界面摩擦是金属薄板成形过程中的重要边界条件之一,是影响零件质量的关键要素。随着板料厚度的减小,表面积体积比增大,摩擦对成形过程的影响将更加显著;当板料厚度减小到微介观尺度,晶粒尺寸对成形行为的影响不可忽略,从而产生显著的尺度效应。传统的摩擦模型如库伦摩擦模型、常因子摩擦模型、通用摩擦模型等,未对摩擦过程中晶粒的影响进行系统的描述,难以适用于微细薄板成形过程,因此对微细薄板成形工艺中界面摩擦行为及晶粒尺度效应的研究具有重要价值。本文以金属成形中模具与工件的摩擦行为预测为目标,围绕多晶金属材料在摩擦过程中的表面变形与损伤及晶粒尺寸对摩擦的影响展开研究,并结合微细金属薄板辊压等成形工艺,对零件的表面划痕以及成形质量进行预测,通过工艺实验验证了理论方法的有效性。本文的主要研究工作包括:1)多晶金属材料界面摩擦行为的晶粒尺度效应实验研究目前针对塑性多晶材料的摩擦晶粒尺度效应的实验研究结论存在争议,不同的学者采用不同实验方法,得到了摩擦系数随晶粒尺寸的增大而增大、减小以及不变的结论。为了探究摩擦晶粒尺度效应,本文根据摩擦的黏着和犁沟两种主要机理的不同特性,设计了接触副表面的硬度和粗糙度,并开展销盘式摩擦实验,分析了晶粒尺寸对不同机理下摩擦行为的影响规律。结果表明,晶粒尺寸对黏着和犁沟摩擦行为的影响规律相反。随着晶粒尺寸的增大,黏着摩擦系数逐渐减小,犁沟摩擦系数逐渐增大,实验结论解释了先前实验的争议。2)接触界面黏着摩擦行为的晶粒尺度效应建模现有的针对黏着摩擦行为的理论模型对材料屈服及硬化的表征不够全面,无法准确描述黏着摩擦行为的晶粒尺度效应。本文在传统接触力学及黏着摩擦理论的基础上,借助有限元方法,建立考虑材料非线性硬化影响的黏着摩擦模型,并将材料流动与硬化随晶粒尺寸的变化规律引入到所建立的黏着摩擦模型中,实现了对黏着摩擦行为晶粒尺寸影响规律的精确描述。通过与实验对比,验证了模型的准确性;基于所建立的黏着摩擦模型,分析了成形过程中工件材料的晶粒尺寸对黏着摩擦行为的影响规律。结果表明,晶粒尺寸的增大一方面增大接触表面塑性变形在整体变形中的占比,另一方面抑制了接触结点的增大,两个因素都导致了黏着摩擦系数的减小。3)接触界面犁沟摩擦行为的晶粒尺度效应建模本文开展了表面划痕实验模拟成形过程中模具形貌对材料表面的犁沟行为,分析了不同圆锥角度和晶粒尺寸下材料的损伤行为。结果表明材料晶粒尺寸的变化会导致材料失效模式的转变。现有的犁沟摩擦模型基于单一的塑性变形或者裂纹扩展建立,无法描述晶粒尺寸的影响。本文通过对划伤过程中材料流动及断裂行为的分析,建立了考虑材料失效模式转变的表面划伤模型。将晶粒尺寸对材料流动应力及断裂应变的影响规律引入到所建立的划伤模型,预测了材料的划伤阻力以及犁沟摩擦系数随晶粒尺寸的变化规律,并通过实验对比得到了验证。模型分析与实验观察结果表明,晶粒尺寸的增大,降低了材料内晶界的含量,抑制了犁沟过程中材料内裂纹的产生,导致摩擦系数的增大。4)考虑摩擦晶粒尺度效应的微细成形仿真与实验基于对黏着和犁沟摩擦晶粒尺度效应的理论建模,在通用摩擦模型框架内,一方面将犁沟模型引入到摩擦因子的计算中,另一方面将黏着模型引入到真实接触面积的计算中,从而建立考虑晶粒尺寸、工件与模具表面形貌影响的综合摩擦模型,并应用建立的摩擦模型对金属微细辊压成形工艺以及圆柱镦粗过程进行仿真分析。对辊压过程的分析及实验对比结果表明,本文所建立的摩擦模型能够准确预测零件表面划痕的深度、位置以及材料减薄状况。随着晶粒尺寸的增大,辊压过程中的摩擦系数、零件表面划痕深度以及板料厚度减薄量均会增大。对不同尺度下圆柱镦粗过程的分析及实验对比结果表明,随着成形尺度从微观增大到宏观,镦粗产生的鼓肚量先减小后增大,产生这种尺度效应现象的原因是晶粒转动所受约束的主要来源从表面接触与摩擦转变为相邻晶粒间的相互作用。本文围绕金属薄板成形中的界面摩擦行为,针对材料晶粒尺寸对摩擦行为的影响开展了实验和理论研究。本文的研究结果将为微细条件下的微细薄板结构产品的成形工艺设计提供理论基础。