液压技(jì )术应用(yòng)----液压成形技(jì )术

因应运输工(gōng)具(jù)轻量化、高性能(néng)、省能(néng)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(jì )术受到工(gōng)业界及學(xué)术界极大瞩目而蓬勃发展，目前已成為(wèi)國(guó)际间汽車(chē)产(chǎn)业主流制造技(jì )术之一，包括：德(dé)國(guó)双B、VW、AUDI、OPEL，美國(guó)GM、FORD、CHRYSLER，日本TOYOTA、HONDA、NISSAN、SUBARU、MAZDA、MITSUBISHI，韩國(guó)KIA、Hyundai等均已投入生产(chǎn)或试量产(chǎn)，主要应用(yòng)為(wèi)底盘件、車(chē)身结构件与排气系统零组件，在其它产(chǎn)业应用(yòng)亦不断扩大中(zhōng)，前景十分(fēn)广阔。管件液压成形技(jì )术具(jù)有(yǒu)：减轻重量/节省能(néng)源、产(chǎn)品一體(tǐ)型化、刚性佳、提高产(chǎn)品性能(néng)/精(jīng)度及创新(xīn)性，且在生产(chǎn)过程中(zhōng)可(kě)减少半成品零件数量，减少焊接、机械加工(gōng)与产(chǎn)品组装(zhuāng)道次等后加工(gōng)处理(lǐ)，有(yǒu)效降低生产(chǎn)成本、缩短加工(gōng)周期等优点。

1. 技(jì )术原理(lǐ)

管件液压成形技(jì )术，适用(yòng)于异厚异形之中(zhōng)空结构管件，顾名(míng)思义是先将管材置于具(jù)形状的模具(jù)中(zhōng)，藉由管件内部加入高压流體(tǐ)(目前主要以水為(wèi)主)，搭配轴向施加压力补偿管料，把管料压入到模具(jù)腔體(tǐ)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(yòng)材料和应用(yòng)范围：具(jù)备优良的可(kě)延伸性為(wèi)液压成形法的关键，原则上适用(yòng)于冷间成形加工(gōng)的材料均适用(yòng)于管件液压成形技(jì )术，目前主要以：碳钢、特殊钢、不锈钢、铝合金、铜合金等為(wèi)主。

2. 技(jì )术特点

应用(yòng)管件内高压技(jì )术可(kě)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(chǎn)品之不同而有(yǒu)所不同，相较于传统生产(chǎn)技(jì )术的优势包括：

1）减轻重量：与車(chē)削、搪孔相比，管件液压成形之空心轴类可(kě)减轻40%~50%，有(yǒu)些甚至可(kě)达75%；若与冲压焊接件相比，汽車(chē)上用(yòng)管件液压成形的空心结构件可(kě)减少20%~30%。

2）减少半成品零件数量：在成形过程中(zhōng)可(kě)一次加工(gōng)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(gōng)件。与冲压焊接件相比，副車(chē)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(jù)费用(yòng)：管件液压成形件通常仅需要一套模具(jù)，而冲压焊接件由多(duō)个冲压件焊接而成，因此需要多(duō)套冲压模具(jù)。

4）减少后续机械加工(gōng)和组装(zhuāng)焊接量：以散热器支架為(wèi)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(chǎn)效率提高66%。

5）提高强度、刚性及疲劳强度：成形过程中(zhōng)液體(tǐ)具(jù)冷却作(zuò)用(yòng)，使工(gōng)件被"冷作(zuò)强化"，获得比一般冲压加工(gōng)更高的工(gōng)件强度。以散热器支架為(wèi)例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。

6）降低生产(chǎn)成本：Schuler Hydroforming公(gōng)司对已应用(yòng)的产(chǎn)品进行分(fēn)析，管件液压成形件比冲压焊接件成本平均降低15%~20%，模具(jù)费用(yòng)降低20%~30%。

7）创新(xīn)性：克服传统制程限制，应用(yòng)于新(xīn)产(chǎn)品设计开发。

3. 國(guó)内外产(chǎn)业应用(yòng)现况

从近10年来的应用(yòng)发展历程来看，如【图2】所示，汽車(chē)业无疑地為(wèi)较大之应用(yòng)产(chǎn)业，产(chǎn)品也由仪表板支架、引擎支架、散热器支架等扩大至車(chē)架滑轨(Frame Rail)、引擎副支架(Sub Frame)等项目的使用(yòng)；另外，在其它車(chē)辆产(chǎn)业中(zhōng)，机車(chē)之車(chē)架、后臂(Rear Arm)也于2002年正式应用(yòng)在哈雷、Yamaha等越野車(chē)的車(chē)款中(zhōng)，自行車(chē)的車(chē)架、摇臂及上管也有(yǒu)厂商(shāng)应用(yòng)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(chǎn)品，也应用(yòng)液压成形技(jì )术来达到其质(zhì)量及消费者需求。以下就液压成形技(jì )术相关应用(yòng)产(chǎn)品作(zuò)一详细说明。

在机車(chē)液压成形零组件上的应用(yòng)厂商(shāng)则属哈雷及YAMAHA公(gōng)司。在YAMAHA方面，主要将其液压成形技(jì )术应用(yòng)于2002年的WR250F(四行程之越野車(chē))的摇臂ngarm)方面，以减轻重量并提高刚性。至于在哈雷公(gōng)司的应用(yòng)方面，则是由哈雷产(chǎn)品发展中(zhōng)心(Harley\'s Product Development Centre)将液压成形技(jì )术应用(yòng)于该2002年的V-Rod車(chē)款之車(chē)架中(zhōng)，以形成无焊接性且具(jù)刚性之结构，该車(chē)架采用(yòng)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。

4. 管件液压成形技(jì )术研究发展动向 目前的研究重点為(wèi)如何提高液压成形技(jì )术的竞争力，包括：降低资本支出(起始设备投资)、提高生产(chǎn)率及产(chǎn)量、提高材料使用(yòng)率、制程合理(lǐ)化、不良率降低以及一體(tǐ)型液压成形零件开发等，主要研究发展项目说明如下：

4.1 管材成形性分(fēn)析技(jì )术

主要為(wèi)材料特性基础数据与实验方法之建立，包括：鼓胀分(fēn)析（Bulging test）、流动应力（K、n value）、管件成形极限图(FLD)等。

4.2 管件液压成形CAD/CAE技(jì )术的应用(yòng)

為(wèi)了降低成本、缩短产(chǎn)品开发时程、提高开发成功率，CAD/CAE对新(xīn)的液压成形技(jì )术也越来越重要。数值模拟能(néng)准确地反映管件液压成形过程、预测成形缺陷、显示工(gōng)件贴模与成形情况、计算出壁厚分(fēn)布。而且可(kě)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(fēn)布的影响，以获得较佳的加载曲線(xiàn)。因此管件液压成形的CAE模拟亦受到各國(guó)研究者和工(gōng)业界的重视。

5. 液压成产(chǎn)业发展趋势

以目前液压成形技(jì )术的应用(yòng)市场来看，无疑地，汽車(chē)业為(wèi)未来较大的开发市场。液压成形技(jì )术较成功的应用(yòng)应属汽車(chē)底盘，其广受欢迎的主因是：高刚性、尺寸精(jīng)度与稳定性高、较為(wèi)耐蚀、工(gōng)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(chǎn)者和底盘系统供货商(shāng)加速开发相关技(jì )术。未来北美市场之汽車(chē)車(chē)體(tǐ)架构可(kě)能(néng)由液压成型组件取代，其理(lǐ)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車(chē)生产(chǎn)厂商(shāng)大為(wèi)紧张。在一加仑油花(huā)费不到一瓶饮用(yòng)水的年代，消费者是不愿意放弃牺牲汽車(chē)宽敞、性能(néng)表现或者安(ān)全来节省燃料。然而当CAFE法规与顾客期望相互矛盾时，工(gōng)程师必须发展更具(jù)燃油效率和重量更轻的車(chē)辆。

(2)安(ān)全：撞击试验标准越来越多(duō)，加上顾客对車(chē)辆安(ān)全的认知与重视，促使OEM厂商(shāng)必须在不牺牲燃料效率下改进車(chē)體(tǐ)安(ān)全。

(3)車(chē)辆的性能(néng)表现：在美國(guó)公(gōng)路上的平均限速是每小(xiǎo)时68.5英里，欧洲更有(yǒu)许多(duō)國(guó)家高速公(gōng)路无速限限制，車(chē)辆性能(néng)必须跟得上顾客的期望。

(4)加速进入市场：过去一辆新(xīn)車(chē)从产(chǎn)品概念到市场推出通常需要4-6年的时间。車(chē)辆性能(néng)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長(cháng)，代表观念越容易过时、市场风险越高，不利产(chǎn)品在市场销售。為(wèi)了保证将来車(chē)辆载具(jù)的成功，OEM业者须将此一时程缩短百分(fēn)之50或更多(duō)。而管件液压成形技(jì )术即是能(néng)满足顾客在安(ān)全、轻量化及时效要求的关键技(jì )术之一。

(5)依据美國(guó)钢铁研究院汽車(chē)应用(yòng)委员会的调查结果，在北美制造的轿車(chē)中(zhōng)，空心轻體(tǐ)件在轿車(chē)总量的比例已从15年前的10%上升到16%，而在中(zhōng)型商(shāng)用(yòng)車(chē)、大吉普車(chē)和小(xiǎo)货車(chē)的比例还要更高。估计到2004年北美生产(chǎn)的典型車(chē)型中(zhōng)将有(yǒu)50%结构體(tǐ)零件采用(yòng)管件液压成形技(jì )术制造。

(6)Daimler Chrysler预估，2005年管件液压成形零组件将较2000年成長(cháng)3倍。

(7)Dana公(gōng)司(汽車(chē)零组件國(guó)际大厂)预估，2004年管件液压成形零组件将占汽車(chē)底盘零组件的50%，為(wèi)此，Dana将于未来五年内于加州、泰國(guó)、巴西、委内瑞拉及阿根廷等國(guó)家至少建立起12台以上的液压成形机生产(chǎn)線(xiàn)的能(néng)量。

(8)Global Trade Consulting较新(xīn)的报告指出，美國(guó)汽車(chē)用(yòng)液压成形零组件在1998年产(chǎn)值為(wèi)7.3亿美元，2000年约达16亿美元，2001年有(yǒu)约达19亿美元，而在未来3年(2002~2004年)内，年平均成長(cháng)率将可(kě)达到20%。