汽车用高强度钢板拉深多尺度粘模机制研究

在板料拉深成形中，粘结、划痕、刮伤等粘模行为是影响模具失效和产品表面质量的一个重要因素。如何减小或消除模具及制件上的粘模现象是塑性加工行业迫切需要解决的课题。目前，国内外对拉深粘模机理尚未作深入、系统的研究，仅停留在润滑状态下粘模行为的观察、减少及抗粘模镀层材料的探索上。本课题基于摩擦磨损理论、金属学理论以及接触力学等理论基础，采用干摩擦、半干摩擦条件下方盒形件拉深成形的方法，综合运用拉深工艺实验、先进检测技术、理论模型推导、有限元数值模拟及分子动力学模拟等手段，对汽车用高强度钢板拉深粘模行为进行深入的研究，从宏观、微观、纳观（原子尺度）三种尺度来阐明拉深过程中粘模的产生机理及演化规律，建立产生拉深粘模的宏观初始模型、微观接触等价模型、原子粘着模型，对拉深粘模的产生及扩展进行进行预测，并探索适合抗拉深粘模的多层镀层，为减小或消除汽车用高强度钢板拉深粘模现象提供科学依据。

近年来，由于节能、安全、环保的需要，高强钢（HSS）/先进高强钢钢板（AHSS）在汽车轻量化领域扮演着重要角色。本项目以汽车用高强钢板拉深粘模为研究对象，采用理论推导、数值模拟、第一性原理计算和实验研究，对汽车用高强度钢板拉深成形过程中的粘模机理进行系统的研究。主要成果简述如下：.建立了以线磨损深度和相对粘模量为评价指标的有限元粘模预测模型，并以圆筒形件、方盒形件的拉深成形为对象进行了有限元模拟和拉深成形试验验证。对于圆筒形件成形，板料无镀层时凹模严重粘模区域为凹模圆角0~10°、50~70°；当采用镀锌高强钢板成形时，热镀锌钢板冲压成形表面损伤有镀层表面划痕和熨平纹两种形式，合金化热镀锌钢板冲压成形表面损伤有镀层龟裂和镀层表面划痕两种形式。对于方盒形拉深成形，工件上的磨损则主要集中在顶部边缘部分且在圆角与直边交界区最严重，并随着拉深次数的增加，成形件表面的粘模区域由上向下扩展，模具型面上的粘模区域由下向上不断扩展。拉深实验采集的微观表面形貌参数Ry值与模拟预测粘模结果吻合良好，验证了模型的准确性与有效性。.在原子尺度上，以TiC镀层模具与高强钢板组成的摩擦副界面为原型，基于第一性原理，用VASP程序包计算了TiC/alpha-Fe的界面分离功，发现Fe原子亚界面分离功为3.59J/m2，小于TiC(100)/alpha-Fe(110)界面能4.51J/m2，表明在外力作用下，断裂更倾向于发生在Fe原子层，因此与TiC接触的Fe原子更容易转移到TiC表面，从原子层面阐明了板料拉深过程中粘模产生的原因。.在抗拉深粘模材料的研究中，比较了TiCN(PVD) ，TiCN(CVD) ，TiC(CVD)和DLC-Si (DC-PACVD)镀层模具在半干摩擦状态下的抗粘模性能，实验结果表明DLC-Si (DC-PACVD)镀层具有优异的抗粘模能力。