原标题:【成形工艺】住友STAF热汽胀形解析

为了获得较大的刚度需要有一个较大的空腔，诸如汽车的A柱，需要设计一个封闭的截面来满足性能要求。传统的冷冲压或热成形A柱是通过两个带有焊接边（法兰）来扣合焊接在一起来完成的；先进的内高压成形虽然可以获得封闭的完整截面，但其无法保证在需要法兰面（比如门洞密封条的夹持边）设计特征。于是，住友开发出了STAF热汽胀形工艺巧妙的解决了这一问题。那么，SATF是如何实现的呢，它的效果怎么样呢？今天就让纽北跟大家一起来看看。

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

通过此工艺，可以使得零件本体和 “法兰”整体成形成为可能，而法兰是零件本体装配所必需的部件，此凸缘是整体模制的。制造得到的零件与传统的内外板扣合焊接之间的断面无异，意味着如果改车无需重新设计。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。（本段源自易车）

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。同时，考虑到法兰已经与管件一起形成，所需部件的数量可以减少，从而大大降低了整体生产成本。

图7  STAF零件展示

3 简化生产过程

在用板料形成封闭截面结构构件时，需要五台机器进行冲裁、加热、冲压、修边和焊接。另一方面，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

与热成形、冷冲压等工艺相比，形成一个封闭的横截面结构，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，需要有较高的强度和刚度，这就让STAF工艺的作用发挥的淋漓尽致。

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。通过对框架和构件采用STAF构件，可以在满足托盘承重和性能的前提下降低成本（我想它主要的节省了部分连接成本）。

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。我想图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

总结

本文对住友正在研究开发的STAF热汽胀形工艺做了一个简单的介绍，虽然只介绍了其优势，但缺点还是有的，比如开孔、备焊标准件以及与周边零件的搭接问题等。

工艺是个好工艺，为的就是要取人之长补己之短，你觉得呢。

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