管件液压成形技术应用现况与发展趋势

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管件液压成形技术应用现况与发展趋势
因应运输工具轻量化、高性能、省能源之发展趋势，自1990年代起管件液压成形 (Tube Hydroforming) 或称管件内高压成形(Internal High Pressure Forming) 技术受到工业界及学术界极大瞩目而蓬勃发展，目前已成为国际间汽车产业主流制造技术之一，包括：德国双B、VW、AUDI、OPEL，美国GM、FORD、CHRYSLER，日本TOYOTA、HONDA、NISSAN、SUBARU、MAZDA、MITSUBISHI，韩国KIA、Hyundai等均已投入生产或试量产，主要应用为底盘件、车身结构件与排气系统零组件，在其它产业应用亦不断扩大中，前景十分广阔。管件液压成形技术具有：减轻重量/节省能源、产品一体型化、刚性佳、提高产品性能/精度及创新性，且在生产过程中可减少半成品零件数量，减少焊接、机械加工与产品组装道次等后加工处理，有效降低生产成本、缩短加工周期等优点。本文将针对管件液压成形的加工原理、优点、国内外产业应用现况、技术发展动向及产业发展趋势进行探讨。
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1. 技术原理
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管件液压成形技术，适用于异厚异形之中空结构管件，顾名思义是先将管材置于具形状的模具中，藉由管件内部加入高压流体(目前主要以水为主)，搭配轴向施加压力补偿管料，把管料压入到模具腔体内成形。其成形所需之液压力一般约2000Bar，特殊状况下甚至高达4000Bar。适用材料和应用范围：具备优良的可延伸性为液压成形法的关键，原则上适用于冷间成形加工的材料均适用于管件液压成形技术，目前主要以：碳钢、特殊钢、不锈钢、铝合金、铜合金等为主。
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# |* @# x( x0 X2. 技术特点
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应用管件内高压技术可达到减少结构件零件数目、焊接道次并缩短组配时间，达成减轻重量及降低成本之目标，其优点因产品之不同而有所不同，相较于传统生产技术的优势包括：

/ K1 K4 t; ^+ Q# e0 G/ r  K# d1.减轻重量：与车削、搪孔相比，管件液压成形之空心轴类可减轻40%~50%，有些甚至可达75%；若与冲压焊接件相比，汽车上用管件液压成形的空心结构件可减少20%~30%。
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8 i6 d, j  R4 e7 p' b& ]2.减少半成品零件数量：在成形过程中可一次加工出如引擎托架、顶盖板架、门框等大型复杂的3D几何形状的工件。与冲压焊接件相比，副车架零件由6个减少到1个；散热器支架零件由17个减少到10个。

3.降低模具费用：管件液压成形件通常仅需要一套模具，而冲压焊接件由多个冲压件焊接而成，因此需要多套冲压模具。
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5 ]. K2 C! Y2 j, N4.减少后续机械加工和组装焊接量：以散热器支架为例，焊接点由174个减少到20个，制造道次由13道减少到6道，生产效率提高66%。

5.提高强度、刚性及疲劳强度：成形过程中液体具冷却作用，使工件被"冷作强化"，获得比一般冲压加工更高的工件强度。以散热器支架为例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。
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2 O9 K9 g/ `9 _) x  h6 m) \* {1 s6.降低生产成本：Schuler Hydroforming公司对已应用的产品进行分析，管件液压成形件比冲压焊接件成本平均降低15%~20%，模具费用降低20%~30%。
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7. 创新性：克服传统制程限制，应用于新产品设计开发。
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3. 国内外产业应用现况
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从近10年来的应用发展历程来看，如【图2】所示，汽车业无疑地为最大之应用产业，产品也由仪表板支架、引擎支架、散热器支架等扩大至车架滑轨(Frame Rail)、引擎副支架(Sub Frame)等项目的使用；另外，在其它车辆产业中，机车之车架、后臂(Rear Arm)也于2002年正式应用在哈雷、Yamaha等越野车的车款中，自行车的车架、摇臂及上管也有厂商应用的轨迹。至于水龙头、阀制品、球形容器、超导加速器、管配件等产品，也应用液压成形技术来达到其质量及消费者需求。以下就液压成形技术相关应用产品作一详细说明。

0 v6 U) G( _6 ^2 M$ v汽车业
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# b9 p# I7 \4 C2 [. d在汽车产业利用THF技术是近年来汽车制造技术重要的里程碑之一，一般而言THF技术在汽车零件的应用如下：
. w/ p2 g5 R. \A:A,B pillar
2 _5 Y2 w3 r2 O% U; {B: IP beam
% c9 m" c6 x& B0 [4 V4 NC: Radiator support
. ~- T  j7 H3 X9 W! L0 xD:Engine cradle
E:Roof rails
7 P3 E, w: w2 R. nF:Frame rails
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汽车次系统名称 应用产品
排气系统
0 U2 {0 Z; t8 K: z(Exhaust system parts) 考虑耐热及腐蚀环境，大多使用不锈钢材料，产品：engine tubes， catalytic converters， pressure tubes， tail pipes， connectors and manifolds。
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7 x: N+ b9 v" D% ~4 ?底盘系统
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(Chassis parts) 材料：低碳钢及中碳钢，少部分使用铝合金材料，产品： Frame rails， engine cradles， roof rails and bows， rear axle frames and radiator frames。
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* G9 V. r' l0 m+ ~引擎与动力系统
(Engine /power train components) 产品：Suspension cross members， hollow camshafts， drive shafts and gear shafts。

车身及安全部品
(Body and safety parts) 主要产品有Windshield headers， A/B/C pillars， space frame components， instrument panels， seat frames and shock absorber housings。
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/ {: n8 F+ l. D5 \& {以地区别来看，目前德、美、日、韩汽车大厂均已导入该项技术，北美的使用量已逐步超过欧洲而成为液压成形零组件最大消耗地区；而最大的汽车应用厂商则属美国GM公司，根据其2002年资料统计，采用液压成形技术可以减少每年约1,230万呎的焊接部位(约145吨焊接线材)，以及2,000吨之冲压废料（Scrap）。
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3.2 机车业

+ c% \! ]/ h0 Q+ `6 ?在机车液压成形零组件上的应用厂商则属哈雷及YAMAHA公司。在YAMAHA方面，主要将其液压成形技术应用于2002年的WR250F(四行程之越野车)的摇臂(Swingarm)方面，以减轻重量并提高刚性。至于在哈雷公司的应用方面，则是由哈雷产品发展中心(Harleys Product Development Centre)将液压成形技术应用于该2002年的V-Rod车款之车架中，以形成无焊接性且具刚性之结构，该车架采用1.5吋管件在预弯后以高压成形方式制成复杂的三次元结构。
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. c" ~# N$ _/ G% @+ s3 A3.3 自行车业
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主要应用于车架零组件，包括：车架(Frame)、上管(Top Tube)、车首管、接头（Joints）等，目前国际间领导品牌均有此方向之研究开发。

+ J9 f9 B% o1 J! A) F3.4 其它产业

在其它产业的应用代表例如下表1所示
* p0 P* S+ n. C- Y( z7 \. Q! c, A0 B! s表1 THF零件在车辆产业以外之应用例
) J% @$ \0 T7 y# ]波纹管(bellows) 真空系统吸震组件
; N2 G1 D' I. J9 d4 Q$ Q. V8 T阀密封组件
水龙头
各式把手

. Z0 k# `. q, L/ I( }' j机车消音器
' U% J! T5 j; s3 a' [! W( u阀体外壳
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4. 管件液压成形技术研究发展动向

目前的研究重点为如何提高液压成形技术的竞争力，包括：降低资本支出(起始设备投资)、提高生产率及产量、提高材料使用率、制程合理化、不良率降低以及一体型液压成形零件开发等，主要研究发展项目说明如下：

: L/ ?% Z) M2 P9 _6 @# u4.1 管材成形性分析技术
主要为材料特性基础数据与实验方法之建立，包括：鼓胀分析（Bulging test）、流动应力（K、n value）、管件成形极限图(FLD)等。
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7 j3 [+ ]& a5 [  I$ `" ]! s4.2 管件液压成形CAD/CAE技术的应用
为了降低成本、缩短产品开发时程、提高开发成功率，CAD/CAE对新的液压成形技术也越来越重要。数值模拟能准确地反映管件液压成形过程、预测成形缺陷、显示工件贴模与成形情况、计算出壁厚分布。而且可以方便的调整内压与轴向位移的搭配关系，研究其对成形缺陷和壁厚分布的影响，以获得最佳的加载曲线。因此管件液压成形的CAE模拟亦受到各国研究者和工业界的重视。
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4.3 制程与模具技术
' H: |; _3 _% N- T% }$ v8 \" M9 z3 R包括：基本加工特性、成形所必要的制程参数设计（使用材料、管件壁厚、产品截面几何与最小R角、成形内压、合模力、内压与轴向位移的合理关系及控制方法、成形过程中工件的应力应变、几何形状的测量、管件液压成形的摩擦特性及管件性能的测试方法等）、模具设计（精确控制模具闭合、冲头密封、内压及轴向载荷及成形时间等）、模具制造等。

) v0 X, m4 I2 ^, n" m3 g" w4.4 设备技术
近年来德国已发展快速短行程的压机来提高生产率，另亦有研究快速液压充填装置来降低液压的充填时间，由于管件液压零件形状朝向3D复杂化，其所需成形压力亦随之升高，因此液压设备必须包括以下各次系统的技术及制程间之整合 ：
提供合模力之压机或其它固锁单元油压及水压压力系统， 特别是增压器相关之系统技术侧缸及冲头密封及行程控制(位置或力量控制) 控制技术(制程控制，数据撷取及传感组件整合等)。

  n* T2 I7 N3 A5. 产业发展趋势

! A& M* \' ~2 \2 W: V- ^以目前液压成形技术的应用市场来看，无疑地，汽车业为未来最大的开发市场。液压成形技术最成功的应用应属汽车底盘，其广受欢迎的主因是：高刚性、尺寸精度与稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制程简化、降低成本。因此，管液压成形组件需求戏剧性的快速增加。此一需求将迫使液压成形设备生产者和底盘系统供货商加速开发相关技术。未来北美市场之汽车车体架构可能由液压成型组件取代，其理由包括：

(1)政府法规—企业平均燃料经济(CAFE)：此一法规已让北美的汽车生产厂商大为紧张。在一加仑油花费不到一瓶饮用水的年代，消费者是不愿意放弃牺牲汽车宽敞、性能表现或者安全来节省燃料。然而当CAFE法规与顾客期望相互矛盾时，工程师必须发展更具燃油效率和重量更轻的车辆。
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(2)安全：撞击试验标准越来越多，加上顾客对车辆安全的认知与重视，促使OEM厂商必须在不牺牲燃料效率下改进车体安全。
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(3)车辆的性能表现：在美国公路上的平均限速是每小时68.5英里，欧洲更有许多国家高速公路无速限限制，车辆性能必须跟得上顾客的期望。
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' v& L! L8 J2 w' z. t4 p(4)加速进入市场：过去一辆新车从产品概念到市场推出通常需要4-6年的时间。车辆性能表现、款式和对市场需求的满足点子是早在发展过程刚开始就已经确立。所以这段时间拖得越长，代表观念越容易过时、市场风险越高，不利产品在市场销售。为了保证将来车辆载具的成功，OEM业者须将此一时程缩短百分之50或更多。而管件液压成形技术即是能满足顾客在安全、轻量化及时效要求的关键技术之一。
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3 ]+ G# j$ C  L& }7 }" B: X9 [) K(5)依据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果，在北美制造的轿车中，空心轻体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%，而在中型商用车、大吉普车和小货车的比例还要更高。估计到2004年北美生产的典型车型中将有50%结构体零件采用管件液压成形技术制造。

9 B8 X: H/ P$ U3 `2 s( t(6)Daimler Chrysler预估，2005年管件液压成形零组件将较2000年成长3倍。

4 D0 N( |% M# o# `2 ^(7)Dana公司(汽车零组件国际大厂)预估，2004年管件液压成形零组件将占汽车底盘零组件的50%，为此，Dana将于未来五年内于加州、泰国、巴西、委内瑞拉及阿根廷等国家至少建立起12台以上的液压成形机生产线的能量。
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(8)Global Trade Consulting最新的报告指出，美国汽车用液压成形零组件在1998年产值为7.3亿美元，2000年约达16亿美元，2001年有约达19亿美元，而在未来3年(2002~2004年)内，年平均成长率将可达到20%。