verfication after pulse current assisted hot stamping were compared.The results show that when the current density is 2-10 Amm-2,the friction coefficient gradually decreases with the increasing of current density.Based on the variable friction coefficient model under different current densities,the data fits well,the simulation results and the test verification results are consistent,and the maxi-mum thinning of aluminum alloy sheet is at the fillet of the punch,which verifies the accuracy of the variable friction coefficient model.Key words:6061 aluminum alloy;current assisted hot stamping;variable friction coefficient;current density;friction properties收稿日期:2022-09-28;修订日期:2022-12-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(51505408);江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2022174)作者简介:刘镕滔(1998-),男,硕士研究生E-mail:lzc18912514006 通信作者:夏建生(1980-),男,博士,副教授E-mail:Xiajiansheng 随着汽车工业的发展,轻质材料逐渐代替传统钢材,已成为汽车产业发展方向的热点之一1。其中,铝合金以其密度小、强度高、加工成形性好等特点成为取代传统钢材的第一选择,因此,其在汽车轻量化领域受到了重点关注2。传统热成形技术虽然能避免室温条件下铝合金易开裂、拉深极限比小和回弹大等问题3,但其加热时间较长、加热效率低,降低了板料成形零件的质量。研究表明,在脉冲电流条件下,可以降低铝合金的变形抗力和回弹量,从而提高零件的成形精度和质量,脉冲电流辅助成形技术逐渐成为近年来研究的重点4。Lyu Z等5研究了高强度钢拉拔的电塑性效应,结果表明:脉冲电流的引入可以有效改善高强度钢的成形性能,并提升其拉深深度。然而,在脉冲电流辅助热冲压技术中,板料及模具间的摩擦对零件的成形质量和仿真精度具有重要影响。因此,为了让脉冲电流辅助成形技术更好地应用于板料成形工艺,研究不同电流密度下的摩擦特性尤为重要。国内外许多学者对摩擦特性做了相关研究。聂昕等6建立了不同温度下 DP780 高强度双相钢的变摩擦因数模型,研究了热力耦合冲压和变摩擦因数对室温冷成形的影响。Dou S S 等7通过销盘摩擦试验机,建立了不同滑动速度和法向载荷的变摩擦因数模型,结果表明,变摩擦因数模型更符合实际生产的需要。Venema J 等8将现有的多尺度摩擦模型应用在热冲压过程,结果表明,当考虑磨损导致的工具表面演变时,该模型可以较好地预测带材拉伸试验中的摩擦。郭怡晖等9建立了不同压力下的变摩擦因数模型,并通过有限元软件对模型进行验证,结果表明,变摩擦因数模型可以更为准确地描述零件的成形极限。陈忠华等10建立了速度、波动接触力和电流相关的弓网载流摩擦力模型,并对模型进行参数辨识,验证了变摩擦因数模型的有效性。由此可见,国内外对于热成形中的摩擦特性研究较多,但涉及脉冲电流下的摩擦特性较少,且尚不明确。本文以6061 铝合金为研究对象,采用往复式摩擦试验机,在干摩擦条件下研究电流对于材料摩擦因数的影响,同时建立变摩擦因数模型,进行 ABAQUS 有限元仿真与试验,验证变摩擦因数模型的准确性。1 摩擦因数的测量1.1 试验材料本文选取厚度为 0.5 mm、宽度为 30 mm、长度为 900 mm 的 6061 铝合金板料,其化学成分如表 1 所示。P20 模具钢为摩擦副,其化学成分如表2 所示。表 1 6061 铝合金的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 6061 aluminum alloy(%,mass fraction)SiFeCuMnMgCrZnTiAl0.400.700.150.150.60 1.200.05 0.350.250.10余量表 2 P20 模具钢的化学成分(%,质量分数)Table 2 Chemical compositions of P20 die steel(%,mass fraction)CMnCrMoS0.381.301.850.400.0081.2 试验原理采用脉冲电流摩擦试验机,在干摩擦条件下,测量 6061 铝合金板料在不同电流密度下的摩擦因数,试验设备如图 1a 所示。脉冲电流摩擦试验选取的电流为:30、60、90、120 和 150 A,载荷为 8 N,滑动速度为 v=4 mms-1。摩擦试验机的工作原理如图 1b 所示。图 1 脉冲电流摩擦试验机(a)及工作原理图(b)Fig.1 Pulse current friction test machine(a)and working principle diagram(b)脉冲电流摩擦试验机主要由摩擦试验平台、控制系统、脉冲电流加载平台和数据采集系统 4 个部分组成。其中,摩擦试验平台由摩擦测量组件及竖直、水平两个方向的执行机构组成,其安装布置如图 1b 所示,通过氧化铝陶瓷环、绝缘夹具和尼龙绝缘销,保证了摩擦试验机与板料的绝缘。板料的两端分别由夹具固定,通过夹具将其连接至两个执行机构,而 P20模具钢则安装在板料的顶面处。控制系统是由步进电机控制器、驱动器、电机电源组成,用来控制两个执行机构的运动速度及方向,保证竖直及水平两个方向的同步运行。脉冲电源加载平台则是通过两个导电夹连接板料,电流依次通过导电夹、滚筒、P20 模具钢、6061 铝合金板料形成闭合回路,通过调整电源参数,快速达到摩擦试验所需的温度。数据采集系统则是通过安装在板料两个方向的传感器,实时测量作用在其水平和竖直两个方向上的作用力,并借助 LABVIEW 编程自动采集数据。数据采集过程中,通过库伦定律所得摩擦因数:=F2P(1)291锻压技术 第 48 卷式中:F 为水平方向传感器的力值与竖直方向传感器的力值的差,N;P 为垂直的法向载荷,N。1.3 试验步骤采用线切割将板料加工为摩擦试验所需的形状,试验前用丙酮溶液清洗板料后晾干以去除板料表面的油污;采用乙醇溶液对 P20 模具钢进行超声清洗,保证其与板料的接触精度;在每个电流密度下进行 3 组试验,每次试验结束后更换板料。每次试验开始及结束,均需对脉冲电源进行预热及散热,保证电流的有效性。2 试验结果2.1 不同电流密度下的摩擦因数试验电流强度分别为 30、60、90、120 和 150 A,对应的电流密度分别为 2、4、6、8 和 10 Amm-2。材料接触界面的平均摩擦因数分别为 0.54490、0.37330、0.31317、0.26086、0.26041。由于铝合金板料在通入脉冲电流时,会产生焦耳热效应,使得板料温度升高。然而,温度变化对于解释板料成形的摩擦特性十分重要,因此,采用红外测温仪测量实时温度,经 Origin 软件处理得到了不同电流密度下板料温度随时间的变化曲线,如图 2 所示。由图 2 可知,不同电流密度下的温度曲线均有一个共同的特点,即在前 20 s 内,板料的升温速率均较快,随着时间的增加,板料的升温速率趋于稳定。这是因为试验初期,脉冲电流下的焦耳热温升高于空气对流、热辐射系数对于板材的影响。图 2 不同电流密度下板料温度随时间的变化曲线Fig.2 Change curves of sheet temperature with time under different current densities在载荷为8 N、滑动速度为4 mms-1时,不同电流密度下摩擦因数随时间变化的曲线如图