1632 工程科学学报，第42卷，第12期 KEY WORDS hot stamping:7075 aluminum alloy:high-temperature friction;friction coefficient;wear mechanism 汽车轻量化可在实现车辆节能减排的同时提 发现，摩擦系数和磨损率随着载荷增大而增大，高 升其操控性和安全性，是汽车工业发展和研究的 载荷导致了高剥层磨损：滑动速度越大，磨损率越 重要方向.铝合金因具有较高的比强度和良好的 高，7ms的滑动速度下，试样表面出现严重分层 耐腐蚀性、抗冲击性、循环利用性，在汽车轻量化 和翔性变形.上述研究大多未能模拟实际热冲压 中得到广泛应用-其中，7075铝合金具有最高 过程中铝合金板材的固溶处理，且基本采用纯模具 的室温强度，性能甚至超过高强度钢，利用其代替 冷却进行板材降温，因此不能真实地模拟实际生产 高强度钢制备承载结构件具有较大潜力6剧然 中铝合金与模具在复杂接触温度下的摩擦过程 而，由于其室温成形性差、回弹大、成形载荷大，无 本文使用自主研制的板带高温摩擦试验机对 法通过传统冷成形工艺得到形状复杂的结构件四 7075铝合金的高温摩擦磨损进行了研究.摩擦试 利用铝合金固溶-冲压-淬火一体化热成形工艺可 验过程中对上模通冷却水并加热下模，以模拟实 以在提高成形性的同时，大幅降低回弹，使铝合金 际热成型过程中铝合金与冷、热态模具和压边圈 实现良好成形性和高强度的结合02其中，冷却 的接触环境，分析了不同下模加热温度（模具或压 系统设计以及板材因转移过程而大幅降温等问题 边圈温度)、法向载荷和滑动速度对7075铝合金高 成为该工艺的关键技术难点.何祝斌等1提出可 温摩擦行为及磨损机理的影响，对不同模具条件下 以在上模具通冷却水的同时提高下模具温度从而 摩擦行为的研究为7075铝合金热冲压成形零件冲 解决上述问题；陈世超等认为可以将上下模具冷 压数值模拟提供了关键的摩擦系数输入，磨损机理 却以保证淬火效果，并加热平板式压边圈以保证 则为摩擦行为解释和润滑工程提供了技术支撑 铝合金的成形性.但由于7075铝合金的高黏着磨 1试验材料及方法 损敏感性，使其在成形中表现出较差的摩擦学性 能)，尤其是在实际热冲压成形中，铝合金因在与冷、 1.1试验材料 热态模具和压边圈接触时发生严重磨损而使成 试验材料为7075-T4铝合金薄板，尺寸为500mm× 形件质量下降，甚至发生破裂，这使得摩擦磨损成 20mm×2mm,其化学成分如表1所示，试验前用丙 为了热冲压工艺中影响零件成型质量的关键因素6 酮清洗以去除表面油污，测得初始表面粗糙度约 目前，对铝合金热冲压成形中摩擦学问题的研 为0.185m;摩擦工具材料为H13热作模具钢，经 究主要集中在温度、法向压力和滑动速度等工艺 淬回火处理后硬度约为53HRC,每次试验前使用 参数对摩擦行为和磨损机理的影响.Ghiotti等 金相砂纸沿垂直滑动摩擦方向打磨模具接触表 利用自制的热平板拉伸试验机对7075铝合金在石 面，其初始表面粗糙度约为0.156m.H13热作模 墨润滑下的滑动摩擦进行研究，发现随着温度从 具钢的化学成分如表2所示 200℃升高到450℃，摩擦系数先减小再增大，滑动 表17075铝合金的化学成分（质量分数） 速度对摩擦系数的影响大于法向载荷，研究结果 Table 1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy 表明工艺参数最终是通过黏着磨损影响摩擦过程 Element Zn Mg Cu Cr Fe 的.Kumar与Sood劉采用高温销盘摩擦试验机研 Mass fraction 6.10 2.54 1.20 0.20 0.20 究了不同工艺参数对7075铝合金干滑动摩擦的影 响，结果表明，在30℃到150℃的温度下，摩擦系 1.2试验方法 数和磨损率均随温度升高而增大，对法向载荷和 图1为板带高温摩擦试验机及加载系统细节 滑动速度的研究结果也呈现相同的现象，Haq与 图，试验机主要由加热系统、加载系统和拉伸系统 Anand!19-20利用销盘摩擦试验机研究室温下不同 组成，对试验机的详细描述已在文献[2]中给出， 载荷和速度对7075铝合金摩擦行为的影响，研究 在此基础上对摩擦工具进行了重新设计，如图2 表2H13钢的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of H13 steel Element Mn ◇ P Mo B V Mass fraction 0.391 0.911 0.374 5.180 0.015 0.015 1.450 0.003 0.953KEY WORDS    hot stamping；7075 aluminum alloy；high-temperature friction；friction coefficient；wear mechanism 汽车轻量化可在实现车辆节能减排的同时提 升其操控性和安全性，是汽车工业发展和研究的 重要方向. 铝合金因具有较高的比强度和良好的 耐腐蚀性、抗冲击性、循环利用性，在汽车轻量化 中得到广泛应用[1−5] . 其中，7075 铝合金具有最高 的室温强度，性能甚至超过高强度钢，利用其代替 高强度钢制备承载结构件具有较大潜力[6−8] . 然 而，由于其室温成形性差、回弹大、成形载荷大，无 法通过传统冷成形工艺得到形状复杂的结构件[9] . 利用铝合金固溶–冲压–淬火一体化热成形工艺可 以在提高成形性的同时，大幅降低回弹，使铝合金 实现良好成形性和高强度的结合[10−12] . 其中，冷却 系统设计以及板材因转移过程而大幅降温等问题 成为该工艺的关键技术难点. 何祝斌等[13] 提出可 以在上模具通冷却水的同时提高下模具温度从而 解决上述问题；陈世超等[14] 认为可以将上下模具冷 却以保证淬火效果，并加热平板式压边圈以保证 铝合金的成形性. 但由于 7075 铝合金的高黏着磨 损敏感性，使其在成形中表现出较差的摩擦学性 能[15] ，尤其是在实际热冲压成形中，铝合金因在与冷、 热态模具和压边圈接触时发生严重磨损而使成 形件质量下降，甚至发生破裂，这使得摩擦磨损成 为了热冲压工艺中影响零件成型质量的关键因素[16] . 目前，对铝合金热冲压成形中摩擦学问题的研 究主要集中在温度、法向压力和滑动速度等工艺 参数对摩擦行为和磨损机理的影响. Ghiotti 等[17] 利用自制的热平板拉伸试验机对 7075 铝合金在石 墨润滑下的滑动摩擦进行研究，发现随着温度从 200 ℃ 升高到 450 ℃，摩擦系数先减小再增大，滑动 速度对摩擦系数的影响大于法向载荷，研究结果 表明工艺参数最终是通过黏着磨损影响摩擦过程 的. Kumar 与 Sood[18] 采用高温销盘摩擦试验机研 究了不同工艺参数对 7075 铝合金干滑动摩擦的影 响，结果表明，在 30 ℃ 到 150 ℃ 的温度下，摩擦系 数和磨损率均随温度升高而增大，对法向载荷和 滑动速度的研究结果也呈现相同的现象. Haq 与 Anand[19−20] 利用销盘摩擦试验机研究室温下不同 载荷和速度对 7075 铝合金摩擦行为的影响，研究 发现，摩擦系数和磨损率随着载荷增大而增大，高 载荷导致了高剥层磨损；滑动速度越大，磨损率越 高，7 m·s−1 的滑动速度下，试样表面出现严重分层 和塑性变形. 上述研究大多未能模拟实际热冲压 过程中铝合金板材的固溶处理，且基本采用纯模具 冷却进行板材降温，因此不能真实地模拟实际生产 中铝合金与模具在复杂接触温度下的摩擦过程. 本文使用自主研制的板带高温摩擦试验机对 7075 铝合金的高温摩擦磨损进行了研究. 摩擦试 验过程中对上模通冷却水并加热下模，以模拟实 际热成型过程中铝合金与冷、热态模具和压边圈 的接触环境，分析了不同下模加热温度（模具或压 边圈温度）、法向载荷和滑动速度对 7075 铝合金高 温摩擦行为及磨损机理的影响，对不同模具条件下 摩擦行为的研究为 7075 铝合金热冲压成形零件冲 压数值模拟提供了关键的摩擦系数输入，磨损机理 则为摩擦行为解释和润滑工程提供了技术支撑. 1    试验材料及方法 1.1    试验材料 试验材料为7075–T4 铝合金薄板，尺寸为500 mm× 20 mm×2 mm，其化学成分如表 1 所示，试验前用丙 酮清洗以去除表面油污，测得初始表面粗糙度约 为 0.185 μm；摩擦工具材料为 H13 热作模具钢，经 淬回火处理后硬度约为 53 HRC，每次试验前使用 金相砂纸沿垂直滑动摩擦方向打磨模具接触表 面，其初始表面粗糙度约为 0.156 μm. H13 热作模 具钢的化学成分如表 2 所示. 1.2    试验方法 图 1 为板带高温摩擦试验机及加载系统细节 图，试验机主要由加热系统、加载系统和拉伸系统 组成，对试验机的详细描述已在文献 [21] 中给出， 在此基础上对摩擦工具进行了重新设计，如图 2 表 1 7075 铝合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy % Element Zn Mg Cu Cr Fe Mass fraction 6.10 2.54 1.20 0.20 0.20 表 2 H13 钢的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of H13 steel % Element C Si Mn Cr P S Mo B V Mass fraction 0.391 0.911 0.374 5.180 0.015 0.015 1.450 0.003 0.953 · 1632 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期