輕量化技術(shù)——熱汽脹形工藝技術(shù)解析

1 工藝簡(jiǎn)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(jī)模具中設(shè)置鋼管并經(jīng)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(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1  STAF工藝簡(jiǎn)圖

圖2是幾個(gè)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(nèi)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(shù)。除了鋼管的預(yù)成型和放料外，還包含以下三個(gè)步驟。

1、通電加熱

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

2、法蘭成形

經(jīng)過電阻加熱后，調(diào)整模具關(guān)閉位置(處于半開狀態(tài))，并向該區(qū)域提供高壓空氣（第一次吹氣）。然后，模具被關(guān)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(guān)閉模具后，向吹塑區(qū)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(nèi)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(qiáng)度。

圖5  工序模具淬火示意

STAF工藝的精髓在于先后進(jìn)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(jìn)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(nèi)面的形狀，繼續(xù)增加高壓空氣，進(jìn)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(qiáng)度高于1500MPa的零件。

完成以上工序后，對(duì)零件的兩端進(jìn)行切斷或激光開孔等后續(xù)工作。最終得到我們想要的封閉帶法蘭的高強(qiáng)零部件。

3 工藝特點(diǎn)

做為一種特殊的熱成形工藝，STAF具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、減重效果顯著

考慮到超高強(qiáng)度材料的連續(xù)閉合截面結(jié)構(gòu)，它可以制成高強(qiáng)度、高剛性的構(gòu)件。因此，可以減少管的厚度。在相同的強(qiáng)度參數(shù)下，如果STAF生產(chǎn)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的汽車零部件生產(chǎn)方法，其總重量將減少約30%。

圖6  采用STAF工藝效益對(duì)比

2、降低成本

STAF生產(chǎn)系統(tǒng)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(jìn)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(jiǎn)化生產(chǎn)過程(低投資成本/節(jié)省空間)

STAF系統(tǒng)將加熱和壓制過程結(jié)合在一起，在預(yù)成形后和結(jié)束切割之前完成一步。因此，只需要三臺(tái)機(jī)器，這就意味著可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程。

圖8  STAF生產(chǎn)過程示意

4、生產(chǎn)效率高

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

圖9  STAF與傳統(tǒng)熱成形工序?qū)Ρ?

4 案例分析

為了評(píng)價(jià)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(duì)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果STAF工藝生產(chǎn)的零件同樣滿足了強(qiáng)度和剛度的要求。

圖10  STAF與傳統(tǒng)工序?qū)Ρ?

1、用于A柱

鑒于STAF成形工藝的種種優(yōu)勢(shì)，其用在汽車A柱上，取代傳統(tǒng)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(hù)新能源汽車電池的重要部件，需要滿足擠壓、穿刺等測(cè)試，對(duì)強(qiáng)度要求較高。

圖14  SATF用于電池托盤

以下是一個(gè)采用STAF作為電動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)物

3、其他部位

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

圖17 SATF用于電池托盤

5 實(shí)際應(yīng)用方面

新一代福特?？怂共捎昧巳碌腃2平臺(tái)，車身結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度鋼和硼鋼的使用達(dá)到了33%，幫助整車在各項(xiàng)碰撞測(cè)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(píng)價(jià)。

實(shí)車案例

ECB2018會(huì)議展示了全新的福特福克斯，我們?cè)谒腁柱上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)管狀零件，如圖18所示。

可以明顯看到，該零件是個(gè)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(gè)管狀的TRB是怎么成形的呢？

圖19 A柱加強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)

資料顯示，該“A柱加強(qiáng)管”采用了1.0mm+1.2mm+1.4mm+1.6mm+1.8mm等5種不同的料厚進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且至少含有4種不同的截面結(jié)構(gòu)。

差厚板

上面說到差厚板，德國(guó)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(biāo)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(chǎn)的金屬板，即在鋼板軋制過程中，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板材。圖21是2009款奔馳E級(jí)使用TRB板材。

圖21 奔馳E級(jí)使用TRB技術(shù)

柔性軋制技術(shù)是TRB的核心，它的實(shí)質(zhì)類似于傳統(tǒng)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(shí)時(shí)地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預(yù)定的變截面形狀。圖22是沃爾沃S60使用TRB頂蓋加強(qiáng)梁的案例，減重1.5kg。

圖22 沃爾沃頂蓋加強(qiáng)梁TRB熱成形

拼焊板技術(shù)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(shù)還只能實(shí)現(xiàn)同種材料的不等料厚軋制。圖23展示的是慕貝爾TRB技術(shù)生產(chǎn)的B柱的對(duì)比，單側(cè)減重1kg以上。

圖23 慕貝爾TRB熱成形B柱對(duì)比

ACCRA®汽壓成形

?？怂?018上的這個(gè)A柱加強(qiáng)管由林德維曼（linde+wiemann）公司提供，他們稱此工藝為ACCRA®，根據(jù)其工藝特點(diǎn)，我們簡(jiǎn)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(nèi)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(huán)節(jié)）

②預(yù)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(yù)成形

③封閉空腔零件的熱成形；（熱氣壓使內(nèi)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(yù)埋件的焊接等。據(jù)悉，?？怂惯@個(gè)A柱加強(qiáng)管使用的是裸板，它這個(gè)封閉截面就不知道怎么拋丸了！

圖26 ?？怂笰柱加強(qiáng)管

以下是ACCRA®工藝過程演示：

2、工藝應(yīng)用

從供應(yīng)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(gè)品牌方案還應(yīng)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(yīng)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(yīng)用位置

圖29 ACCRA®應(yīng)用歷史

看來，ACCRA®其實(shí)不是個(gè)新工藝，它在2010年就已經(jīng)開始研究使用了。

3、蒂森克虜伯的T3技術(shù)

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(jié)構(gòu)來制造汽車A柱，無獨(dú)有偶，蒂森克虜伯也有一個(gè)構(gòu)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(yōu)勢(shì)

據(jù)蒂森介紹，T3技術(shù)用于制造復(fù)雜封閉或U型開口薄壁零件的技術(shù)，起初T3被用于生產(chǎn)變截面封閉曲線型管狀零件，類似于半成品或預(yù)成型。后來林德維曼發(fā)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(yōu)勢(shì)

ACCRA®技術(shù)用于制造封閉截面型超高強(qiáng)鋼零件，它集成了液壓成形及熱沖壓成形的優(yōu)勢(shì)。

5 總結(jié)

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(shù)。福特是一個(gè)善于嘗試的車企，比如?？怂沟腂柱加強(qiáng)板也使用了熱成形軟硬區(qū)技術(shù)。

總之基于當(dāng)下碳中和、新能源的趨勢(shì)，輕量化技術(shù)還會(huì)層出不窮，宗旨都在于減重。