轻量化技术--热汽胀形工艺技术解析

工艺简介

STAF（Steel Tube AirForming）中文暂且称之为热汽胀形，是一种新的“钢管空气成形”工艺，是指在压力机模具中设置钢管并经过“通电加热→高压空气喷射→成型→硬化”过程，最终获得封闭带法兰凸缘的零件。其工艺简图如图1所示。

图1  STAF工艺简图

图2是几个STAF零件的断面展示。

图2  STAF零件断面

工艺流程

上面介绍到，STAF需要在模具内利用气体使空心管成形，其利用的也是加热加压冷却淬火的工艺，SATF也可以算是一种热成形的新技术。除了钢管的预成型和放料外，还包含以下三个步骤。

1、通电加热

在模具上设置钢管后，通过电阻电流加热金属。这样，管子在10秒内加热到900°C左右（温度视材料而定）。电阻加热时，左右电极对管具有相同的接触面积，使接触比板料更加稳定，从而对材料进行均匀加热。

图3  工序通电加热示意

2、法兰成形

经过电阻加热后，调整模具关闭位置(处于半开状态)，并向该区域提供高压空气（第一次吹气）。然后，模具被关闭，而半开的部分被轻微地展开，形成法兰。

图4  工序法兰成形示意

3、成型淬火

在关闭模具后，向吹塑区提供更多的高压空气（第二次吹气），使主体的形状与模具的内表面形状相似。由于材料与金属模具紧密相连，因此可以快速冷却，使其具有大约1500 MPa的高抗拉强度。

图5  工序模具淬火示意

STAF工艺的精髓在于先后进行了2次高压空气的注入，第一次是在不完全锁模的情况下进行，利用热胀冷缩原理使凸缘部分成型。然后，为了使管体部分更贴合模具内面的形状，继续增加高压空气，进行喷射或者说吹塑成型。最后，材料在紧贴模具后，快速冷却并淬火，形成强度高于1500MPa的零件。

完成以上工序后，对零件的两端进行切断或激光开孔等后续工作。最终得到我们想要的封闭带法兰的高强零部件。

工艺特点

做为一种特殊的热成形工艺，STAF具有以下优势：

1、减重效果显著

考虑到超高强度材料的连续闭合截面结构，它可以制成高强度、高刚性的构件。因此，可以减少管的厚度。在相同的强度参数下，如果STAF生产系统取代传统的汽车零部件生产方法，其总重量将减少约30%。

图6  采用STAF工艺效益对比

2、降低成本

STAF生产系统消除了板料冲压成形所需的废料和边角料。此外，成形后只需进行端部切割，可使成品率提高到90%左右。

图7  STAF零件展示

3、简化生产过程(低投资成本/节省空间)

STAF系统将加热和压制过程结合在一起，在预成形后和结束切割之前完成一步。因此，只需要三台机器，这就意味着可以简化生产过程。

图8  STAF生产过程示意

4、生产效率高

STAF工艺可以通过消除加热和焊接将工序数量减少到两个。从而减少中间步骤，提高生产效率。

图9  STAF与传统热成形工序对比

案例分析

为了评价STAF工艺的效果，住友重工用原有的工艺试制了完全一致截面形状的部件，并对性能进行测试，结果STAF工艺生产的零件同样满足了强度和刚度的要求。

图10  STAF与传统工序对比

1、用于A柱

鉴于STAF成形工艺的种种优势，其用在汽车A柱上，取代传统的冷冲或热成形工艺制作的A柱是最好的案例了。

图11  SATF用于汽车A柱

首先，A柱位于门洞附近，需要有法兰凸缘给门框条的安装空间，其次，A柱也是车身主框架零件。

图12  SATF用于汽车A柱-上部接头

图13  SATF用于汽车A柱-下部接头

2、用于电池托盘

电池托盘是保护新能源汽车电池的重要部件，需要满足挤压、穿刺等测试，对强度要求较高。

图14  SATF用于电池托盘

以下是一个采用STAF作为电动汽车中的电池托盘横梁的例子，利用此工艺，可以自由改变截面形状来满足设计性能。

图15 SATF用于电池托盘横梁

图16 SATF用于电池托盘横梁实物

3、其他部位

目前，住友正在加大对STAF工艺的研究力度，除了A柱和电池托盘，其他可能应用的部位如图17所示。图2所示的几个零件截面可能就是这些零件吧。

图17 SATF用于电池托盘

实际应用方面

新一代福特福克斯采用了全新的C2平台，车身结构中高强度钢和硼钢的使用达到了33%，帮助整车在各项碰撞测试中均能获得高分，而正面碰撞载荷能力更是提升了40%。最终，成功夺得五星满分评价。

实车案例

ECB2018会议展示了全新的福特福克斯，我们在它的A柱上发现了一个管状零件，如图18所示。

图18 福克斯的A柱

可以明显看到，该零件是个由不等料厚轧制板热冲压成形的零件，即我们通常所说的TRB。但我们目前能看到的TRB都是板类的，这个管状的TRB是怎么成形的呢？

图19 A柱加强管的结构

资料显示，该“A柱加强管”采用了1.0mm+1.2mm+1.4mm+1.6mm+1.8mm等5种不同的料厚进行设计，并且至少含有4种不同的截面结构。

差厚板

上面说到差厚板，德国慕贝尔称为TRB（TailorRolled Blanks），中文称为“柔性轧制板”；宝钢称为VRB（Variable-thickness Rolled Blanks），中文称为“变厚板”；为了不跟他们有商标纠纷，我们叫它差厚板吧。

图20 TRB差厚板原理图

它是通过柔性轧制工艺生产的金属板，即在钢板轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。图21是2009款奔驰E级使用TRB板材。

图21 奔驰E级使用TRB技术

柔性轧制技术是TRB的核心，它的实质类似于传统轧制加工方法中的纵轧，但其最大的不同之处是在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预定的变截面形状。图22是沃尔沃S60使用TRB顶盖加强梁的案例，减重1.5kg。

图22 沃尔沃顶盖加强梁TRB热成形

拼焊板技术可以将不同种类的材料焊接在一起，一起成形，但目前的TRB技术还只能实现同种材料的不等料厚轧制。图23展示的是慕贝尔TRB技术生产的B柱的对比，单侧减重1kg以上。

图23 慕贝尔TRB热成形B柱对比

ACCRA®汽压成形

福克斯2018上的这个A柱加强管由林德维曼（linde+wiemann）公司提供，他们称此工艺为ACCRA®，根据其工艺特点，我们简称为汽压成形。（STAF热汽胀形，ACCRA工艺的热成形原理与STAF有些类似，都是利用高压气体使内壁胀开）

1、工艺过程

①TRB差厚板轧制；（此工序是在ACCRA之前，属于原材料环节）

②预成型及焊接；（类似于辊压，成封闭状后焊接）

图24 封闭零件的预成形

③封闭空腔零件的热成形；（热气压使内部胀形）

图25 封闭零件的热成形

④成形后处理。包括热成形零件的切孔切边及预埋件的焊接等。据悉，福克斯这个A柱加强管使用的是裸板，它这个封闭截面就不知道怎么抛丸了！

图26 福克斯A柱加强管

以下是ACCRA®工艺过程演示：

2、工艺应用

从供应商处了解到，由TRB差厚板辊压焊接成封闭零件，并热成形制造的管状零件，目前只有福特福克斯在使用。但是ACCRA®这个品牌方案还应用于其他的车型，比如特斯拉Model S的前防撞梁，如图27所示。

图27 特斯拉Model S前防撞梁

目前，ACCRA®可能应用于前后防撞梁，A柱，座椅后横梁以及一些底盘上的封闭管状零件，如图28所示。

图28 ACCRA®应用位置

图29 ACCRA®应用历史

看来，ACCRA®其实不是个新工艺，它在2010年就已经开始研究使用了。

3、蒂森克虏伯的T3技术

上面说到此工序使用的是封闭管状来制造热成形零件，利用封闭管状的结构来制造汽车A柱，无独有偶，蒂森克虏伯也有一个构想。使用封闭管状零件来减小A柱障碍角，如图30所示。

图30 封闭A柱的优势

据蒂森介绍，T3技术用于制造复杂封闭或U型开口薄壁零件的技术，起初T3被用于生产变截面封闭曲线型管状零件，类似于半成品或预成型。后来林德维曼发展了这一工艺，于是便有了今天的ACCRA®版的福克斯A柱。

图31 封闭A柱的优势

ACCRA®技术用于制造封闭截面型超高强钢零件，它集成了液压成形及热冲压成形的优势。

总结

汽压成形的热成形阶段与STAF热汽胀形很类似，这么看来，汽压成形也属于一种新的热成形技术。福特是一个善于尝试的车企，比如福克斯的B柱加强板也使用了热成形软硬区技术。

总之基于当下碳中和、新能源的趋势，轻量化技术还会层出不穷，宗旨都在于减重。