【摘 要】
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铝合金的回收与再生利用是汽车行业在不远的将来必须面对的现实,同级使用是再生铝合金追求的目标。然而,受再生铝合金熔炼工艺、专用润滑剂和专用成形加工工艺的制约,国产再生铝合金尚无法满足全工业环节的应用,我国工业中再生铝合金的使用率远低于全球平均,生产的再生铝合金大多只能降级使用。这些都是因为对再生铝合金板材冲压成形过程中的缺陷演变行为、冲压润滑机理以及冲压成形工艺研究的缺失。论文以6061-T6变形铝
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目《车用再生铝合金板冲压失效行为及冲压过程中润滑机理研究》(51975420)
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铝合金的回收与再生利用是汽车行业在不远的将来必须面对的现实,同级使用是再生铝合金追求的目标。然而,受再生铝合金熔炼工艺、专用润滑剂和专用成形加工工艺的制约,国产再生铝合金尚无法满足全工业环节的应用,我国工业中再生铝合金的使用率远低于全球平均,生产的再生铝合金大多只能降级使用。这些都是因为对再生铝合金板材冲压成形过程中的缺陷演变行为、冲压润滑机理以及冲压成形工艺研究的缺失。论文以6061-T6变形铝合金板材为研究对象,在对再生铝合金板材表面缺陷进行系统地表征与分类的基础上,结合原位摩擦学试验及现代表面分析方法,揭示了再生铝合金表面各类缺陷对板材摩擦学性能的影响机制;通过对润滑材料组分、含量及粘合剂成分等的复配筛选,开发了适用于再生铝合金板材冲压成形用的固体润滑材料,明确了固体润滑材料的冲压润滑机理,缓解了富铁相缺陷对再生铝合金成形性能产生的不利影响;基于分段冲压方法,阐明了冲压成形过程中再生铝合金板材缺陷的演变行为,获得了再生铝合金板材缺陷对板材失效的作用机制;在此基础上,探索了冲压工艺与再生铝合金缺陷演变、再生铝合金成形性能之间的关系。本文面向再生铝合金板材冲压成形过程中的关键共性问题,通过对成形过程中再生铝合金板材失效机理、润滑技术、成形技术的研究,丰富和完善了再生铝合金板材冲压成形理论,为汽车轻量化及国家“碳中和”远景目标的实现提供技术支撑。基于上述研究工作,论文的主要结论如下:(1)完成了再生铝合金板材缺陷的表征与分类,并研究了摩擦学过程中各类板材缺陷的演变行为。本文将6061-T6变形铝合金板材的缺陷分为夹杂物缺陷、空洞缺陷、富铁相缺陷和表面轧制缺陷四类,发现再生铝合金板材中各类缺陷的尺寸和密度明显高于原生铝合金板材。在此基础上揭示了各类板材缺陷的摩擦学行为,其中夹杂物缺陷、空洞缺陷和表面轧制缺陷对板材摩擦学性能的影响不大,大部分的缺陷都能随着摩擦时间的延长而被消耗,或被磨屑填充;而富铁相缺陷在摩擦磨损过程中会发生破碎,并在摩擦力作用下于较软的铝合金基体表面形成犁沟。(2)制备了再生铝合金板材冲压成形专用润滑材料,并建立了固体润滑材料的冲压润滑模型。本文明确了固体润滑材料理化性能对板材冲压成形性能的影响权重,发现为了使冲压成形性能最优,固体润滑材料的厚度和结合力应控制在合理的范围内(厚度<30.0μm,结合力>1.0 MPa),同时应控制润滑介质PTFE在粘合剂中的分散性。在此基础上建立了固体润滑膜在冲压成形过程中的润滑作用模型,发现固体润滑膜中的粘合剂能在冲杯模具表面形成一层剪切转移膜,保护模具表面。随着粘合剂向模具表面迁移,润滑介质PTFE开始在界面中析出,有效降低板材成形时的摩擦系数。通过本文所制备的固体润滑材料,能够有效的缓解再生铝合金中富铁相缺陷断裂脱落后容易在较软的铝合金板材表面形成明显犁沟的不利影响。(3)阐明了再生铝合金缺陷对铝合金板材失效的影响规律,发现影响再生铝合金板材成形性能的主要是富铁相缺陷和空洞缺陷。其中,富铁相缺陷随着冲杯过程的进行,沿拉伸方向逐步发生了变形-断裂-脱落-萌生裂纹;空洞缺陷随着冲杯过程的进行,沿拉伸方向逐步发生了变形-汇聚-萌生裂纹。(4)开展了成形工艺对再生铝合金板材冲压成形性能的影响研究。发现成形过程中压边力和冲杯速度对再生铝合金板材的成形性能产生了影响:再生铝板材最大冲压力随着压边力提升而增加,粗糙度也会相应增大,表面质量降低。与原生铝合金板材相比,再生铝合金板材成形时,应选用具有较好膜基结合力的润滑材料、较慢的成形速度以及略低的压边力。
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