为研究铝型材波折成形中材料的流动规律及微不雅观组织演化，现选取横截面为封闭四边形的6005A铝合金闭口型材，将型材通过压弯工艺成形为闭口弯梁零件，并比较剖析了不同热处理状态下材料的性能特点。为了得到更好的压弯效果，研究采取聚氨酯块添补闭口型材内部，聚氨酯块具有优秀的弹性、伸长率和压缩强度，属于性能优秀的缓冲材料。通过向薄壁梁构造内部添补聚氨酯块，可以使薄壁梁横截面的承载能力和吸能性能得到提升，并提高梁构造截面在受压状态下的稳定性，因而改进添补后的型材起皱等成形毛病，使零件成形精度和成形质量均有提高。
1型材压弯有限元剖析
1.1 有限元模型
经压弯成形后的闭口弯梁零件几何造型及轮廓尺寸如图1所示，铝合金闭口型材的材料牌号为6005A，T4热处理状态，壁厚为3.5 mm，将压弯成形过程简化成图2所示的有限元模型。
图1 铝合金车顶连接梁构件
图2 压弯成形的有限元模型
1.2 材料对应力分布的影响
6005A铝合金的T4热处理状态为固溶处理后自然时效至性能基本稳定，硬度较低，变形性较好。而T6热处理状态为固溶处理后进行人工时效，能得到更高的硬度。在试验中选用的6005A铝合金出厂状态为T4态，将原T4态试样自然时效12 h后重新人工时效处理8 h，得到符合标准的T6态铝合金。
6005A铝合金的T4和T6两种热处理工艺的应力应变曲线如图3所示，表1所示为T4与T6态的力学性能。由表1可知，T6态铝合金的抗拉强度、屈从强度、硬度均高于T4态，但T4态的伸长率高于T6态，解释T4态的韧性更好，比较之下T6态由于变形抗力较大而不适宜压弯成形，利用T4态能减少压弯过程中毛病的产生。现分别对利用2种热处理状态铝合金的型材进行有限元仿照压弯成形，应力分布如图3所示。经比拟创造波折段T6态铝合金型材经压弯后应力集中征象更严重，上、下表面承受的应力更大，较T4态更易产生起皱毛病，以下将T4态铝合金作为研究工具。
图3 T4态与T6态材料应力分布
表1 T4与T6态力学性能
1.3 添补物对成形质量的影响
对铝合金型材无添补条件下的压弯成形仿照研究创造，成形后型材波折段截面畸变较大，且有明显起皱，成形质量较差。为办理铝合金型材波折段截面畸变及失落稳起皱的问题，选择在型材内部添补聚氨酯块后再进行压弯，并比拟研究了添加添补物前后型材的材料流动特点，图4所示为添补后的有限元模型。
图4 添补后的有限元模型
1.3.1 无添补条件下型材压弯结果剖析
图5（a）所示为型材压弯成形厚度分布，由图5（a）可知，型材的厚度变革紧张发生在圆弧段，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，以是型材下表面厚度方向上尺寸增厚。此征象可能会导致中性层以上部分因拉应力浸染而开裂，中性层以下部分因压应力浸染而起皱。波折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仿照结果
1.3.2 有无添补条件下型材截面畸变比拟剖析
为直不雅观地表示型材压弯成形的截面畸变情形，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。由于型材为对称构造，仅选取一边侧壁表示型材侧壁的变形情形，无添补时的截面畸变情形如图6（a）所示。图6（a）中Δ3明显大于Δ1和Δ2，解释型材侧壁的截面畸变情形较上、下表面更严重，这是由于型材的侧壁更长，更随意马虎发生波折变形。经添补后的A、B、C点位移分别表示为Δ1'、Δ2'和Δ3'。Δ1、Δ2、Δ3与Δ1'、Δ2'、Δ3'的比拟如图6（b）~（d）所示。经比拟创造型材经添补后的截面畸变均有所减小，解释利用聚氨酯块添补后铝合金型材的波折段截面上、下表面内凹，左、右侧面外凸的程度有所改进，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，型材上表面波折变形区域沿纵向受拉应力浸染，下表面波折变形区域沿纵向受压应力浸染，迫使材料在厚度方向产生流动，而有添补状态下材料流动受添补物限定，导致截面变形更轻微。
通过比拟图6（b）~（d）可以创造，型材旁边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革最大处从添补前的0.568 mm减小到0.174 mm，减小幅度达到了326%。添补聚氨酯块型芯后旁边侧面的截面畸变值减小至与高下表面畸变情形同等，Δ1'、Δ2'和Δ3'的最大值分别为0.242、0.22、0.189 mm，解释添补后型材截面畸变分布变得均匀，添补物肃清了型材侧壁的截面畸变情形较高下表面更加严重的征象。
图6 有无添补条件下截面畸变比拟
1.3.3 有无添补条件下型材塑性应变剖析
图7所示为闭口型材纵向截面波折成形的塑性应变分布，由于塑性应变越大表示材料流动间隔越长，越有可能涌现起皱征象，塑性应变差值可用于表示零件波折段下表面起皱的程度。由图7可知，在无添补条件下，型材下表面波折变形区域存在明显的塑性应变分布不屈均征象，而有聚氨酯块添补的型材，其塑性应变最大差异值由原来无添补条件下的0.015 1降落到有添补条件下的0.004 9，应变差明显减小，解释波折成形过程中，添补物对型材内部表面产生了垂直于内部表面的约束载荷，限定了材料的厚度方向流动，起到改进起皱的浸染。同时根据能量理论，型材压弯过程中的能量花费是与周向位移、轴向应变和型材表面干系的应变能之和[13]。添补物在施加载荷的同时由于其具有易变形的特点，在变形过程中花费了部分本应属于型材的应变能，导致型材变形程度降落。
图7 闭口型材纵向截面压弯成形塑性应变分布
1.3.4 有无添补条件下型材应力情形剖析
有添补型材截面均匀应力为182.50 MPa，无添补型材截面均匀应力为271.28 MPa，解释在波折段截面畸变较大处由于内部添补料与型材相互浸染，减小了型材的应力分布，抑制了型材的截面畸变。由于型材侧壁的截面变形大于高下表面，为了直不雅观地显示型材压弯过程中的应力变革情形，根据图6（d）选取波折段截面畸变最大的侧壁作为研究工具，将应力分解为径向应力σr、轴向应力σz和环向应力σθ。由于压弯过程中的轴向应力σz靠近0，小于径向应力σr和环向应力σθ，认为型材压弯过程中紧张受径向应力σr和环向应力σθ的浸染。图8所示为有无添补条件下的型材侧壁应力分布情形，σr和σr'分别表示无添补和有添补条件下的径向应力，σθ和σθ'分别表示无添补和有添补条件下的环向应力。环向应力在靠近型材上表面时表现为正值，是拉应力；在靠近型材下表面时表现为负值，是压应力。添补型芯后侧壁的径向应力和环向应力最大值分别比添补前减小了58.91%和27.92%，且无添补时型材侧壁靠近下表面部分应力水平偏高，经添补后规复至与侧壁靠近上表面部分应力水平同等。根据Levy-Mises流动法则，减小的环向应力会导致塑性应变增量的减小，因此添补聚氨酯块后侧壁厚度分布更均匀。
图8 侧壁方向应力分布
2试验验证
为了验证以上仿照，分别对有添补和无添补的情形进行压弯试验，成形样件如图9所示。由于压弯过程中，波折圆弧段下表面受压，当型材内部未添补时，下表面受压过大导致失落稳，涌现波浪状起皱，如图9（a）所示，影响终极零件的尺寸精度及外不雅观质量。添补后成形情形如图9（b）所示，波折段下表面起皱征象明显改进，零件成形精度高，成形质量较好。
图9 有无添补成形样件比拟
▍原文作者:方斌 1曲明佳 2衣玲玲 2陈洪儒 2
▍作者单位：1. 中车长春轨道客车株式会社； 2. 吉林大学 材料科学与工程学院
