分享：不同预制孔加工方式对扩孔试样性能的影响

• 蒋兰波, 
 
• 历妍, 
 
• 卢美娇, 
 
• 宋丽荣

• 宝钢湛江钢铁有限公司 制造管理部，湛江 524072

汽车专用板材的质量是影响汽车整体质量的重要因素之一。扩孔率反映了材料的扩孔性能，可直接表征汽车专用板材在扩孔时的孔边成形能力[1]。扩孔率的测量过程为：将中心带孔的试样放置在扩孔试验机中心凸模上，向试样边部施加一定夹持力，然后以一定的速率上升凸模，使试样中心的预制孔不断扩大，直到试样预制孔的边缘出现裂纹为止。在实际的扩孔率测量试验中，改变部分试验条件会对测得的扩孔率产生较大影响[2]。

激光切割、视觉识别等技术在冶金行业板材试样自动化加工中应用广泛，这些技术可实现板材试样的自动加工、提高加工效率和质量、降低人工作业强度、提升安全作业系数等，推动了生产工艺的高质量发展[3]。激光打孔是最早实际应用的一项激光加工技术，现已成为诸多制造领域的关键技术，激光打孔特别适合加工高硬度的材料[4]。激光打孔技术具有极高的加工精度、强大的适应性、高效率、低成本，以及显著的经济效益。笔者使用激光打孔和冲孔机冲孔技术分别对780DP钢和980DP钢冷轧汽车板试样进行中心孔加工，分析了不同扩孔技术对材料扩孔率的影响，研究结果可为评价钢材的成形性能提供理论基础。

1.   试样制备与试验方法

1.1   试样制备

选取不同厚度的780DP钢和980DP钢冷轧板，在钢板的中部沿轧制方向连续取12个试样，分别编号为试样1~12，其中奇数编号的试样使用激光打孔的方式，偶数编号的试样采用冲孔机冲孔的方式，分别加工直径为10 mm的预制中心孔。试样的具体加工方式如表1所示。

Table  1.  试样的具体加工方式

试样编号	材料	厚度/mm	中心孔加工方式
1	780DP钢	1.213	冲孔机冲孔
2	780DP钢	1.213	激光打孔
3	780DP钢	1.505	冲孔机冲孔
4	780DP钢	1.505	激光打孔
5	980DP钢	1.204	冲孔机冲孔
6	980DP钢	1.204	激光打孔
7	980DP钢	1.508	冲孔机冲孔
8	980DP钢	1.508	激光打孔

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1.2   试验方法

使用Erivhsen杯状成型试验机对试样进行扩孔试验，设备配备自动光学测量扩孔裂纹，系统分辨精度为40 μm，软件检测到扩孔试样中心孔边缘局部出现最小破裂开口后自动停止，自动计算得到每个试样的扩孔率。采用扫描电镜（SEM）和光学显微镜观察试样中心孔的微观形貌和显微组织。

依据GB/T 24524—2021《金属材料 薄板和薄带 扩孔试验方法》，扩孔率计算方法如式（1）所示。

式中：λ为极限扩孔率；D0为冲制圆孔的初始直径，一般情况下D0为10 mm；Dh为破裂后的圆孔平均直径。

2.   试验结果

2.1   极限扩孔率测试

试样的极限扩孔率测试结果如表2所示。由表2可知：对于相同材料和厚度的试样，激光打孔试样的极限扩孔率远优于冲孔机冲孔试样的极限扩孔率。

Table  2.  试样的极限扩孔率测试结果

试样编号	厚度/mm	极限扩孔率/%
		实测值1	实测值2	实测值3	实测值4	实测值5	实测值6	平均值
1	1.213	27	25	26	28	25	24	26
2	1.213	48	54	50	53	49	53	51
3	1.505	25	22	24	24	24	22	24
4	1.505	39	41	37	37	36	49	40
5	1.204	28	36	31	30	33	27	31
6	1.204	67	56	58	52	53	60	58
7	1.508	30	26	19	25	22	29	25
8	1.508	40	42	45	48	39	46	43

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2.2   SEM分析

激光打孔试样和冲击机冲孔试样的中心孔截面SEM形貌分别如图1，2所示。由图1，2可知：激光打孔试样中心孔截面较为光滑；冲击机冲孔试样的中心孔截面出现分层现象，一部分为光滑、明亮的光亮带（光面），一部分为粗糙、有斜度的断裂带（毛面）。

图  1  激光打孔试样中心孔截面SEM形貌

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图  2  冲孔机冲孔试样中心孔截面SEM形貌

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在使用激光打孔过程中，激光由激光器产生后，经反射镜反射，再通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品表面的温度急剧升高，进而使其迅速融化或汽化，以达到切割的目的。激光打孔形成的孔截面通常不会出现明显的光亮带和断裂带，孔截面表面较为光滑，因此在扩孔试验中，不易出现裂纹先在切应力的作用下扩大，随后沿整个厚度方向扩展的情况。

在使用冲孔机冲孔过程中，当冲头接触材料时，材料开始发生初步塑性变形。此时，材料在冲头的作用下开始形成孔的初步形状。随着冲头继续下压，材料在冲头和模具的剪切作用下，逐渐沿着预定的路径形成孔。这个阶段，材料在冲头周围的区域会发生显著的塑性变形。当冲头下压到一定深度时，材料在冲头刃口附近的应力达到其断裂强度，从而使其发生断裂分离。此时，孔已经完全形成。其中，光亮带是材料在剪切作用下形成的整齐切断面，而断裂带则是由材料在断裂分离过程中发生的不规则撕裂形成的粗糙面。

在扩孔试验中，由于预制孔截面断裂带的表面粗糙，存在许多不规则的扩展裂纹，这些裂纹在试验过程中会首先在切应力的作用下逐渐扩展，并贯穿整个材料厚度方向，导致实际观测到的孔径尺寸变小，且限制了材料在扩孔试验中的延伸变形，使其变形不充分。因此，计算得出的极限扩孔率也会相应减小。

2.3   金相检验

激光打孔试样和冲击机冲孔试样中心孔截面的显微组织形貌分别如图3，4所示。由图3，4可知：采用两种不同加工方式，试样中心孔边部产生了不同的硬化层。

图  3  激光打孔试样中心孔截面的显微组织形貌

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图  4  冲击机冲孔试样中心孔截面的显微组织形貌

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使用激光打孔方式加工时，在激光辐射的作用下，试样形成熔渣层的同时，还会形成一层熔化和疏松的金属层，厚度约为75 μm，金属层和其衔接的一小部分金属之间出现明显脱碳现象，在抵抗变形时，材料会表现出较好的延展性。

使用冲孔机冲孔时，在冲压过程中，冲针在连续下降过程中不断地对试样表面施加向下的剪切力，当剪切力累计到一定程度后，试样随冲针方向发生塑性变形，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化[5]，致使端面发生撕裂而形成冲压孔，孔边部会产生厚度为80~100 μm的冷加工硬化层和冲压毛刺。在试验过程中，冷加工硬化层和冲压毛刺会率先产生裂纹，随着试验冲头的不断上升，裂纹逐渐扩大，直至贯穿整个试样截面，导致材料的扩孔性能降低。

3.   结论

不同的加工工艺对材料的扩孔性能有很大影响。使用激光打孔的方式加工试样的扩孔性能优于使用冲孔机冲孔方式加工的试样。