液壓技(jì )術應用(yòng)----液壓成形技(jì )術

因應運輸工(gōng)具(jù)輕量化、高性能(néng)、省能(néng)源之發展趨勢，自1990年代起管件液壓成形 (Tube Hydroforming) 或稱管件内高壓成形(Internal High Pressure Forming) 技(jì )術受到工(gōng)業界及學(xué)術界極大矚目而蓬勃發展，目前已成為(wèi)國(guó)際間汽車(chē)産(chǎn)業主流制造技(jì )術之一，包括：德(dé)國(guó)雙B、VW、AUDI、OPEL，美國(guó)GM、FORD、CHRYSLER，日本TOYOTA、HONDA、NISSAN、SUBARU、MAZDA、MITSUBISHI，韓國(guó)KIA、Hyundai等均已投入生産(chǎn)或試量産(chǎn)，主要應用(yòng)為(wèi)底盤件、車(chē)身結構件與排氣系統零組件，在其它産(chǎn)業應用(yòng)亦不斷擴大中(zhōng)，前景十分(fēn)廣闊。管件液壓成形技(jì )術具(jù)有(yǒu)：減輕重量/節省能(néng)源、産(chǎn)品一體(tǐ)型化、剛性佳、提高産(chǎn)品性能(néng)/精(jīng)度及創新(xīn)性，且在生産(chǎn)過程中(zhōng)可(kě)減少半成品零件數量，減少焊接、機械加工(gōng)與産(chǎn)品組裝(zhuāng)道次等後加工(gōng)處理(lǐ)，有(yǒu)效降低生産(chǎn)成本、縮短加工(gōng)周期等優點。

1. 技(jì )術原理(lǐ)

管件液壓成形技(jì )術，适用(yòng)于異厚異形之中(zhōng)空結構管件，顧名(míng)思義是先将管材置于具(jù)形狀的模具(jù)中(zhōng)，藉由管件内部加入高壓流體(tǐ)(目前主要以水為(wèi)主)，搭配軸向施加壓力補償管料，把管料壓入到模具(jù)腔體(tǐ)内成形。其成形所需之液壓力一般約2000Bar，特殊狀況下甚至高達4000Bar。适用(yòng)材料和應用(yòng)範圍：具(jù)備優良的可(kě)延伸性為(wèi)液壓成形法的關鍵，原則上适用(yòng)于冷間成形加工(gōng)的材料均适用(yòng)于管件液壓成形技(jì )術，目前主要以：碳鋼、特殊鋼、不鏽鋼、鋁合金、銅合金等為(wèi)主。

2. 技(jì )術特點

應用(yòng)管件内高壓技(jì )術可(kě)達到減少結構件零件數目、焊接道次并縮短組配時間，達成減輕重量及降低成本之目标，其優點因産(chǎn)品之不同而有(yǒu)所不同，相較于傳統生産(chǎn)技(jì )術的優勢包括：

1）減輕重量：與車(chē)削、搪孔相比，管件液壓成形之空心軸類可(kě)減輕40%~50%，有(yǒu)些甚至可(kě)達75%；若與沖壓焊接件相比，汽車(chē)上用(yòng)管件液壓成形的空心結構件可(kě)減少20%~30%。

2）減少半成品零件數量：在成形過程中(zhōng)可(kě)一次加工(gōng)出如引擎托架、頂蓋闆架、門框等大型複雜的3D幾何形狀的工(gōng)件。與沖壓焊接件相比，副車(chē)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(jù)費用(yòng)：管件液壓成形件通常僅需要一套模具(jù)，而沖壓焊接件由多(duō)個沖壓件焊接而成，因此需要多(duō)套沖壓模具(jù)。

4）減少後續機械加工(gōng)和組裝(zhuāng)焊接量：以散熱器支架為(wèi)例，焊接點由174個減少到20個，制造道次由13道減少到6道，生産(chǎn)效率提高66%。

5）提高強度、剛性及疲勞強度：成形過程中(zhōng)液體(tǐ)具(jù)冷卻作(zuò)用(yòng)，使工(gōng)件被"冷作(zuò)強化"，獲得比一般沖壓加工(gōng)更高的工(gōng)件強度。以散熱器支架為(wèi)例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。

6）降低生産(chǎn)成本：Schuler Hydroforming公(gōng)司對已應用(yòng)的産(chǎn)品進行分(fēn)析，管件液壓成形件比沖壓焊接件成本平均降低15%~20%，模具(jù)費用(yòng)降低20%~30%。

7）創新(xīn)性：克服傳統制程限制，應用(yòng)于新(xīn)産(chǎn)品設計開發。

3. 國(guó)内外産(chǎn)業應用(yòng)現況

從近10年來的應用(yòng)發展曆程來看，如【圖2】所示，汽車(chē)業無疑地為(wèi)較大之應用(yòng)産(chǎn)業，産(chǎn)品也由儀表闆支架、引擎支架、散熱器支架等擴大至車(chē)架滑軌(Frame Rail)、引擎副支架(Sub Frame)等項目的使用(yòng)；另外，在其它車(chē)輛産(chǎn)業中(zhōng)，機車(chē)之車(chē)架、後臂(Rear Arm)也于2002年正式應用(yòng)在哈雷、Yamaha等越野車(chē)的車(chē)款中(zhōng)，自行車(chē)的車(chē)架、搖臂及上管也有(yǒu)廠商(shāng)應用(yòng)的軌迹。至于水龍頭、閥制品、球形容器、超導加速器、管配件等産(chǎn)品，也應用(yòng)液壓成形技(jì )術來達到其質(zhì)量及消費者需求。以下就液壓成形技(jì )術相關應用(yòng)産(chǎn)品作(zuò)一詳細說明。

在機車(chē)液壓成形零組件上的應用(yòng)廠商(shāng)則屬哈雷及YAMAHA公(gōng)司。在YAMAHA方面，主要将其液壓成形技(jì )術應用(yòng)于2002年的WR250F(四行程之越野車(chē))的搖臂ngarm)方面，以減輕重量并提高剛性。至于在哈雷公(gōng)司的應用(yòng)方面，則是由哈雷産(chǎn)品發展中(zhōng)心(Harley\'s Product Development Centre)将液壓成形技(jì )術應用(yòng)于該2002年的V-Rod車(chē)款之車(chē)架中(zhōng)，以形成無焊接性且具(jù)剛性之結構，該車(chē)架采用(yòng)1.5吋管件在預彎後以高壓成形方式制成複雜的三次元結構。

4. 管件液壓成形技(jì )術研究發展動向 目前的研究重點為(wèi)如何提高液壓成形技(jì )術的競争力，包括：降低資本支出(起始設備投資)、提高生産(chǎn)率及産(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)型液壓成形零件開發等，主要研究發展項目說明如下：

4.1 管材成形性分(fēn)析技(jì )術

主要為(wèi)材料特性基礎數據與實驗方法之建立，包括：鼓脹分(fēn)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(jì )術的應用(yòng)

為(wèi)了降低成本、縮短産(chǎn)品開發時程、提高開發成功率，CAD/CAE對新(xīn)的液壓成形技(jì )術也越來越重要。數值模拟能(néng)準确地反映管件液壓成形過程、預測成形缺陷、顯示工(gōng)件貼模與成形情況、計算出壁厚分(fēn)布。而且可(kě)以方便的調整内壓與軸向位移的搭配關系，研究其對成形缺陷和壁厚分(fēn)布的影響，以獲得較佳的加載曲線(xiàn)。因此管件液壓成形的CAE模拟亦受到各國(guó)研究者和工(gōng)業界的重視。

5. 液壓成産(chǎn)業發展趨勢

以目前液壓成形技(jì )術的應用(yòng)市場來看，無疑地，汽車(chē)業為(wèi)未來較大的開發市場。液壓成形技(jì )術較成功的應用(yòng)應屬汽車(chē)底盤，其廣受歡迎的主因是：高剛性、尺寸精(jīng)度與穩定性高、較為(wèi)耐蝕、工(gōng)件數少、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。此一需求将迫使液壓成形設備生産(chǎn)者和底盤系統供貨商(shāng)加速開發相關技(jì )術。未來北美市場之汽車(chē)車(chē)體(tǐ)架構可(kě)能(néng)由液壓成型組件取代，其理(lǐ)由包括：

(1)政府法規—企業平均燃料經濟(CAFE)：此一法規已讓北美的汽車(chē)生産(chǎn)廠商(shāng)大為(wèi)緊張。在一加侖油花(huā)費不到一瓶飲用(yòng)水的年代，消費者是不願意放棄犧牲汽車(chē)寬敞、性能(néng)表現或者安(ān)全來節省燃料。然而當CAFE法規與顧客期望相互矛盾時，工(gōng)程師必須發展更具(jù)燃油效率和重量更輕的車(chē)輛。

(2)安(ān)全：撞擊試驗标準越來越多(duō)，加上顧客對車(chē)輛安(ān)全的認知與重視，促使OEM廠商(shāng)必須在不犧牲燃料效率下改進車(chē)體(tǐ)安(ān)全。

(3)車(chē)輛的性能(néng)表現：在美國(guó)公(gōng)路上的平均限速是每小(xiǎo)時68.5英裏，歐洲更有(yǒu)許多(duō)國(guó)家高速公(gōng)路無速限限制，車(chē)輛性能(néng)必須跟得上顧客的期望。

(4)加速進入市場：過去一輛新(xīn)車(chē)從産(chǎn)品概念到市場推出通常需要4-6年的時間。車(chē)輛性能(néng)表現、款式和對市場需求的滿足點子是早在發展過程剛開始就已經确立。所以這段時間拖得越長(cháng)，代表觀念越容易過時、市場風險越高，不利産(chǎn)品在市場銷售。為(wèi)了保證将來車(chē)輛載具(jù)的成功，OEM業者須将此一時程縮短百分(fēn)之50或更多(duō)。而管件液壓成形技(jì )術即是能(néng)滿足顧客在安(ān)全、輕量化及時效要求的關鍵技(jì )術之一。

(5)依據美國(guó)鋼鐵研究院汽車(chē)應用(yòng)委員會的調查結果，在北美制造的轎車(chē)中(zhōng)，空心輕體(tǐ)件在轎車(chē)總量的比例已從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)貨車(chē)的比例還要更高。估計到2004年北美生産(chǎn)的典型車(chē)型中(zhōng)将有(yǒu)50%結構體(tǐ)零件采用(yòng)管件液壓成形技(jì )術制造。

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

(7)Dana公(gōng)司(汽車(chē)零組件國(guó)際大廠)預估，2004年管件液壓成形零組件将占汽車(chē)底盤零組件的50%，為(wèi)此，Dana将于未來五年内于加州、泰國(guó)、巴西、委内瑞拉及阿根廷等國(guó)家至少建立起12台以上的液壓成形機生産(chǎn)線(xiàn)的能(néng)量。

(8)Global Trade Consulting較新(xīn)的報告指出，美國(guó)汽車(chē)用(yòng)液壓成形零組件在1998年産(chǎn)值為(wèi)7.3億美元，2000年約達16億美元，2001年有(yǒu)約達19億美元，而在未來3年(2002~2004年)内，年平均成長(cháng)率将可(kě)達到20%。