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管件液壓成形技術利用現況與發展趨勢

更新时间:2019-11-10 13:41人气:8260

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(TubeHydroforming)或稱管件內高壓成形(InternalHighPressureForming)技術受到產業界及學術界極大諦視而蓬勃發展,目前已成為國際間汽車產業主流製造技術之一,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等均已投進生產或試量產,首要利用為底盤件、車身結構件與排氣係統零組件,在其它產業利用亦不斷擴大中 ,遠景十分廣闊。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、進步產品性能/精度及創新性,且在生產過程中可減少半成品零件數目,減少焊接 、機械加工與產品組裝道次等後加工處理,有效降低生產本錢、縮短加工周期等優點。本文將針對管件液壓成形的加工道理、優點、國內外產業利用現況、技術發展動向及產業發展趨勢進行探討。 1.技術道理 管件液壓成形技術,適用於異厚異形當中空結構管件,顧名思義是先將管材置於具外形的模具中,藉由管件內部加進高壓流體(目前首要以水為主),搭配軸向施加壓力補償管料,把管料壓進到模具腔體內成形。其成形所需之液壓力一般約2000Bar,特殊狀況下甚至高達4000Bar。適用材料和利用範圍:具備良好的可延伸性為液壓成形法的關鍵 ,原則上適用於冷間成形加工的材料均適用於管件液壓成形技術,目前首要以:碳鋼、特殊鋼、不鏽鋼、鋁合金、銅合金等為主。 2.技術特點 利用管件內高壓技術可達到減少結構件零件數目、焊接道次並縮短組配時間,達成減輕重量及降低本錢之目標,其優點因產品之不同而有所不同,相較於傳統生產技術的上風包括: 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%;若與衝壓焊接件相比,汽車上用管件液壓成形的空心結構件可減少20%~30% 。 2.減少半成品零件數目:在成形過程中可一次加工出如引擎托架、頂蓋板架、門框等大型複雜的3D幾何外形的工件。與衝壓焊接件相比,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.降低模具用度 :管件液壓成形件通常僅需要一套模具,而衝壓焊接件由多個衝壓件焊接而成,是以需要多套衝壓模具。 4.減少後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,製造道次由13道減少到6道,生產效率進步66%。 5.進步強度、剛性及疲憊強度 :成形過程中液體具冷卻感化,使工件被"冷作強化",獲得比一般衝壓加工更高的工件強度。以散熱器支架為例,垂直方向進步39%;水平方向進步50%。 6.降低生產本錢:SchulerHydroforming公司對已利用的產品進行分析,管件液壓成形件比衝壓焊接件本錢均勻降低15%~20%,模具用度降低20%~30%。 7.創新性:克服傳統製程限製,利用於新產品設計開發 。 3. 國內外產業利用現況 從近10年來的利用發展曆程來看,汽車業無疑地為最大之利用產業,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 、後臂(Rear Arm)也於2002年正式利用在哈雷、Yamaha等越野車的車款中,自行車的車架、搖臂及上管也有廠商利用的軌跡。至於水龍頭、閥成品、球形容器、超導加速器、管配件等產品,也利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利用產品作一具體說明 。 汽車業 在汽車產業利用THF技術是近年來汽車製造技術首要的裏程碑之一 ,一般而言THF技術在汽車零件的利用如下: A:A,B pillar B: IP beam C: Radiator support D:Engine cradle E:Roof rails F:Frame rails 汽車次係統名稱 利用產品 排氣係統 (Exhaust system parts) 考慮耐熱及腐蝕環境,大多使用不鏽鋼材料,產品 :engine tubes, catalytic converters, pressure tubes , tail pipes, connectors and manifolds。 底盤係統 (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。 引擎與動力係統 (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) 首要產品有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、韓汽車大廠均已導進該項技術,北美的使用量已慢慢超過歐洲而成為液壓成形零組件最大消耗地區;而最大的汽車利用廠商則屬美國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),和2,000噸之衝壓廢物(Scrap)。 3.2 機車業 在機車液壓成形零組件上的利用廠商則屬哈雷及YAMAHA公司。在YAMAHA方麵,首要將其液壓成形技術利用於2002年的WR250F(四行程之越野車)的搖臂(Swingarm)方麵,以減輕重量並進步剛性。至於在哈雷公司的利用方麵,則是由哈雷產品發展中間(Harley’s Product Development Centre)將液壓成形技術利用於該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吋管件在預彎後以高壓成形方式製成複雜的三次元結構。 3.3 自行車業 首要利用於車架零組件,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 在其它產業的利用代表:THF零件在車輛產業以外之利用例波紋管(bellows) ,真空係統吸震組件,閥密封組件  ,水龍頭,各式把手,機車消音器,閥體外殼 。


.管件液壓成形技術研究發展動向 目前的研究重點為如何進步液壓成形技術的競爭力,包括:降低本錢支出(起始設備投資)、進步生產率及產量、進步材料使用率 、製程公道化、不良率降低和一體型液壓成形零件開發等 ,首要研究發展項目說明如下: 4.1管材成形性分析技術 首要為材料特性基礎數據與實驗方法之建立,包括:鼓脹分析(Bulgingtest)、活動應力(K、nvalue)、管件成形極限圖(FLD)等。 4.2管件液壓成形CAD/CAE技術的利用 為了降低本錢、縮短產品開發時程、進步開發成功率,CAD/CAE對新的液壓成形技術也愈來愈首要。數值模擬能精確地反映管件液壓成形過程、展看成形缺陷、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係,研究其對成形缺陷和壁厚分布的影響,以獲得最好的加載曲線。是以管件液壓成形的CAE模擬亦受到各國研究者和產業界的重視。 4.3製程與模具技術 包括:基本加工特性、成形所必要的製程參數設計(使用材料、管件壁厚、產品截麵幾何與最小R角、成形內壓、合模力、內壓與軸向位移的公道關係及控製方法 、成形過程中工件的應力應變 、幾何外形的丈量、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(精確控製模具閉合 、衝頭密封、內壓及軸向載荷及成形時間等)、模具製造等。 4.4設備技術 近年來德國已發展快速短行程的壓機來進步生產率,另亦有研究快速液壓充填裝配來降低液壓的充填時間,由於管件液壓零件外形朝向3D複雜化,其所需成形壓力亦隨之升高,是以液壓設備必須包括以下各次係統的技術及製程間之整合: 提供合模力之壓機或其它固鎖單元油壓及水壓壓力係統,特別是增壓器相關之係統技術側缸及衝頭密封及行程控製(位置或氣力控製)控製技術(製程控製,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利用市場來看,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利用應屬汽車底盤,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、製程簡化、降低本錢。是以,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係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)當局法規—企業均勻燃料經濟(CAFE):此一法規已讓北美的汽車生產廠商1頁

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