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液压技术应用----液压成形技术
[2012/12/13]
  

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。

 

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,如【图2】所示,汽车业无疑地为******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。

 

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ngarm)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。

 

4. 管件液 压成形技术研究发展动向

目前的研究******为如何 提高液压成形技术的竞争力,包括:降低资本支出(起始设备投资)、提高生产率及产量、提高材料使用率、制程合理化、不良率 降低以及一体型液压成形零件开发等,主要研 究发展项目说明如下:

4.1 管材成形性分析技术

主要为 材料特性基础数据与实验方法之建立,包括:鼓胀分析(Bulging test)、流动应力(K、n value)、管件成形极限图(FLD)等。

 

.2 管件液压成形CAD/CAE技术的应用

为了降低成本、缩短产品开发时程、提高开发成功率,CAD/CAE对新的 液压成形技术也越来越重要。数值模 拟能准确地反映管件液压成形过程、预测成形缺陷、显示工 件贴模与成形情况、计算出壁厚分布。而且可 以方便的调整内压与轴向位移的搭配关系,研究其 对成形缺陷和壁厚分布的影响,以获得******的加载曲线。因此管件液压成形的CAE模拟亦 受到各国研究者和工业界的重视。

 

5. 液压成产业发展趋势

以目前 液压成形技术的应用市场来看,无疑地,汽车业为未来******的开发市场。液压成 形技术最成功的应用应属汽车底盘,其广受欢迎的主因是:高刚性、尺寸精度与稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制程简化、降低成本。因此,管液压 成形组件需求戏剧性的快速增加。此一需 求将迫使液压成形设备生产者和底盘系统供货商加速开发相关技术。未来北 美市场之汽车车体架构可能由液压成型组件取代,其理由包括:

(1)政府法规—企业平均燃料经济(CAFE):此一法 规已让北美的汽车生产厂商大为紧张。在一加 仑油花费不到一瓶饮用水的年代,消费者 是不愿意放弃牺牲汽车宽敞、性能表 现或者安全来节省燃料。然而当CAFE法规与 顾客期望相互矛盾时,工程师 必须发展更具燃油效率和重量更轻的车辆。

(2)安全:撞击试 验标准越来越多,加上顾 客对车辆安全的认知与重视,促使OEM厂商必 须在不牺牲燃料效率下改进车体安全。

(3)车辆的性能表现:在美国 公路上的平均限速是每小时68.5英里,欧洲更 有许多国家高速公路无速限限制,车辆性 能必须跟得上顾客的期望。

(4)加速进入市场:过去一 辆新车从产品概念到市场推出通常需要4-6年的时间。车辆性能表现、款式和 对市场需求的满足点子是早在发展过程刚开始就已经确立。所以这 段时间拖得越长,代表观念越容易过时、市场风险越高,不利产品在市场销售。为了保 证将来车辆载具的成功,OEM业者须 将此一时程缩短百分之50或更多。而管件 液压成形技术即是能满足顾客在安全、轻量化 及时效要求的关键技术之一。

(5)依据美 国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果,在北美制造的轿车中,空心轻 体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%,而在中型商用车、大吉普 车和小货车的比例还要更高。估计到2004年北美 生产的典型车型中将有50%结构体 零件采用管件液压成形技术制造。

(6)Daimler Chrysler预估,2005年管件 液压成形零组件将较2000年成长3倍。

(7)Dana公司(汽车零组件国际大厂)预估,2004年管件 液压成形零组件将占汽车底盘零组件的50%,为此,Dana将于未 来五年内于加州、泰国、巴西、委内瑞 拉及阿根廷等国家至少建立起12台以上 的液压成形机生产线的能量。

(8)Global Trade Consulting******的报告指出,美国汽 车用液压成形零组件在1998年产值为7.3亿美元,2000年约达16亿美元,2001年有约达19亿美元,而在未来3年(2002~2004年)内,年平均 成长率将可达到20%。 

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