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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。 
1. 技术原理 
  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。 
2. 技术特点 
  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: 
  1.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%。 
  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。 
  4.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%。 
  6.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%。 
  7. 创新性:克服传统制程限制,应用于新产品设计开发。 
3. 国内外产业应用现况 从近10年来的应用发展历程来看,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。 汽车业 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: A:A,B pillar B: IP beam C: Radiator support D:Engine cradle E:Roof rails F:Frame rails 汽车次系统名称 应用产品 排气系统 (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。 底盘系统 (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。 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。 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)。 3.2 机车业 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(Harley’s 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。 3.3 自行车业 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。 3.4 其它产业 在其它产业的应用代表:THF零件在车辆产业以外之应用例波纹管(bellows),真空系统吸震组件,阀密封组件 ,水龙头,各式把手,机车消音器,阀体外壳 。
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