金屬製造新技術：管件液壓成形
95/04/10
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鄭炳國｜
金屬工業研究發展中心金屬成形組
管件液壓成形的優點
傳統上汽車結構、底盤零件生產都以採用鈑金沖壓／焊接製程為主，零件數量多、製程耗時費料，且成本較高。近年來，管件液壓成形已是相當熱門的技術，主要因為這項技術的製品具有質量輕、剛性佳等優點，且在生產過程中可減少半成品零件數量，減少銲接、組裝、機械加工等過程，以有效降低生產成本、縮短加工周期，因而逐漸導入車輛產業，並取代傳統沖壓／銲接或鑄造製程。
此外，當前車輛發展的趨勢是以減輕重量和提高運轉效能為目標。特別是90年代以後，各國環保法規嚴格限制二氧化碳的排放，節省油耗成為主要議題，汽車的輕量化結構，包括輕量化材料與新製程的應用等變得更為重要，其中尤以液壓成形技術最受到重視。
管件液壓成形技術主要應用於圓形／矩形截面或異型截面的空心件，它的優點隨產品的不同而有所差異。相較於傳統的生產技術，管件液壓成形技術有下列各項優點。
減輕重量 與沖壓銲接件相比，汽車採用管件液壓成形的空心結構件，重量可減少20～30％。若與車削、搪孔相比，管件液壓成形的空心軸類，重量可減輕40～50％，有些甚至可達75％。
減少半成品零件數量 在成形過程中可一次加工，得到如引擎托架、棚頂托梁、門框等大型複雜的3D工件，與沖壓銲接件相比，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。
降低模具費用 管件液壓成形件通常僅需要一套模具，而沖壓銲接件由多個沖壓件銲接而成，因此需要多套沖壓模具。
減少後續機械加工和組裝銲接 以散熱器支架為例，銲接點由174個減少到20個，製造道次由13道減少到6道，生產效率提高66％。
提高強度、剛性及疲勞強度 成形過程中工件被「加工強化」，因此獲得比一般沖壓件更高的強度。以散熱器支架為例，垂直方向強度提高39％，水平方向強度提高50％。
降低生產成本 舒勒液壓成形公司對已應用的產品進行分析，管件液壓成形件比沖壓銲接件成本平均降低15～20％，模具費用降低20～30％。
創新性 可以克服傳統製程的限制，應用於新產品造型設計與開發。
技術原理
管件液壓成形技術適用於生產異厚異形的中空結構管件，顧名思義是先把管材置於模具中，在管件內部加入高壓流體（目前以水為主），在軸向施加壓力補償管料，把管料壓入到模具腔體內成形。其成形所需的壓力一般約2,000巴（bar）（一巴相當於每平方公分一公斤重的壓力），特殊狀況下甚至高達4,000巴。
適用管件液壓成形技術的材料，須具備優良的可延伸性，原則上適用於冷壓成形加工的材料，都適於作為管件液壓成形材料，目前主要以碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等為主。
發展歷程
1940年，以銅製成的Ｔ接頭製造技術在美國取得專利登記，Ｔ型管接頭成形技術可說是管件液壓成形的濫觴。1950年代，日本名古屋工業技術試驗所與自轉車技術研究所，進行自行車用T接頭和懸吊凸緣等各種管配件液壓成形製造技術的開發研究。1951年德瑞玻（Draper）取得黃銅管樂器的彎管製造專利，同一時期日本也利用液壓成形法生產牽牛花狀管樂器。
1960年代，管件液壓成形技術開始有批量生產的工業應用，主要是對簡單的直管、彎管進行脹形，因而邁入自行車零組件的成長期，同時開發出各種管配件的成形法，與內壓／軸壓進給控制的液壓脹形加工技術。
1973年石油危機後，省能源、輕量化成為趨勢，使管件液壓成形產品大量出現。德國於70年代末開始對管件液壓成形進行基礎研究，並於1990年代初，在汽車車體結構件的生產上率先採用這種技術，主要包括排氣系統、車架、底盤構件、車身框架、座椅框架、散熱器支架、前軸、後軸及驅動軸等。
美國於1990年由克萊斯勒集團率先發表北美第一件，以液壓成形技術量產的汽車元件－小型貨車儀表板支架。過去底盤結構是由沖壓件銲接組裝，直到1994年因液壓成形技術的導入才產生改變，當時是由福特公司首先把管件液壓成形的引擎托架引入北美市場。另一個液壓成形的成功例子，是支撐車體的結構件、外部鈑金和傳動系統的結構骨架。
目前最大的汽車應用廠商是美國通用汽車（GM）公司，利用管件液壓成形技術生產引擎托架、散熱器支架、下梁、棚頂托梁和內支架等空心輕結構件，在其別克Park Avenue及凱迪拉克Seville車款中，也應用液壓成形的車頂軌及引擎支架來增加強度並減輕重量。尤其在2002年Chevy TrailBlazer車款中，也首次使用液壓成形的側軌，以減少每年約1,230萬英尺的銲接部位，約節省145噸的銲接線材，以及2,000噸的沖壓廢料。
全球車輛產業應用現況
從近10年來的發展歷程與全球車輛產業應用現況來看，液壓成形最大的應用產業當屬汽車業。以地區別而言，目前德、美、日、韓等汽車大廠都已導入這項技術，北美的使用量已逐漸超過歐洲，而成為應用液壓成形零組件最多的地區。
包括德國雙B（賓士、寶馬）、福斯（VW）、奧迪（Audi）、歐寶（Opel），美國通用（GM）、福特（Ford）、克萊斯勒（Chrysler），日本豐田（Toyota）、本田（Honda）、日產（Nissan）、速霸陸（Subaru）、馬自達（Mazda），韓國現代（Hyundai）、起亞（Kia）等大部分車廠都採用液壓成形的零組件，且有愈來愈多的趨勢，在其他產業上的應用也不斷擴大中，前景十分看好。
此外，由國際鋼鐵協會（IISI）籌劃的超輕量鋼鐵車體研究計畫中，都包括應用液壓成形技術以減輕車體重量的研究在內，這項計畫的主要參與者包括全球20個國家及37家鋼鐵公司（含中鋼公司）。
管件液壓成形技術的應用是近年來汽車製造技術重要的里程碑之一，一般而言，這種技術在汽車零件的製造上，可分成車身系統、底盤系統、轉向與懸吊系統、以及引擎動力系統等部分。
應用液壓成形零組件的機車廠商，如山葉（Yamaha）公司，主要把液壓成形技術應用於生產WR250F四行程越野車的搖臂，以減輕重量並提高剛性。至於哈雷公司，則是由哈雷產品發展中心把液壓成形技術應用於V-Rod車款的車架上，以形成無銲接且具剛性的結構。該車架採用1.5英寸管件，在預彎後，以高壓成形方式製成複雜的三次元結構。
在自行車製造業方面，這項技術主要應用於車架零組件的生產，包括車架、上管、車首管、接頭等。目前國際間各知名領導品牌，都積極投入這方面的研究開發。
液壓成形技術的另一大應用市場是管配件的製造，其中又以生產Ｔ型管／三通管／多通管及波紋管為主。Ｔ型管／三通管／多通管廣泛用於機械、電力、航太、運輸工具、石化等部門，是應用量極大的基本管配件。
波紋管主要應用於閥體防漏、避震接頭、真空元件、扭力傳導、致動器、消防配管及熱力管等用途，其製造方法包括薄片沖壓銲接法、滾軋成形法、液壓成形法、波形板捲曲銲縫及鍛錘擴管等方法。不同製程所生產的產品各有優缺點，但以液壓成形法的生產效率最高，也最適於大量生產。
在水龍頭製造方面，由於美國新的聯邦法規要求，迫使水龍頭製造商必須減少其中的鉛含量，使得業者把傳統鑄造生產改為管件液壓成形。除了能減少鉛含量外，使用液壓成形生產還有其他的優點，即水龍頭採用鑄造製程，在去模後需要許多研磨及拋光的工作，若採用液壓成形，便不需要這些工作，以節省後續加工的成本。
美國H&H管件製造公司於1997年把這種技術應用於水龍頭的生產。美國第一大水龍頭廠夢思科（Masco）公司則於2000年購併一家管件液壓成形廠商，並利用這項技術生產廚房和浴室用水龍頭噴口，然後以代爾他（Delta）品牌銷售。除了夢思科公司外，世界知名水龍頭大廠，如日本東陶（ToTo）及德國富蘭德瑞（Friedrich Grohe AG），也已利用液壓成形技術生產水龍頭噴口。
發展趨勢
美國產官學研各界都十分重視液壓成形技術的發展，全國汽車業界正進行新一代車輛（USCAR）的開發，以有效提升車輛性能。USCAR計畫成員包括通用汽車公司、福特、克萊斯勒、35家鋼鐵廠商和美國政府，這項計畫是一個結合高強度鋼和先進製造技術，一同開發的鋼製車體社團，液壓成形技術是該團體進行開發的項目之一。
以目前液壓成形技術的應用市場來看，無疑地，汽車業是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與車體結構，其廣受歡迎的主因是剛性高、尺寸精度與穩定性高、較耐蝕、工件數少、製程簡化、成本較低。因此，管液壓成形元件的需求量，戲劇性地快速增加，尤其是在以下各項因素的影響下，未來汽車的車體架構勢必會由液壓成形元件取代。
政府法規 企業平均燃料經濟 美國政府採取這項法規來管制汽車的燃料效率，已讓北美的汽車生產廠商大為緊張。在一加侖汽油的價格還不及一瓶飲用水的年代，消費者不會願意放棄汽車的寬敞舒適、性能表現或安全性來節省燃料。然而當這項法規與顧客期望相互矛盾時，工程師必須開發更具燃油效率和重量更輕的車輛，以兼顧法令與顧客的要求。
安全 撞擊試驗標準越來越嚴，加上顧客對車輛安全的認知與重視，促使代工廠商必須在不犧牲燃料效率下改進車體安全。
車輛的性能表現 在美國公路上的平均速限是每小時68.5英里，歐洲更有許多國家高速公路無速率限制，車輛性能必須跟得上顧客的期望。
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、款式和滿足市場需求的點子，早在發展過程剛開始時就已經確立了。這段時間拖得越長，當初的概念就越容易過時、市場風險越高，不利產品的銷售。為了保證將來車輛推出的成功，業者必須把這個時程縮短50％或更多，而管件液壓成形就是兼具滿足安全、輕量化及時效要求的關鍵技術之一。
依據美國鋼鐵研究院汽車應用委員會的調查，在北美製造的轎車中，空心輕體件在轎車總量中的比率，已從15年前的10％上升到16％，在中型商用車、大吉普車和小貨車中的比率還要更高。到2004年，在北美生產的車輛中，有50％結構體零件採用管件液壓成形技術製造。
克萊斯勒集團預估，2010年車用管件液壓成形零組件會較2005年成長2倍。全球貿易分析報告則指出，美國汽車用液壓成形零組件在1998年的產值是7.3億美元，2000年約16億美元，2001年約達19億美元，在2002～2004年期間，年平均成長率大約是20％。
