副車架內高壓成形技術概述

發布日期：2021-06-02 作者：點擊：

1990年代起管件液壓成形 (Tube Hydroforming) 或稱管件內高壓成形(Internal High Pressure Forming) 技術受到工業界及學術界極大矚目而蓬勃發展，目前已成為國際間汽車產業主流制造技術之一，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等均已投入生產或試量產，主要應用為底盤件、車身結構件與排氣系統零組件，在其它產業應用亦不斷擴大中，前景十分廣闊。管件液壓成形技術具有：減輕重量/節省能源、產品一體型化、剛性佳、提高產品性能/精度及創新性，且在生產過程中可減少半成品零件數量，減少焊接、機械加工與產品組裝道次等后加工處理，有效降低生產成本、縮短加工周期等優點。

一. 技術原理

管件液(ye)(ye)壓(ya)成形(xing)(xing)(xing)技術，適(shi)(shi)用(yong)于(yu)異(yi)厚異(yi)形(xing)(xing)(xing)之(zhi)中空結構管件，顧名思義是先將管材置(zhi)于(yu)具(ju)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)的(de)模具(ju)中，藉由管件內部加入(ru)高壓(ya)流體(目(mu)前主(zhu)要(yao)以水為(wei)(wei)主(zhu))，搭配軸向施加壓(ya)力補償管料(liao)，把管料(liao)壓(ya)入(ru)到模具(ju)腔體內成形(xing)(xing)(xing)。其成形(xing)(xing)(xing)所需之(zhi)液(ye)(ye)壓(ya)力一般約2000Bar，特殊(shu)狀(zhuang)況下甚至高達4000Bar。適(shi)(shi)用(yong)材料(liao)和應(ying)用(yong)范圍：具(ju)備優良的(de)可延(yan)伸性(xing)為(wei)(wei)液(ye)(ye)壓(ya)成形(xing)(xing)(xing)法的(de)關鍵，原則上適(shi)(shi)用(yong)于(yu)冷間(jian)成形(xing)(xing)(xing)加工(gong)的(de)材料(liao)均適(shi)(shi)用(yong)于(yu)管件液(ye)(ye)壓(ya)成形(xing)(xing)(xing)技術，目(mu)前主(zhu)要(yao)以：碳鋼(gang)、特殊(shu)鋼(gang)、不銹鋼(gang)、鋁合金、銅合金等為(wei)(wei)主(zhu)。

二. 技術(shu)特(te)點

應(ying)用管件內高壓技(ji)(ji)術可達到減(jian)少結構(gou)件零件數目(mu)(mu)、焊接道次(ci)并縮(suo)短組配時間，達成減(jian)輕重量及降(jiang)低成本之(zhi)目(mu)(mu)標，其優點因產品之(zhi)不同(tong)而有所不同(tong)，相較于傳統生產技(ji)(ji)術的(de)優勢包括(kuo)：

1.減(jian)(jian)輕重量(liang)：與車削(xue)、搪孔(kong)相比，管件(jian)液(ye)(ye)壓成形(xing)之空(kong)心軸類可減(jian)(jian)輕40%~50%，有(you)些(xie)甚至(zhi)可達75%；若與沖壓焊接件(jian)相比，汽車上用管件(jian)液(ye)(ye)壓成形(xing)的空(kong)心結構件(jian)可減(jian)(jian)少20%~30%。

2.減(jian)少(shao)半成品(pin)零件數量：在成形(xing)過程中可(ke)一次加(jia)工出如引擎托架、頂蓋板架、門框等(deng)大型(xing)復雜的3D幾何(he)形(xing)狀的工件。與沖壓焊(han)接件相(xiang)比，副車(che)架零件由6個減(jian)少(shao)到(dao)1個；散熱器(qi)支(zhi)架零件由17個減(jian)少(shao)到(dao)10個。

3.降低模(mo)具費(fei)用：管(guan)件(jian)(jian)液壓(ya)成(cheng)形件(jian)(jian)通常僅需(xu)要一套模(mo)具，而沖壓(ya)焊接(jie)件(jian)(jian)由多(duo)個(ge)沖壓(ya)件(jian)(jian)焊接(jie)而成(cheng)，因此需(xu)要多(duo)套沖壓(ya)模(mo)具。

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

5.提(ti)高強度、剛性及疲勞強度：成形過程中(zhong)液體具冷卻作用(yong)，使工件被"冷作強化(hua)"，獲得比一般沖壓(ya)加工更高的(de)工件強度。以散熱(re)器支(zhi)架為例，垂直方向提(ti)高39%；水平方向提(ti)高50%。

6.降(jiang)(jiang)低(di)生產成本：Schuler Hydroforming公司(si)對(dui)已(yi)應(ying)用的(de)產品(pin)進行分析，管(guan)件液壓成形件比沖壓焊接件成本平均降(jiang)(jiang)低(di)15%~20%，模具費用降(jiang)(jiang)低(di)20%~30%。

7. 創新(xin)(xin)性：克服傳統制程限制，應用于新(xin)(xin)產品設計開發。

三. 國內外(wai)產業(ye)應(ying)用現況

從近(jin)10年來(lai)(lai)的(de)(de)應(ying)用發展(zhan)歷程來(lai)(lai)看(kan)，汽(qi)車(che)(che)(che)業無疑地為最大之(zhi)應(ying)用產(chan)業，產(chan)品也(ye)(ye)由(you)儀表板支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)(jia)、引(yin)擎(qing)支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)(jia)、散熱器支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)(jia)等(deng)(deng)擴大至(zhi)車(che)(che)(che)架(jia)(jia)滑軌(gui)(gui)(Frame Rail)、引(yin)擎(qing)副支(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)(jia)(Sub Frame)等(deng)(deng)項(xiang)目的(de)(de)使(shi)用；另外(wai)，在(zai)其(qi)它車(che)(che)(che)輛產(chan)業中，機車(che)(che)(che)之(zhi)車(che)(che)(che)架(jia)(jia)、后臂(Rear Arm)也(ye)(ye)于2002年正式應(ying)用在(zai)哈雷、Yamaha等(deng)(deng)越野(ye)車(che)(che)(che)的(de)(de)車(che)(che)(che)款中，自行車(che)(che)(che)的(de)(de)車(che)(che)(che)架(jia)(jia)、搖(yao)臂及(ji)上管(guan)也(ye)(ye)有(you)廠商應(ying)用的(de)(de)軌(gui)(gui)跡。至(zhi)于水龍頭(tou)、閥制品、球形(xing)容器、超導(dao)加速(su)器、管(guan)配件等(deng)(deng)產(chan)品，也(ye)(ye)應(ying)用液(ye)壓成形(xing)技術(shu)來(lai)(lai)達到其(qi)質(zhi)量及(ji)消費者需求。以下(xia)就液(ye)壓成形(xing)技術(shu)相關應(ying)用產(chan)品作一(yi)詳(xiang)細(xi)說明。

在機車液壓(ya)成(cheng)形(xing)零組件(jian)上的應用(yong)(yong)廠商則屬哈(ha)雷(lei)及(ji)YAMAHA公司(si)。在YAMAHA方(fang)面(mian)，主要將其液壓(ya)成(cheng)形(xing)技術應用(yong)(yong)于2002年(nian)的WR250F(四行程之(zhi)(zhi)越(yue)野車)的搖(yao)臂ngarm)方(fang)面(mian)，以減輕重量并提高剛性。至于在哈(ha)雷(lei)公司(si)的應用(yong)(yong)方(fang)面(mian)，則是由(you)哈(ha)雷(lei)產品(pin)發展中(zhong)心(Harley's Product Development Centre)將液壓(ya)成(cheng)形(xing)技術應用(yong)(yong)于該(gai)2002年(nian)的V-Rod車款之(zhi)(zhi)車架中(zhong)，以形(xing)成(cheng)無(wu)焊接性且具剛性之(zhi)(zhi)結構，該(gai)車架采用(yong)(yong)1.5吋(cun)管(guan)件(jian)在預彎后以高壓(ya)成(cheng)形(xing)方(fang)式制成(cheng)復雜(za)的三次元結構。

四(si). 管(guan)件液(ye)壓成(cheng)形(xing)技術(shu)研究發展動向

目前的研(yan)究(jiu)重點為如何提(ti)高液壓成形技術的競(jing)爭力，包括(kuo)：降(jiang)低資本支出(起始(shi)設備投資)、提(ti)高生產率及產量、提(ti)高材料使用率、制程(cheng)合理化、不良率降(jiang)低以及一體型液壓成形零件開發等，主(zhu)要研(yan)究(jiu)發展如下(xia)：

1 管(guan)材(cai)成形性(xing)分析技(ji)術

主要為材料特性基礎數據(ju)與實驗方法之建立，包(bao)括(kuo)：鼓脹分析（Bulging test）、流動應力（K、n value）、管件(jian)成形極限圖(FLD)等(deng)。

2 管(guan)件液壓(ya)成形CAD/CAE技(ji)術(shu)的應(ying)用

為了降低成(cheng)(cheng)(cheng)本、縮短產品開發時程、提高開發成(cheng)(cheng)(cheng)功率，CAD/CAE對新的液壓成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)技術也越(yue)來越(yue)重要。數值模(mo)擬能準確地反映管件(jian)(jian)液壓成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)過程、預(yu)測(ce)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)缺陷(xian)、顯示(shi)工(gong)件(jian)(jian)貼模(mo)與(yu)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)情況、計算出壁厚分(fen)布(bu)(bu)。而且(qie)可以方便的調整內壓與(yu)軸向(xiang)位移的搭配(pei)關系，研究(jiu)其對成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)缺陷(xian)和(he)壁厚分(fen)布(bu)(bu)的影(ying)響(xiang)，以獲得最佳的加載曲線。因此管件(jian)(jian)液壓成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)的CAE模(mo)擬亦(yi)受到各國研究(jiu)者(zhe)和(he)工(gong)業界的重視。

五. 液壓成形產業(ye)發展趨(qu)勢(shi)

以目(mu)前(qian)液壓(ya)(ya)成形技術的(de)應(ying)用市(shi)場來看，無(wu)疑地(di)，汽(qi)車(che)業為(wei)未來最大(da)的(de)開(kai)發(fa)市(shi)場。液壓(ya)(ya)成形技術最成功(gong)的(de)應(ying)用應(ying)屬汽(qi)車(che)底盤，其(qi)廣(guang)受歡迎(ying)的(de)主因是：高剛性(xing)、尺(chi)寸精(jing)度與穩定性(xing)高、較(jiao)為(wei)耐蝕(shi)、工(gong)件數少、制(zhi)程簡化、降低成本。因此，管液壓(ya)(ya)成形組件需求戲劇性(xing)的(de)快(kuai)速(su)增加(jia)。此一需求將迫(po)使液壓(ya)(ya)成形設備(bei)生產者和底盤系統供貨商加(jia)速(su)開(kai)發(fa)相關技術。未來北美市(shi)場之(zhi)汽(qi)車(che)車(che)體架構(gou)可能由液壓(ya)(ya)成型組件取代，其(qi)理由包(bao)括：

(1)政府(fu)法(fa)規(gui)—企業(ye)平均(jun)燃(ran)(ran)料經濟(ji)(CAFE)：此一(yi)法(fa)規(gui)已讓北美的(de)汽車(che)生產廠商(shang)大為緊張。在一(yi)加侖油(you)花(hua)費不到一(yi)瓶飲用(yong)水的(de)年代(dai)，消費者是不愿意放棄犧牲汽車(che)寬敞(chang)、性(xing)能表現(xian)或者安(an)全來節省燃(ran)(ran)料。然而(er)當(dang)CAFE法(fa)規(gui)與顧客(ke)期望相互矛盾時(shi)，工程師(shi)必須發展更具燃(ran)(ran)油(you)效率(lv)和重量(liang)更輕的(de)車(che)輛。

(2)安(an)(an)(an)全(quan)：撞(zhuang)擊試驗標準越來越多(duo)，加上顧客對車輛安(an)(an)(an)全(quan)的認知(zhi)與重視，促使OEM廠商必須在不犧牲(sheng)燃料效率(lv)下改進(jin)車體安(an)(an)(an)全(quan)。

(3)車輛(liang)的(de)性能表現：在美國公路上的(de)平均限(xian)速是(shi)每小時68.5英里，歐洲(zhou)更有(you)許多國家高速公路無速限(xian)限(xian)制，車輛(liang)性能必須跟得上顧客的(de)期(qi)望。

(4)加速進(jin)入(ru)市(shi)場(chang)(chang)(chang)：過(guo)去一輛新車從產品(pin)概念(nian)到(dao)市(shi)場(chang)(chang)(chang)推出通(tong)常需要4-6年的時間。車輛性能表現(xian)、款(kuan)式和(he)對市(shi)場(chang)(chang)(chang)需求的滿足點子是早在(zai)發展過(guo)程(cheng)剛開始就已經確立。所以這段時間拖得越長(chang)，代表觀念(nian)越容易過(guo)時、市(shi)場(chang)(chang)(chang)風(feng)險越高，不利產品(pin)在(zai)市(shi)場(chang)(chang)(chang)銷售(shou)。為了保證將來車輛載(zai)具的成功，OEM業者(zhe)須將此(ci)一時程(cheng)縮(suo)短(duan)百分(fen)之50或(huo)更多。而管件液壓(ya)成形技術即是能滿足顧客在(zai)安全、輕量化及時效要求的關鍵技術之一。

(5)依據美(mei)國(guo)鋼鐵研究院汽(qi)車(che)應(ying)用委員會的(de)(de)調(diao)查結果，在北(bei)美(mei)制造的(de)(de)轎車(che)中，空(kong)心輕(qing)體(ti)件(jian)在轎車(che)總量的(de)(de)比例已從15年前的(de)(de)10%上升到16%，而在中型商用車(che)、大(da)吉普車(che)和小貨車(che)的(de)(de)比例還要更高。估計到2004年北(bei)美(mei)生產的(de)(de)典(dian)型車(che)型中將有50%結構體(ti)零件(jian)采用管件(jian)液壓成形技(ji)術制造。

(6)Daimler Chrysler預估(gu)，2005年管件液壓(ya)成(cheng)形(xing)零組(zu)件將較2000年成(cheng)長(chang)3倍。

(7)Dana公司(汽(qi)車零組(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)國際大(da)廠)預估，2004年(nian)管件(jian)(jian)(jian)液壓成形零組(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)將占汽(qi)車底盤零組(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)的50%，為此，Dana將于(yu)未來五年(nian)內(nei)(nei)于(yu)加州、泰國、巴(ba)西、委內(nei)(nei)瑞拉(la)及(ji)阿根廷等(deng)國家至少建立起12臺以上的液壓成形機生產線的能量。

(8)Global Trade Consulting最(zui)新的報告指出，美(mei)國汽(qi)車(che)用液壓成形零組(zu)件(jian)在1998年(nian)產值為7.3億美(mei)元，2000年(nian)約達(da)16億美(mei)元，2001年(nian)有約達(da)19億美(mei)元，而在未(wei)來3年(nian)(2002~2004年(nian))內，年(nian)平均成長率將(jiang)可達(da)到20%。

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