塑性变形界面表面形貌和摩擦的相互作用机理研究

塑性成形是制造业中一种重要的加工手段，塑性成形形成的界面中的摩擦学问题对成形过程及其最终产品的表面质量具有重要影响。本项目拟针对塑性变形界面，研究表面形貌及其引发的摩擦特性与表面形貌变化间的互为影响。以面向功能的表面形貌表征为基础，研究考虑表面微凸体压平效应、粗化效应和微楔效应的接触模型，建立考虑表面形貌影响的塑性流体动压润滑模型，为准确描述界面间的摩擦特性提供基础理论与方法。基于扩散理论研究在摩擦作用下表面形貌的形成机理，构建表面形貌的动态变化模型；将塑性流体润滑模型和研究摩擦区域表面形貌变化的扩散过程模型相耦合，建立描述塑性变形界面表面形貌动态变化的理论与方法。以金属板材拉延过程为实际应用背景，通过数值模拟，给出表面形貌动态变化的定量分析结果。本项目的研究成果为塑性变形界面表面质量的有效控制提供了理论基础，促进了相应摩擦学研究的发展，同时在汽车制造业等领域具有广阔的应用前景。

塑性变形界面问题在金属塑性成形加工中广泛存在，模具与工件间的摩擦、表面形貌以及界面间的塑性变形构成了一个复杂的摩擦学系统。在此系统中，表面形貌通过影响界面间的润滑、接触等影响其摩擦状态，而摩擦对整个加工过程以及最终产品的表面质量又有决定性的影响。本项目研究基于形态学方法建立了三维表面形貌的连通性表征方法，实现了三维形貌的连通性特征的定量描述，确定了描述塑性成形中工件表面微观结构变化的表征参数；针对不同的接触型式，通过试验，系统地研究了表面形貌、润滑剂和材料材质对表面摩擦和润滑特性的影响以及表面形貌的变化规律，表面形貌采用规则圆凹坑表面、规则长方形凹坑表面、规则箭头状凹坑表面、单向沟槽表面、交叉网纹表面和随机表面六种表面纹理模式，针对不同载荷和转速等工况，测试了微造型表面的摩擦特性，探讨了表面形貌对摩擦系数的影响规律，得出了表面三维表征参数及表面连通性系数与摩擦系数的关系，在不同的工况条件下表面微观结构特性对摩擦的影响效果不同，研究结果为表面形貌的功能设计和控制提供了基础。采用有限元方法，分析了拉延成形中接触压力、基体塑性应变、界面摩擦和微凸体角度等因素对表面微凸体平坦化的影响，结果表明，基体塑性应变对微凸体的平坦化有明显影响，界面滑动摩擦也有利于微凸体的平坦化。建立了考虑封闭润滑油坑中润滑剂陷入和逃逸的规则表面微凸体平坦化模型，分析了流体静压力、微凸体几何结构、润滑油压缩性和材料应变硬化等因素对表面微结构变化的影响。针对带材拉伸过程，分析了界面滑动速度、厚度缩减率和微凸体角度等因素对入口油膜厚度、真实接触面积比和封闭润滑油坑体积的影响。采用离散元方法对粗糙表面滑动摩擦行为进行了数值模拟，探讨了界面间的表面形貌、压力及速度等因素对摩擦的影响，分析了摩擦过程中表面形貌的动态变化。结果表明，速度和压力越大，表面形貌的变化越大。本项目研究结果为塑性变形界面表面质量的有效控制提供了理论基础，同时，进一步发展和完善了相应的摩擦学理论，在金属塑性成形领域具有重要的应用价值。.本项目研究在国内外重要期刊上发表学术论文18篇，其中EI收录5篇；出版专著1部；申报国家发明专利4项、实用新型专利2项，其中获授权发明专利和实用新型专利各1项；获得1项软件著作权；培养毕业3名博士生和8名硕士生。