管件液壓成形技術應用現況與發展趨勢

 因應運輸工具輕量化、高性能、省能源之發展趨勢，自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。本文將針對管件液壓成形的加工原理、優點、國內外產業應用現況、技術發展動向及產業發展趨勢進行探討。 

1. 技術原理 

   管件液壓成形技術，適用于異厚異形之中空結構管件，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：具備優良的可延伸性為液壓成形法的關鍵，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，目前主要以：碳鋼、特殊鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等為主。 

2. 技術特點 

   應用管件內高壓技術可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標，其優點因產品之不同而有所不同，相較于傳統生產技術的優勢包括： 

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構件可減少20%~30%。 

2.減少半成品零件數量：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.降低生產成本：Schuler Hydroforming公司對已應用的產品進行分析，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. 創新性：克服傳統制程限制，應用于新產品設計開發。 

3. 國內外產業應用現況 

   從近10年來的應用發展歷程來看，汽車業無疑地為最大之應用產業，產品也由儀表板支架、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，在其它車輛產業中，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、管配件等產品，也應用液壓成形技術來達到其質量及消費者需求。以下就液壓成形技術相關應用產品作一詳細說明。 

汽車業 

   在汽車產業利用THF技術是近年來汽車制造技術重要的里程碑之一，一般而言THF技術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 

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

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

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

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

   以地區別來看，目前德、美、日、韓汽車大廠均已導入該項技術，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；而最大的汽車應用廠商則屬美國GM公司，根據其2002年資料統計，采用液壓成形技術可以減少每年約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 

   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，則是由哈雷產品發展中心(Harley’s Product Development Centre)將液壓成形技術應用于該2002年的V-Rod車款之車架中，以形成無焊接性且具剛性之結構，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構。 

3.3 自行車業 

   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，目前國際間領導品牌均有此方向之研究開發。 

3.4 其它產業 

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

4. 管件液壓成形技術研究發展動向 

   目前的研究重點為如何提高液壓成形技術的競爭力，包括：降低資本支出(起始設備投資)、提高生產率及產量、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等，主要研究發展項目說明如下： 

4.1 管材成形性分析技術 
   主要為材料特性基礎數據與實驗方法之建立，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技術的應用 
   為了降低成本、縮短產品開發時程、提高開發成功率，CAD/CAE對新的液壓成形技術也越來越重要。數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。而且可以方便的調整內壓與軸向位移的搭配關系，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界的重視。 

4.3 制程與模具技術 
   包括：基本加工特性、成形所必要的制程參數設計（使用材料、管件壁厚、產品截面幾何與最小R角、成形內壓、合模力、內壓與軸向位移的合理關系及控制方法、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）、模具設計（精確控制模具閉合、沖頭密封、內壓及軸向載荷及成形時間等）、模具制造等。 

4.4 設備技術 
   近年來德國已發展快速短行程的壓機來提高生產率，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，因此液壓設備必須包括以下各次系統的技術及制程間之整合 ： 
提供合模力之壓機或其它固鎖單元油壓及水壓壓力系統， 特別是增壓器相關之系統技術側缸及沖頭密封及行程控制(位置或力量控制) 控制技術(制程控制，數據擷取及傳感組件整合等)。 

5. 產業發展趨勢 

   以目前液壓成形技術的應用市場來看，無疑地，汽車業為未來最大的開發市場。液壓成形技術最成功的應用應屬汽車底盤，其廣受歡迎的主因是：高剛性、尺寸精度與穩定性高、較為耐蝕、工件數少、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。此一需求將迫使液壓成形設備生產者和底盤系統供貨商加速開發相關技術。未來北美市場之汽車車體架構可能由液壓成型組件取代，其理由包括： 

(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生產廠商大為緊張。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、性能表現或者安全來節省燃料。然而當CAFE法規與顧客期望相互矛盾時，工程師必須發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：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：過去一輛新車從產品概念到市場推出通常需要4-6年的時間。車輛性能表現、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，不利產品在市場銷售。為了保證將來車輛載具的成功，OEM業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即是能滿足顧客在安全、輕量化及時效要求的關鍵技術之一。 

(5)依據美國鋼鐵研究院汽車應用委員會的調查結果，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年北美生產的典型車型中將有50%結構體零件采用管件液壓成形技術制造。 

(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將于未來五年內于加州、泰國、巴西、委內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，年平均成長率將可達到20%。