1.3 填充物对成形质量的影响
对铝合金型材无填充条件下的压弯成形模拟研究发现，成形后型材弯曲段截面畸变较大，且有明显起皱，成形质量较差。为解决铝合金型材弯曲段截面畸变及失稳起皱的问题，选择在型材内部填充聚氨酯块后再进行压弯，并对比研究了添加填充物前后型材的材料流动特点，图4所示为填充后的有限元模型。
图4 填充后的有限元模型
1.3.1 无填充条件下型材压弯结果分析
图5（a）所示为型材压弯成形厚度分布，由图5（a）可知，型材的厚度变化主要发生在圆弧段，且变形区域的中性层以上部分壁厚减薄，中性层以下部分壁厚增厚。这是由于在压弯过程中，型材上表面受拉伸变长而宽度方向变形受限，根据体积不变原则，型材上表面厚度方向上尺寸减薄。而型材下表面长度尺寸减小且宽度方向变形受限，所以型材下表面厚度方向上尺寸增厚。此现象可能会导致中性层以上部分因拉应力作用而开裂，中性层以下部分因压应力作用而起皱。弯曲段截面变形最严重处如图5（b）所示，由图5（b）可知，矩形型材的截面存在明显的截面畸变，表现为型材上、下表面内凹，左、右侧面外凸，且下表面变形程度最严重。这是由于型材上、下表面承受的应力高于左、右侧面，且上、下表面宽度较窄，能承受变形的部分较左、右侧面更少。
图5 闭口型材压弯成形材料流动模拟结果
1.3.2 有无填充条件下型材截面畸变对比分析
为直观地表示型材压弯成形的截面畸变情况，在型材截面上选取3个点，如图5（b）所示，利用A、B、C点的位移Δ1、Δ2、Δ3表示截面畸变程度。由于型材为对称结构，仅选取一边侧壁表示型材侧壁的变形情况，无填充时的截面畸变情况如图6（a）所示。图6（a）中Δ3明显大于Δ1和Δ2，说明型材侧壁的截面畸变情况较上、下表面更严重，这是因为型材的侧壁更长，更容易发生弯曲变形。经填充后的A、B、C点位移分别表示为Δ1'、Δ2'和Δ3'。Δ1、Δ2、Δ3与Δ1'、Δ2'、Δ3'的对比如图6（b）~（d）所示。经对比发现型材经填充后的截面畸变均有所减小，说明使用聚氨酯块填充后铝合金型材的弯曲段截面上、下表面内凹，左、右侧面外凸的程度有所改善，截面变形更小、壁厚分布更均匀，这是由于在型材压弯过程中，型材上表面弯曲变形区域沿纵向受拉应力作用，下表面弯曲变形区域沿纵向受压应力作用，迫使材料在厚度方向产生流动，而有填充状态下材料流动受填充物限制，导致截面变形更轻微。
通过对比图6（b）~（d）可以发现，型材左右侧面的截面畸变减小幅度较上、下表面更大，图6（d）所示的型材侧壁截面畸变变化最大处从填充前的0.568 mm减小到0.174 mm，减小幅度达到了326%。填充聚氨酯块型芯后左右侧面的截面畸变值减小至与上下表面畸变情况一致，Δ1'、Δ2'和Δ3'的最大值分别为0.242、0.22、0.189 mm，说明填充后型材截面畸变分布变得均匀，填充物消除了型材侧壁的截面畸变情况较上下表面更加严重的现象。
图6 有无填充条件下截面畸变对比
1.3.3 有无填充条件下型材塑性应变分析
图7所示为闭口型材纵向截面弯曲成形的塑性应变分布，由于塑性应变越大表示材料流动距离越长，越有可能出现起皱现象，塑性应变差值可用于表示零件弯曲段下表面起皱的程度。由图7可知，在无填充条件下，型材下表面弯曲变形区域存在明显的塑性应变分布不均匀现象，而有聚氨酯块填充的型材，其塑性应变最大差异值由原来无填充条件下的0.015 1降低到有填充条件下的0.004 9，应变差明显减小，说明弯曲成形过程中，填充物对型材内部表面产生了垂直于内部表面的约束载荷，限制了材料的厚度方向流动，起到改善起皱的作用。同时根据能量理论，型材压弯过程中的能量消耗是与周向位移、轴向应变和型材表面相关的应变能之和[13]。填充物在施加载荷的同时由于其具有易变形的特点，在变形过程中消耗了部分本应属于型材的应变能，导致型材变形程度降低。
