副車架內(nèi)高壓成形技術(shù)概述

發(fā)布日期：2021-06-02 作者：點(diǎn)擊：

1990年代起管件液壓成形 (Tube Hydroforming) 或稱管件內(nèi)高壓成形(Internal High Pressure Forming) 技術(shù)受到工業(yè)界及學(xué)術(shù)界極大矚目而蓬勃發(fā)展，目前已成為國際間汽車產(chǎn)業(yè)主流制造技術(shù)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(chǎn)或試量產(chǎn)，主要應(yīng)用為底盤件、車身結(jié)構(gòu)件與排氣系統(tǒng)零組件，在其它產(chǎn)業(yè)應(yīng)用亦不斷擴(kuò)大中，前景十分廣闊。管件液壓成形技術(shù)具有：減輕重量/節(jié)省能源、產(chǎn)品一體型化、剛性佳、提高產(chǎn)品性能/精度及創(chuàng)新性，且在生產(chǎn)過程中可減少半成品零件數(shù)量，減少焊接、機(jī)械加工與產(chǎn)品組裝道次等后加工處理，有效降低生產(chǎn)成本、縮短加工周期等優(yōu)點(diǎn)。

一. 技術(shù)原理

管件液壓成形技術(shù)，適用于異厚異形之中空結(jié)構(gòu)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(nèi)部加入高壓流體(目前主要以水為主)，搭配軸向施加壓力補(bǔ)償管料，把管料壓入到模具腔體內(nèi)成形。其成形所需之液壓力一般約2000Bar，特殊狀況下甚至高達(dá)4000Bar。適用材料和應(yīng)用范圍：具備優(yōu)良的可延伸性為液壓成形法的關(guān)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(shù)，目前主要以：碳鋼、特殊鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等為主。

二. 技術(shù)特點(diǎn)

應(yīng)用管件內(nèi)高壓技術(shù)可達(dá)到減少結(jié)構(gòu)件零件數(shù)目、焊接道次并縮短組配時(shí)間，達(dá)成減輕重量及降低成本之目標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)因產(chǎn)品之不同而有所不同，相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(dá)75%；若與沖壓焊接件相比，汽車上用管件液壓成形的空心結(jié)構(gòu)件可減少20%~30%。

2.減少半成品零件數(shù)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(fù)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(gè)減少到1個(gè)；散熱器支架零件由17個(gè)減少到10個(gè)。

3.降低模具費(fèi)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(gè)沖壓件焊接而成，因此需要多套沖壓模具。

4.減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量：以散熱器支架為例，焊接點(diǎn)由174個(gè)減少到20個(gè)，制造道次由13道減少到6道，生產(chǎn)效率提高66%。

5.提高強(qiáng)度、剛性及疲勞強(qiáng)度：成形過程中液體具冷卻作用，使工件被"冷作強(qiáng)化"，獲得比一般沖壓加工更高的工件強(qiáng)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(chǎn)成本：Schuler Hydroforming公司對(duì)已應(yīng)用的產(chǎn)品進(jìn)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(fèi)用降低20%~30%。

7. 創(chuàng)新性：克服傳統(tǒng)制程限制，應(yīng)用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)。

三. 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)況

從近10年來的應(yīng)用發(fā)展歷程來看，汽車業(yè)無疑地為最大之應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品也由儀表板支架、引擎支架、散熱器支架等擴(kuò)大至車架滑軌(Frame Rail)、引擎副支架(Sub Frame)等項(xiàng)目的使用；另外，在其它車輛產(chǎn)業(yè)中，機(jī)車之車架、后臂(Rear Arm)也于2002年正式應(yīng)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(yīng)用的軌跡。至于水龍頭、閥制品、球形容器、超導(dǎo)加速器、管配件等產(chǎn)品，也應(yīng)用液壓成形技術(shù)來達(dá)到其質(zhì)量及消費(fèi)者需求。以下就液壓成形技術(shù)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品作一詳細(xì)說明。

在機(jī)車液壓成形零組件上的應(yīng)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(shù)應(yīng)用于2002年的WR250F(四行程之越野車)的搖臂ngarm)方面，以減輕重量并提高剛性。至于在哈雷公司的應(yīng)用方面，則是由哈雷產(chǎn)品發(fā)展中心(Harley's Product Development Centre)將液壓成形技術(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，該車架采用1.5吋管件在預(yù)彎后以高壓成形方式制成復(fù)雜的三次元結(jié)構(gòu)。

四. 管件液壓成形技術(shù)研究發(fā)展動(dòng)向

目前的研究重點(diǎn)為如何提高液壓成形技術(shù)的競(jìng)爭力，包括：降低資本支出(起始設(shè)備投資)、提高生產(chǎn)率及產(chǎn)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(fā)等，主要研究發(fā)展如下：

1 管材成形性分析技術(shù)

主要為材料特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)方法之建立，包括：鼓脹分析（Bulging test）、流動(dòng)應(yīng)力（K、n value）、管件成形極限圖(FLD)等。

2 管件液壓成形CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

為了降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)程、提高開發(fā)成功率，CAD/CAE對(duì)新的液壓成形技術(shù)也越來越重要。數(shù)值模擬能準(zhǔn)確地反映管件液壓成形過程、預(yù)測(cè)成形缺陷、顯示工件貼模與成形情況、計(jì)算出壁厚分布。而且可以方便的調(diào)整內(nèi)壓與軸向位移的搭配關(guān)系，研究其對(duì)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(yè)界的重視。

五. 液壓成形產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

以目前液壓成形技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)來看，無疑地，汽車業(yè)為未來最大的開發(fā)市場(chǎng)。液壓成形技術(shù)最成功的應(yīng)用應(yīng)屬汽車底盤，其廣受歡迎的主因是：高剛性、尺寸精度與穩(wěn)定性高、較為耐蝕、工件數(shù)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(shè)備生產(chǎn)者和底盤系統(tǒng)供貨商加速開發(fā)相關(guān)技術(shù)。未來北美市場(chǎng)之汽車車體架構(gòu)可能由液壓成型組件取代，其理由包括：

(1)政府法規(guī)—企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)(CAFE)：此一法規(guī)已讓北美的汽車生產(chǎn)廠商大為緊張。在一加侖油花費(fèi)不到一瓶飲用水的年代，消費(fèi)者是不愿意放棄犧牲汽車寬敞、性能表現(xiàn)或者安全來節(jié)省燃料。然而當(dāng)CAFE法規(guī)與顧客期望相互矛盾時(shí)，工程師必須發(fā)展更具燃油效率和重量更輕的車輛。

(2)安全：撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)越來越多，加上顧客對(duì)車輛安全的認(rèn)知與重視，促使OEM廠商必須在不犧牲燃料效率下改進(jìn)車體安全。

(3)車輛的性能表現(xiàn)：在美國公路上的平均限速是每小時(shí)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(jìn)入市場(chǎng)：過去一輛新車從產(chǎn)品概念到市場(chǎng)推出通常需要4-6年的時(shí)間。車輛性能表現(xiàn)、款式和對(duì)市場(chǎng)需求的滿足點(diǎn)子是早在發(fā)展過程剛開始就已經(jīng)確立。所以這段時(shí)間拖得越長，代表觀念越容易過時(shí)、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)越高，不利產(chǎn)品在市場(chǎng)銷售。為了保證將來車輛載具的成功，OEM業(yè)者須將此一時(shí)程縮短百分之50或更多。而管件液壓成形技術(shù)即是能滿足顧客在安全、輕量化及時(shí)效要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(5)依據(jù)美國鋼鐵研究院汽車應(yīng)用委員會(huì)的調(diào)查結(jié)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(jì)到2004年北美生產(chǎn)的典型車型中將有50%結(jié)構(gòu)體零件采用管件液壓成形技術(shù)制造。

(6)Daimler Chrysler預(yù)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(yù)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(nèi)于加州、泰國、巴西、委內(nèi)瑞拉及阿根廷等國家至少建立起12臺(tái)以上的液壓成形機(jī)生產(chǎn)線的能量。

(8)Global Trade Consulting最新的報(bào)告指出，美國汽車用液壓成形零組件在1998年產(chǎn)值為7.3億美元，2000年約達(dá)16億美元，2001年有約達(dá)19億美元，而在未來3年(2002~2004年)內(nèi)，年平均成長率將可達(dá)到20%。

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