管件液壓成形技術(shù)應用現(xiàn)況與發(fā)展趨勢

 因應運輸工具輕量化、高性能、省能源之發(fā)展趨勢，自1990年代起管件液壓成形 (Tube Hydroforming) 或稱管件內(nèi)高壓成形(Internal High Pressure Forming) 技術(shù)受到工業(yè)界及學術(shù)界極大矚目而蓬勃發(fā)展，目前已成為國際間汽車產(chǎn)業(yè)主流制造技術(shù)之一，包括：德國雙B、VW、AUDI、OPEL，美國GM、FORD、CHRYSLER，日本TOYOTA、HONDA、NISSAN、SUBARU、MAZDA、MITSUBISHI，韓國KIA、Hyundai等均已投入生產(chǎn)或試量產(chǎn)，主要應用為底盤件、車身結(jié)構(gòu)件與排氣系統(tǒng)零組件，在其它產(chǎn)業(yè)應用亦不斷擴大中，前景十分廣闊。管件液壓成形技術(shù)具有：減輕重量/節(jié)省能源、產(chǎn)品一體型化、剛性佳、提高產(chǎn)品性能/精度及創(chuàng)新性，且在生產(chǎn)過程中可減少半成品零件數(shù)量，減少焊接、機械加工與產(chǎn)品組裝道次等后加工處理，有效降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期等優(yōu)點。本文將針對管件液壓成形的加工原理、優(yōu)點、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)應用現(xiàn)況、技術(shù)發(fā)展動向及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢進行探討。 

1. 技術(shù)原理 

   管件液壓成形技術(shù)，適用于異厚異形之中空結(jié)構(gòu)管件，顧名思義是先將管材置于具形狀的模具中，藉由管件內(nèi)部加入高壓流體(目前主要以水為主)，搭配軸向施加壓力補償管料，把管料壓入到模具腔體內(nèi)成形。其成形所需之液壓力一般約2000Bar，特殊狀況下甚至高達4000Bar。適用材料和應用范圍：具備優(yōu)良的可延伸性為液壓成形法的關(guān)鍵，原則上適用于冷間成形加工的材料均適用于管件液壓成形技術(shù)，目前主要以：碳鋼、特殊鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等為主。 

2. 技術(shù)特點 

   應用管件內(nèi)高壓技術(shù)可達到減少結(jié)構(gòu)件零件數(shù)目、焊接道次并縮短組配時間，達成減輕重量及降低成本之目標，其優(yōu)點因產(chǎn)品之不同而有所不同，相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢包括： 

1.減輕重量：與車削、搪孔相比，管件液壓成形之空心軸類可減輕40%~50%，有些甚至可達75%；若與沖壓焊接件相比，汽車上用管件液壓成形的空心結(jié)構(gòu)件可減少20%~30%。 

2.減少半成品零件數(shù)量：在成形過程中可一次加工出如引擎托架、頂蓋板架、門框等大型復雜的3D幾何形狀的工件。與沖壓焊接件相比，副車架零件由6個減少到1個；散熱器支架零件由17個減少到10個。 

3.降低模具費用：管件液壓成形件通常僅需要一套模具，而沖壓焊接件由多個沖壓件焊接而成，因此需要多套沖壓模具。 

4.減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量：以散熱器支架為例，焊接點由174個減少到20個，制造道次由13道減少到6道，生產(chǎn)效率提高66%。 

5.提高強度、剛性及疲勞強度：成形過程中液體具冷卻作用，使工件被"冷作強化"，獲得比一般沖壓加工更高的工件強度。以散熱器支架為例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。 

6.降低生產(chǎn)成本：Schuler Hydroforming公司對已應用的產(chǎn)品進行分析，管件液壓成形件比沖壓焊接件成本平均降低15%~20%，模具費用降低20%~30%。 

7. 創(chuàng)新性：克服傳統(tǒng)制程限制，應用于新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)。 

3. 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)應用現(xiàn)況 

   從近10年來的應用發(fā)展歷程來看，汽車業(yè)無疑地為最大之應用產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品也由儀表板支架、引擎支架、散熱器支架等擴大至車架滑軌(Frame Rail)、引擎副支架(Sub Frame)等項目的使用；另外，在其它車輛產(chǎn)業(yè)中，機車之車架、后臂(Rear Arm)也于2002年正式應用在哈雷、Yamaha等越野車的車款中，自行車的車架、搖臂及上管也有廠商應用的軌跡。至于水龍頭、閥制品、球形容器、超導加速器、管配件等產(chǎn)品，也應用液壓成形技術(shù)來達到其質(zhì)量及消費者需求。以下就液壓成形技術(shù)相關(guān)應用產(chǎn)品作一詳細說明。 

汽車業(yè) 

   在汽車產(chǎn)業(yè)利用THF技術(shù)是近年來汽車制造技術(shù)重要的里程碑之一，一般而言THF技術(shù)在汽車零件的應用如下： 
A:A,B pillar 
B: IP beam 
C: Radiator support 
D:Engine cradle 
E:Roof rails 
F:Frame rails 

   汽車次系統(tǒng)名稱 應用產(chǎn)品 
排氣系統(tǒng) 
(Exhaust system parts) 考慮耐熱及腐蝕環(huán)境，大多使用不銹鋼材料，產(chǎn)品：engine tubes， catalytic converters， pressure tubes， tail pipes， connectors and manifolds。 
底盤系統(tǒng) 

(Chassis parts) 材料：低碳鋼及中碳鋼，少部分使用鋁合金材料，產(chǎn)品： Frame rails， engine cradles， roof rails and bows， rear axle frames and radiator frames。 

引擎與動力系統(tǒng) 
(Engine /power train components) 產(chǎn)品：Suspension cross members， hollow camshafts， drive shafts and gear shafts。 

車身及安全部品 
(Body and safety parts) 主要產(chǎn)品有Windshield headers， A/B/C pillars， space frame components， instrument panels， seat frames and shock absorber housings。 

   以地區(qū)別來看，目前德、美、日、韓汽車大廠均已導入該項技術(shù)，北美的使用量已逐步超過歐洲而成為液壓成形零組件最大消耗地區(qū)；而最大的汽車應用廠商則屬美國GM公司，根據(jù)其2002年資料統(tǒng)計，采用液壓成形技術(shù)可以減少每年約1,230萬呎的焊接部位(約145噸焊接線材)，以及2,000噸之沖壓廢料（Scrap）。 

3.2 機車業(yè) 

   在機車液壓成形零組件上的應用廠商則屬哈雷及YAMAHA公司。在YAMAHA方面，主要將其液壓成形技術(shù)應用于2002年的WR250F(四行程之越野車)的搖臂(Swingarm)方面，以減輕重量并提高剛性。至于在哈雷公司的應用方面，則是由哈雷產(chǎn)品發(fā)展中心(Harley’s Product Development Centre)將液壓成形技術(shù)應用于該2002年的V-Rod車款之車架中，以形成無焊接性且具剛性之結(jié)構(gòu)，該車架采用1.5吋管件在預彎后以高壓成形方式制成復雜的三次元結(jié)構(gòu)。 

3.3 自行車業(yè) 

   主要應用于車架零組件，包括：車架(Frame)、上管(Top Tube)、車首管、接頭（Joints）等，目前國際間領(lǐng)導品牌均有此方向之研究開發(fā)。 

3.4 其它產(chǎn)業(yè) 

   在其它產(chǎn)業(yè)的應用代表：THF零件在車輛產(chǎn)業(yè)以外之應用例波紋管(bellows)，真空系統(tǒng)吸震組件，閥密封組件 ，水龍頭，各式把手，機車消音器，閥體外殼 

4. 管件液壓成形技術(shù)研究發(fā)展動向 

   目前的研究重點為如何提高液壓成形技術(shù)的競爭力，包括：降低資本支出(起始設(shè)備投資)、提高生產(chǎn)率及產(chǎn)量、提高材料使用率、制程合理化、不良率降低以及一體型液壓成形零件開發(fā)等，主要研究發(fā)展項目說明如下： 

4.1 管材成形性分析技術(shù) 
   主要為材料特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與實驗方法之建立，包括：鼓脹分析（Bulging test）、流動應力（K、n value）、管件成形極限圖(FLD)等。 

4.2 管件液壓成形CAD/CAE技術(shù)的應用 
   為了降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)時程、提高開發(fā)成功率，CAD/CAE對新的液壓成形技術(shù)也越來越重要。數(shù)值模擬能準確地反映管件液壓成形過程、預測成形缺陷、顯示工件貼模與成形情況、計算出壁厚分布。而且可以方便的調(diào)整內(nèi)壓與軸向位移的搭配關(guān)系，研究其對成形缺陷和壁厚分布的影響，以獲得最佳的加載曲線。因此管件液壓成形的CAE模擬亦受到各國研究者和工業(yè)界的重視。 

4.3 制程與模具技術(shù) 
   包括：基本加工特性、成形所必要的制程參數(shù)設(shè)計（使用材料、管件壁厚、產(chǎn)品截面幾何與最小R角、成形內(nèi)壓、合模力、內(nèi)壓與軸向位移的合理關(guān)系及控制方法、成形過程中工件的應力應變、幾何形狀的測量、管件液壓成形的摩擦特性及管件性能的測試方法等）、模具設(shè)計（精確控制模具閉合、沖頭密封、內(nèi)壓及軸向載荷及成形時間等）、模具制造等。 

4.4 設(shè)備技術(shù) 
   近年來德國已發(fā)展快速短行程的壓機來提高生產(chǎn)率，另亦有研究快速液壓充填裝置來降低液壓的充填時間，由于管件液壓零件形狀朝向3D復雜化，其所需成形壓力亦隨之升高，因此液壓設(shè)備必須包括以下各次系統(tǒng)的技術(shù)及制程間之整合 ： 
提供合模力之壓機或其它固鎖單元油壓及水壓壓力系統(tǒng)， 特別是增壓器相關(guān)之系統(tǒng)技術(shù)側(cè)缸及沖頭密封及行程控制(位置或力量控制) 控制技術(shù)(制程控制，數(shù)據(jù)擷取及傳感組件整合等)。 

5. 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 

   以目前液壓成形技術(shù)的應用市場來看，無疑地，汽車業(yè)為未來最大的開發(fā)市場。液壓成形技術(shù)最成功的應用應屬汽車底盤，其廣受歡迎的主因是：高剛性、尺寸精度與穩(wěn)定性高、較為耐蝕、工件數(shù)少、制程簡化、降低成本。因此，管液壓成形組件需求戲劇性的快速增加。此一需求將迫使液壓成形設(shè)備生產(chǎn)者和底盤系統(tǒng)供貨商加速開發(fā)相關(guān)技術(shù)。未來北美市場之汽車車體架構(gòu)可能由液壓成型組件取代，其理由包括： 

(1)政府法規(guī)—企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(CAFE)：此一法規(guī)已讓北美的汽車生產(chǎn)廠商大為緊張。在一加侖油花費不到一瓶飲用水的年代，消費者是不愿意放棄犧牲汽車寬敞、性能表現(xiàn)或者安全來節(jié)省燃料。然而當CAFE法規(guī)與顧客期望相互矛盾時，工程師必須發(fā)展更具燃油效率和重量更輕的車輛。 

(2)安全：撞擊試驗標準越來越多，加上顧客對車輛安全的認知與重視，促使OEM廠商必須在不犧牲燃料效率下改進車體安全。 

(3)車輛的性能表現(xiàn)：在美國公路上的平均限速是每小時68.5英里，歐洲更有許多國家高速公路無速限限制，車輛性能必須跟得上顧客的期望。 

(4)加速進入市場：過去一輛新車從產(chǎn)品概念到市場推出通常需要4-6年的時間。車輛性能表現(xiàn)、款式和對市場需求的滿足點子是早在發(fā)展過程剛開始就已經(jīng)確立。所以這段時間拖得越長，代表觀念越容易過時、市場風險越高，不利產(chǎn)品在市場銷售。為了保證將來車輛載具的成功，OEM業(yè)者須將此一時程縮短百分之50或更多。而管件液壓成形技術(shù)即是能滿足顧客在安全、輕量化及時效要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。 

(5)依據(jù)美國鋼鐵研究院汽車應用委員會的調(diào)查結(jié)果，在北美制造的轎車中，空心輕體件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到16%，而在中型商用車、大吉普車和小貨車的比例還要更高。估計到2004年北美生產(chǎn)的典型車型中將有50%結(jié)構(gòu)體零件采用管件液壓成形技術(shù)制造。 

(6)Daimler Chrysler預估，2005年管件液壓成形零組件將較2000年成長3倍。 

(7)Dana公司(汽車零組件國際大廠)預估，2004年管件液壓成形零組件將占汽車底盤零組件的50%，為此，Dana將于未來五年內(nèi)于加州、泰國、巴西、委內(nèi)瑞拉及阿根廷等國家至少建立起12臺以上的液壓成形機生產(chǎn)線的能量。 

(8)Global Trade Consulting最新的報告指出，美國汽車用液壓成形零組件在1998年產(chǎn)值為7.3億美元，2000年約達16億美元，2001年有約達19億美元，而在未來3年(2002~2004年)內(nèi)，年平均成長率將可達到20%。