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作者与发表信息

本研究的主要作者包括Jenny Venema、Javad Hazrati、Eisso Atzema、David Matthews和Ton van den Boogaard。他们分别来自Tata Steel研发部门、荷兰特温特大学（University of Twente）的非线性固体力学实验室以及表面技术与摩擦学实验室。该研究发表于期刊《Friction》，于2021年3月2日被接受，并于同年发表。

学术背景

本研究的科学领域为摩擦学（tribology），特别是针对热冲压（hot stamping）过程中的摩擦行为建模。热冲压是汽车工业中用于生产高强度结构部件的关键工艺，但在有限元（FE）模拟中，摩擦行为通常被简化为恒定的库仑摩擦系数（Coulomb friction coefficient, COF），这无法准确反映实际工艺条件。因此，本研究旨在扩展现有的多尺度摩擦模型（multiscale friction model），以更好地描述热冲压过程中的摩擦行为，特别是工具和板材表面形貌、接触压力、温度和整体应变的影响。

研究流程

1. 实验设计

研究分为三个主要实验部分： - 法向载荷实验（Normal Load Test）：用于验证法向载荷接触模型。实验在不同温度（500–800°C）和压力（5、10、20 MPa）条件下进行，通过光学显微镜和共聚焦显微镜分析板材表面的形貌变化。 - 热摩擦实验（Hot Friction Test, HFT）：用于校准模型的接触增长（junction growth）和界面剪切强度（interfacial shear strength）。实验在450–750°C的温度范围和2.5、5、10 MPa的压力条件下进行，通过摩擦系数计算和表面形貌分析研究摩擦和磨损机制。 - 顶帽产品实验（Top-Hat Product Experiment）：用于验证多尺度摩擦模型在热冲压过程中的应用。实验在700°C下进行，通过有限元模拟和实际冲压实验对比，分析摩擦对产品成形的影响。

2. 多尺度摩擦模型

研究扩展了Hol等人提出的多尺度摩擦模型，将其应用于热冲压过程。模型分为三个步骤： - 输入参数处理：包括工艺参数、板材和工具表面形貌、材料本构参数等。 - 表面粗糙度变形计算：包括法向载荷、滑动和整体应变对表面粗糙度的影响。模型结合了Shisode等人的法向载荷模型和Westeneng的整体变形模型。 - 剪切应力和摩擦系数计算：通过接触斑块（contact patches）的定义和Challen-Oxley模型计算每个接触斑块的摩擦系数，最终汇总为整体摩擦系数。

3. 数据验证与分析

通过实验数据验证模型的准确性，特别是摩擦系数和实际接触面积的预测。模型在热摩擦实验和顶帽产品实验中表现出较好的预测能力，特别是在考虑工具磨损的情况下。

主要结果

• 法向载荷实验：实验表明，法向载荷会导致板材表面粗糙度的塑性变形和断裂，实际接触面积随压力和温度的增加而增加。模型预测的实际接触面积与实验结果相符。
• 热摩擦实验：实验表明，工具磨损会显著影响摩擦系数，特别是在高温条件下。模型能够较好地预测摩擦系数的变化，尤其是在工具磨损被纳入考虑时。
• 顶帽产品实验：实验表明，工具磨损对摩擦系数的影响显著，但产品对摩擦的敏感性较低。有限元模拟结果与实验结果基本一致，验证了模型的有效性。

结论

本研究成功扩展了多尺度摩擦模型，使其能够更准确地描述热冲压过程中的摩擦行为。模型的创新之处在于结合了表面形貌、温度、压力和整体应变的影响，并通过实验数据进行了验证。该模型不仅有助于理解热冲压过程中的摩擦机制，还可用于优化工艺参数，减少工具磨损，提高产品质量。

研究亮点

• 创新性：首次将多尺度摩擦模型应用于热冲压过程，并考虑了工具磨损的影响。
• 实验验证：通过多种实验验证了模型的准确性，特别是在高温和高压条件下的预测能力。
• 应用价值：该模型为热冲压工艺的优化提供了理论支持，有助于提高生产效率和产品质量。

其他有价值的内容

研究中还讨论了工具磨损的机理，特别是粘着磨损（adhesive wear）和磨粒磨损（abrasive wear）的影响。这些发现为未来研究工具磨损模型提供了重要参考。

通过本研究，学术界和工业界对热冲压过程中的摩擦行为有了更深入的理解，为进一步优化工艺提供了重要的理论依据。