先进高强度钢边缘延展性问题的解决方法

本文讨论了先进高强度钢为何会在冲切和成形中产生边缘裂纹 — 以及为减少边缘失效而进行的冲切、模具和材料测试的最佳实践。 本文介绍了最近举办的Docol^®边缘延展性网络研讨会的亮点，研讨会嘉宾是 SSAB 的高级成形专家 Vili Kesti。

通常 , 每当成形冲切边缘时 , 都需要用到边缘延展性。 例如 , 在汽车底盘应用中 , 通常会在连续生产过程中对零件进行机械剪切或冲裁。 冲切后存在许多不同的边缘应变情况：例如 , 扩孔、翻孔、翻边等。

随着先进高强度钢汽车零件的设计变得越来越复杂 , 避免冲切边缘成形时出现裂纹成为一个越来越具有挑战性的工艺 — 尤其对于热轧先进高强度钢更是如此。 如果边缘区域有裂纹等初始缺陷 , 零件的疲劳特性也会降低。

这是一个典型的问题：在扩孔过程中孔的边缘出现裂纹。 裂纹始于孔圆周的一部分，显示出粗糙的剪切表面。

另一个示例：这是在成形过程存在大边缘拉伸应变的典型翻边裂纹的特写。

仿真分析软件可以非常有效地捕捉到最初可能不容易察觉出现裂纹的关键区域 ( 即高应变 )。

机械冲切工艺 , 如冲孔，会产生严重的加工硬化，也可能沿冲切方向形成初始微裂纹和毛刺 — 所有这些构成了 " 剪切影响区 "，即 SAZ 。

SSAB 采用显微硬度的测量方法 , 确定离切面越近，加工硬化值越高。 这甚至在未进行任何成形工艺之前就降低了边缘的变形能力。

SAZ 微裂纹可以在夹杂物、碳化物、相界等附近产生，这取决于先进高强度钢的微观结构 , 。

首先，成形过程中最好的做法是了解 ( 并记录 ) 您的模具磨损率。 通常 , 您会得到一个初始磨损率 , 然后进入磨损率的平稳期，随后是加速期。 毛刺形成通常会有类似的模式：请参阅图表。 在这两种情况下 , 都应在预计加速期开始之前维修模具。 对于某些先进高强度钢牌号来说 , 磨损的模具会大大降低扩孔率 (HER) 。

如果可能，将毛刺安排在边缘内侧。 在随后的折弯操作中 , 边缘外侧的毛刺容易导致产生缺陷。

对于特定先进高强度钢牌号而言 , 使用最佳冲切间隙 ( 在某些情况下 , 该间隙高于 ISO 16630 HER 标准 12%) 可提高 HER 值。 请咨询您的先进高强度钢生产商 , 了解特定牌号和应用的冲切间隙。

维护模具和一致的冲切间隙是相互关联的。 模具磨损会受到冲切间隙和所冲切的先进高强度钢牌号的影响。 模具刚度也很重要：刚度有助于在冲孔周围和较长翻边边缘保持一致的冲切间隙。

通过改变切割方法 , 比如采用钻孔、机加工或线切割 (EDM) 等, 可以消除剪切影响区。 不幸的是 , 钻孔、机加工和线切割非常耗时 , 而且对于大批量生产来说是不可行的。 像激光或等离子体这样的热切割方法可以提高边缘延展性 , 但它们会因加热而产生硬度递度。

预冲孔可大幅提高扩孔率（HER）或边缘成形性

许多技术论文提供的证据表明，预冲孔，也称为两次冲切，可以显著提高先进高强度钢扩孔率，从而提高边缘成形性。

采用预冲孔方法 , 使用单个阶梯式冲头或两次单独的冲孔，先形成初始孔 , 然后进行修剪操作。 为了获得最佳效果 , 必须仔细选择最终的修整量或冲压环的宽度。 预冲孔可以大大改善 HER, 但不同牌号的改进程度也不同 , 如此图表所示。

相同的先进高强度钢牌号 , 不同的边缘延展性

边缘延展性在不同钢牌号之间有很大差异，即使这些钢牌号有相同的强度水平。 您也将注意到不同钢铁生产商以 " 相同名称 " 命名的钢牌号之间的差异。

此外 , HER 和传统的屈服强度、抗拉强度或延伸率之间没有明确的关联。 ( 正如前所述 , 最近的出版物确实显示了真实厚度开裂应变与 HER 之间的可能关联性：如果其他研究证实这种关联性 , 我们希望以后在 《INSIGHTS》 上的文章能对此进行论述。)

例如 , 这里有四种不同的钢牌号 , 全部具有 800MPa 以上的拉伸强度。 显然 , 选择正确的钢材牌号可以显著改善您的边缘成形性能。

选择先进高强度钢时的另一个考虑因素：在真实的加工条件下 , 很难保持冲切间隙一致。 这张图表显示了 Docol^® HE ( 高边 ) 牌号与传统的先进高强度钢相比 , 在一定冲切间隙范围内具有更好的边缘质量和更好的成形性。

目前 , 扩孔测试全球标准为 ISO 16630, 该标准因提供的结果不确定性和偏差过大而受到广泛争议。

ISO 16630 仅涵盖一种特定应力 / 应变状态。 但是 , 实际的生产中通常包括不同的边缘应变情形。 即使在同一个汽车零件中 , 边缘也会存在各种不同的应力 / 应变状态。

我们可利用不同的测试来涵盖更广泛的应力 / 应变承载情况 , 包括在线数字图像相关性 (DIC) 应变测量。 SSAB 研究人员使用：

• Nakajima HE 测试
• KWi HE 测试
• Diabolo 测试
• 双折弯测试
• 孔拉伸测试

SSAB 的研究人员正在开发一种描述 " 整体边缘成形性 " 的新概念。 该方法使用上面列出的所有测试 , 在三个不同的方向 (ε1 、ε2 和 ε3) 测试先进高强度钢样件 , 以创建三维边缘成形极限图 (FLD), 从而绘制出即将开裂前的应变极限。

三维边缘形成极限图是直观比较不同材料及其整体边缘延展性的好方法。 它们还有可能在仿真分析中有效使用：请继续关注。