輕量化技術——熱汽脹形工藝技術解析

1 工藝簡介

STAF（Steel Tube AirForming）中文暫且稱之為熱汽脹形，是一種新的“鋼管空氣成形”工藝，是指在壓力機模具中設置鋼管并經過“通電加熱→高壓空氣噴射→成型→硬化”過程，最終獲得封閉帶法蘭凸緣的零件。其工藝簡圖如圖1所示。

圖1  STAF工藝簡圖

圖2是幾個STAF零件的斷面展示。

圖2  STAF零件斷面

2 工藝流程

上面介紹到，STAF需要在模具內利用氣體使空心管成形，其利用的也是加熱加壓冷卻淬火的工藝，SATF也可以算是一種熱成形的新技術。除了鋼管的預成型和放料外，還包含以下三個步驟。

1、通電加熱

在模具上設置鋼管后，通過電阻電流加熱金屬。這樣，管子在10秒內加熱到900°C左右（溫度視材料而定）。電阻加熱時，左右電極對管具有相同的接觸面積，使接觸比板料更加穩定，從而對材料進行均勻加熱。

2、法蘭成形

經過電阻加熱后，調整模具關閉位置(處于半開狀態)，并向該區域提供高壓空氣（第一次吹氣）。然后，模具被關閉，而半開的部分被輕微地展開，形成法蘭。

圖4  工序法蘭成形示意

3、成型淬火

在關閉模具后，向吹塑區提供更多的高壓空氣（第二次吹氣），使主體的形狀與模具的內表面形狀相似。由于材料與金屬模具緊密相連，因此可以快速冷卻，使其具有大約1500 MPa的高抗拉強度。

圖5  工序模具淬火示意

STAF工藝的精髓在于先后進行了2次高壓空氣的注入，第一次是在不完全鎖模的情況下進行，利用熱脹冷縮原理使凸緣部分成型。然后，為了使管體部分更貼合模具內面的形狀，繼續增加高壓空氣，進行噴射或者說吹塑成型。最后，材料在緊貼模具后，快速冷卻并淬火，形成強度高于1500MPa的零件。

完成以上工序后，對零件的兩端進行切斷或激光開孔等后續工作。最終得到我們想要的封閉帶法蘭的高強零部件。

3 工藝特點

做為一種特殊的熱成形工藝，STAF具有以下優勢：

1、減重效果顯著

考慮到超高強度材料的連續閉合截面結構，它可以制成高強度、高剛性的構件。因此，可以減少管的厚度。在相同的強度參數下，如果STAF生產系統取代傳統的汽車零部件生產方法，其總重量將減少約30%。

圖6  采用STAF工藝效益對比

2、降低成本

STAF生產系統消除了板料沖壓成形所需的廢料和邊角料。此外，成形后只需進行端部切割，可使成品率提高到90%左右。

圖7  STAF零件展示

3、簡化生產過程(低投資成本/節省空間)

STAF系統將加熱和壓制過程結合在一起，在預成形后和結束切割之前完成一步。因此，只需要三臺機器，這就意味著可以簡化生產過程。

圖8  STAF生產過程示意

4、生產效率高

STAF工藝可以通過消除加熱和焊接將工序數量減少到兩個。從而減少中間步驟，提高生產效率。

圖9  STAF與傳統熱成形工序對比

4 案例分析

為了評價STAF工藝的效果，住友重工用原有的工藝試制了完全一致截面形狀的部件，并對性能進行測試，結果STAF工藝生產的零件同樣滿足了強度和剛度的要求。

圖10  STAF與傳統工序對比

1、用于A柱

鑒于STAF成形工藝的種種優勢，其用在汽車A柱上，取代傳統的冷沖或熱成形工藝制作的A柱是最好的案例了。

圖11  SATF用于汽車A柱

首先，A柱位于門洞附近，需要有法蘭凸緣給門框條的安裝空間，其次，A柱也是車身主框架零件。

圖12  SATF用于汽車A柱-上部接頭

2、用于電池托盤

電池托盤是保護新能源汽車電池的重要部件，需要滿足擠壓、穿刺等測試，對強度要求較高。

圖14  SATF用于電池托盤

以下是一個采用STAF作為電動汽車中的電池托盤橫梁的例子，利用此工藝，可以自由改變截面形狀來滿足設計性能。

圖15 SATF用于電池托盤橫梁

圖16 SATF用于電池托盤橫梁實物

3、其他部位

目前，住友正在加大對STAF工藝的研究力度，除了A柱和電池托盤，其他可能應用的部位如圖17所示。圖2所示的幾個零件截面可能就是這些零件吧。

圖17 SATF用于電池托盤

5 實際應用方面

新一代福特?？怂共捎昧巳碌腃2平臺，車身結構中高強度鋼和硼鋼的使用達到了33%，幫助整車在各項碰撞測試中均能獲得高分，而正面碰撞載荷能力更是提升了40%。最終，成功奪得五星滿分評價。

實車案例

ECB2018會議展示了全新的福特?？怂?，我們在它的A柱上發現了一個管狀零件，如圖18所示。

可以明顯看到，該零件是個由不等料厚軋制板熱沖壓成形的零件，即我們通常所說的TRB。但我們目前能看到的TRB都是板類的，這個管狀的TRB是怎么成形的呢？

圖19 A柱加強管的結構

資料顯示，該“A柱加強管”采用了1.0mm+1.2mm+1.4mm+1.6mm+1.8mm等5種不同的料厚進行設計，并且至少含有4種不同的截面結構。

差厚板

上面說到差厚板，德國慕貝爾稱為TRB（TailorRolled Blanks），中文稱為“柔性軋制板”；寶鋼稱為VRB（Variable-thickness Rolled Blanks），中文稱為“變厚板”；為了不跟他們有商標糾紛，我們叫它差厚板吧。

圖20 TRB差厚板原理圖

它是通過柔性軋制工藝生產的金屬板，即在鋼板軋制過程中，通過計算機實時控制和調整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預先定制的厚度連續變化的板材。圖21是2009款奔馳E級使用TRB板材。

圖21 奔馳E級使用TRB技術

柔性軋制技術是TRB的核心，它的實質類似于傳統軋制加工方法中的縱軋，但其最大的不同之處是在軋制過程中，軋輥的間距可以實時地調整變化，從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預定的變截面形狀。圖22是沃爾沃S60使用TRB頂蓋加強梁的案例，減重1.5kg。

圖22 沃爾沃頂蓋加強梁TRB熱成形

拼焊板技術可以將不同種類的材料焊接在一起，一起成形，但目前的TRB技術還只能實現同種材料的不等料厚軋制。圖23展示的是慕貝爾TRB技術生產的B柱的對比，單側減重1kg以上。

圖23 慕貝爾TRB熱成形B柱對比

ACCRA®汽壓成形

?？怂?018上的這個A柱加強管由林德維曼（linde+wiemann）公司提供，他們稱此工藝為ACCRA®，根據其工藝特點，我們簡稱為汽壓成形。（STAF熱汽脹形，ACCRA工藝的熱成形原理與STAF有些類似，都是利用高壓氣體使內壁脹開）

1、工藝過程

①TRB差厚板軋制；（此工序是在ACCRA之前，屬于原材料環節）

②預成型及焊接；（類似于輥壓，成封閉狀后焊接）

圖24 封閉零件的預成形

③封閉空腔零件的熱成形；（熱氣壓使內部脹形）

圖25 封閉零件的熱成形

④成形后處理。包括熱成形零件的切孔切邊及預埋件的焊接等。據悉，?？怂惯@個A柱加強管使用的是裸板，它這個封閉截面就不知道怎么拋丸了！

圖26 ?？怂笰柱加強管

以下是ACCRA®工藝過程演示：

2、工藝應用

從供應商處了解到，由TRB差厚板輥壓焊接成封閉零件，并熱成形制造的管狀零件，目前只有福特?？怂乖谑褂?。但是ACCRA®這個品牌方案還應用于其他的車型，比如特斯拉Model S的前防撞梁，如圖27所示。

目前，ACCRA®可能應用于前后防撞梁，A柱，座椅后橫梁以及一些底盤上的封閉管狀零件，如圖28所示。

圖28 ACCRA®應用位置

圖29 ACCRA®應用歷史

看來，ACCRA®其實不是個新工藝，它在2010年就已經開始研究使用了。

3、蒂森克虜伯的T3技術

上面說到此工序使用的是封閉管狀來制造熱成形零件，利用封閉管狀的結構來制造汽車A柱，無獨有偶，蒂森克虜伯也有一個構想。使用封閉管狀零件來減小A柱障礙角，如圖30所示。

圖30 封閉A柱的優勢

據蒂森介紹，T3技術用于制造復雜封閉或U型開口薄壁零件的技術，起初T3被用于生產變截面封閉曲線型管狀零件，類似于半成品或預成型。后來林德維曼發展了這一工藝，于是便有了今天的ACCRA®版的?？怂笰柱。

圖31 封閉A柱的優勢

ACCRA®技術用于制造封閉截面型超高強鋼零件，它集成了液壓成形及熱沖壓成形的優勢。

5 總結

汽壓成形的熱成形階段與STAF熱汽脹形很類似，這么看來，汽壓成形也屬于一種新的熱成形技術。福特是一個善于嘗試的車企，比如?？怂沟腂柱加強板也使用了熱成形軟硬區技術。

總之基于當下碳中和、新能源的趨勢，輕量化技術還會層出不窮，宗旨都在于減重。