管材液壓成形

金屬塑性成形產業為能促進產業升級，達到降低生產成本，提高產品附加價值及產 業競爭力之目的。早在 1951 年時，美國 Cincinnati 公司就曾發表過液壓成形技術，當 初只用於板材之成形加工，如今已擴大至管材之二次成形加工。管材液壓成形加工製程 (tube hydroforming, THF)，是使金屬管材內部承受高壓液體，同時輔以軸向推力，致使 管材向外側鼓脹變形，以得到所需形狀產品之加工製程，圖 1-5 為管材液壓鼓脹示意圖 [56]。其成形方式是屬於冷壓加工(cold press-working)，所以學者 Ahmetoglu 等人[57，

58]又稱為液體鼓脹成型(liquid bulge forming, LBF)。近年來，隨著電腦控制技術及高壓 液壓系統的進步，加上現代化的液壓成形機械設備皆具有軸向推料力、內向液壓壓力及 背向壓力(counter pressure)等三個獨自控制的作用力單元，如圖 1-6 所示[59]，不僅已大 幅提升製程中材料成形的能力，更使液壓成形製程逐漸成為另一種可用於大量生產之加 工方式。若依 THF 零件形狀製程來區分，可分為兩大類。一為液壓鼓脹成形，專用來 進行管材局部擴張之用。二為不規則形狀之液壓成形，常伴隨著彎曲、預成形加工。

發展管材液壓成形技術最大優勢在於「輕量化」，此外也可降低成本，同時改善產 品性能等。相較於傳統沖壓製程，管材液壓成形加工可算是一種相當新穎的技術，用以 取代工業上需經多道次沖壓及組裝後方可使用的零件。高壓液體通常是使用水或液壓 油，此外在某些特殊用途上也採用如氣體、低溶點金屬、粉末、黏性聚合物等。

因而現今德國、美國、日本之汽車大廠等紛紛投入管材液壓成形之研發和設計，由 於當紅的商業用 AZ 系列的鎂合金，在此一領域所發表的文獻相當罕見，故本實驗係將 所研發的 AZ31 管材，以液壓成形來測試自由鼓脹成效，並探討材料的機械性質，以提

供學界與工業界對於 AZ31 鎂合金之發展潛力及未來豐富商機有更深一層之瞭解。

對於管材液壓成形技術而言，主要有六大項優點[60-72]：

(1) 減輕重量：因為管材液壓成型乃是將較小尺寸的管材，以壓力擴張成較大尺寸且可 成形複雜的零組件，如此素材、零組件、甚至是銲料也可節省掉，減少元件之數目，

而達到產品輕量化之目的。

(2) 品質提高：可致使材料強度增加、降低材料回彈(spring back)效應的彈性變形、增 加工件整體的均勻性、改善公差並增加精度、減少工件的接合點。

(3) 降低成本：因模具種類數量及材料上的銲接接合點、凸緣部(flange)、素材、零組件 均減少了，所以可大幅降低材料成本與生產成本；同時加工製造道數、零組件裝配 過程減少，因此人力成本也可大大節省下來。

(4) 增加設計彈性：是當今新興技術，可成形複雜且大型工件，就連汽車的引擎托架 (engine cradles)、車頂蓋(roof headers)也能成形製造。

(5) 提昇製造技術：昔日對於中空管材的成形加工技術較少，而液壓成型可將中空狀的 管材直接一體成形製成所欲獲得的產品形狀。且可提高成品封閉斷面之剛性、強度 及其可靠度。

(6) 減少廢料：管材的成形是藉由模具設計之形狀來成形，所以幾乎沒有廢料產生。

儘管有上述之優點，但有下列不利的缺點：

(1) 單一製程週期時間(cycle time)較長：普通一個鍛件約只需數秒鐘即可完成，但對於 THF 成形，由於壓力上升速度受到限制，因此約需數分鐘。最快也須 20 秒鐘以上。

因此較不適合做為大規模量產之加工方法。

(2) 昂貴之加工設備：由於複雜管材之成形需要較高之內部成形壓力，因此需要大型且 昂貴之加工機械設備。

(3) 製程知識與技術缺乏：與傳統之板材成形相比，管材之成形加工顯然必須要高度加 工技術。目前較缺乏這方面相關之資料庫(database)及技術(knowhow)可供參考，必 須自行研發。

Fuchizawa 等人[73]的實驗證明，自由鼓脹區域的外型(profile of free-bulging)是較接 近橢圓表面弧形狀(elliptical surface arc)，自由鼓脹區域的厚度(thickness of free-bulged) 是近似於正方形分佈(quadratic distribution)。基於以上兩大實驗證明，因而發展出簡易 的數學模式(mathematical model)，針對管材經過鼓脹加工後，可獲得鼓脹厚度之分佈數 值，即在鼓脹加工過程中其鼓脹高度(bulge height)及內部壓力(internal pressure)間之關聯 性。

Re = ro + re (1-cosφe) ， (19)

Ze = L/2 - resinφe ， (20)

Rp = {Re (Re+Zetanφe)}^1/2 ， (21)

Rz = {Ze (Ze+Recotφe)}^1/2 ， (22)

其中，t0 為初始厚度，r0 為初始厚度，tp 為變形後極點厚度，(Re，Ze)是點 e 的座標 (coordinate)，Re、Ze分別為 e 點在 r 方向及 z 方向之座標，

φ

L 是初始的管長(initial tube length)，re是模具進入半徑(entrance radius of the die)，P 為壓 力，Rp和 Rz分為小軸與大軸的半長，亦即其管材鼓脹成形示意圖詳見圖 1-7[74]。

管狀胚料於模具內同時承受內壓力及軸向推料力，亦即在液壓成形時管件原料 將受到很大的抗拉應變。開發零件及製程時，變形條件及應變限制必須正確控制以避免 發生頸縮(necking)、翹曲(warped)、起皺(wrinkling)等不良現象。利用工程計算及電腦模 擬分析可得到適當的製程參數(諸如內壓力、軸向推料力、抗壓力)以減少零件及製程開 發 時 間 。 THF 製 程 商 品 化 模 擬 解 析 軟 體 ， 目 前 常 被 使 用 的 有 最 小 平 方 回 歸 法 (Least-Squares Pegression)、NDEED、LS-DYNA 及 PAM-STAMP 等，其程式符碼採用有

限元素法(finite element simulation, FEM)來進行分析。Hwang [75]在 2003 年曾針對圓形 管材在方形模具內施行液壓鼓脹成型與破裂模擬研究，結果得知摩擦係數(friction coefficient)在鼓脹過程中影響很小，但對成品的厚度分佈則影響較大，以摩擦係數 0.1 而言，鼓脹後對照初始厚度達到 0.25。並從模擬結果可獲知所需成形壓力、破裂壓力及 均勻的厚度分佈等條件，故電腦模擬有限元素分佈可作為製程與零組件開發設計重要參 考，甚至可改進液壓成形管壁震動造成不良成品等問題，零組件初始設計後藉由電腦模 擬分析可事先預測其成形時變形狀況，作為變更設計之依據，同時也可用於製程參數及 模具設計之修正，進而減少後續試模工程之時間，進行 THF 時，為可靠地預測其可成 形性，提供正確的材料資料(如流動應力、管材厚度、管材直徑、機械性質等)，及製程 參數資料(如內向液壓力、軸向推料力、對向壓壓力、摩擦力等)[76-79]。

1.4.1 管材液壓成形應用

透過對金屬材料塑性流動進行精確控制之手段，結合高精度模具設計、製造及自動 化生產技術，製造高附加價值、高精度複雜形狀製品，其應用領域則從汽、機車業拓展 至電子、通訊與電腦等 3C 產業、微細尺寸零件成形產業，以至微機電成品等，將開創 出金屬塑性加工新領域並拓展其應用範圍。

管材液壓成形的技術多應用在圓筒、板、管做任意剖面的造型，在表 1-9 為現今應 用於 THF 製成之管件材料[72]，更常使用於製造腳踏車、機車、三通管、管配件、衛浴 設備、照相機三腳架，見圖 1-8、休閒運動器材等民生用品，管材由原來圓形剖面逐漸 貼僅模具變成不同形狀，如圖 1-9 所示。此外也可製作汽車、航太的輕量化零件。單說 應用在汽車零組件的就有如圖 1-10 顯示[80-81]：

(1) 引擎支承座(Engine cradles)：位於車體前方的次結構件(front subframe)，應用高強度 低合金鋼液壓管一體成形，取代了六個元件沖壓後組合的傳統方式，直接的效益是 重量減輕，且縮短了組配時間。

(2) 儀表板支架(Instrument panel support)：接合點處接合完美，儀錶安裝孔與支架外形 一體成形且表面光滑。

(3) 冷卻水箱支承座(Radiator supports)：由液壓成形元件組合而成，取代了由多件沖壓 元件組成之傳統做法，直接減輕了 5 公斤的重量。

(4) 側門橫樑(Frame rail)：由管件液壓成形的側邊橫樑提升了整體汽車剛性，也避免了 傳統長條焊道焊接的困難點，圖 1-11 為汽車的側板金模。

(5) 車頂橫樑(Roof headers)：必須做成具有凹槽的剖面以利擋風玻璃的鑲入，同時橫樑 本身也要有是當彎曲力矩，這樣的造型惟有以液壓成形方式最合適。

(6) 其他以液壓成形之汽車零件尚有：座墊支承架(seat frame)、方向控制桿(control arm)、

各類排氣管系統(exhaust manifolds)在圖 1-12、底盤、結構安全件、引擎支架(engine cradle)、懸吊系統元件(suspension components)等。

另外像輕卡車車架滑軌、傳動軸等速接頭的六片式整形模如圖 1-13 所示等，甚至 是齒輪件的成形，不勝枚舉見圖 1-14 所列出的管材液壓成形不同形狀產品。就連著名 的汽車公司 Audi、BMW、Daimler Chrysler、VW、Entwicklung、Beetle(金龜車)等都將 塑膠件改用兼具環保、安全、高性能且省成本的金屬管材液壓成形產品，如圖 1-15 所 示。大約從 1995~1997 年，聞名全球德國 Volkswagen 公司、Benteler 公司、Krupp Presta 公司、Muller Weingarten 公司紛紛投入此一領域進行新產品研發，見圖 1-16(a)~(d)之成 品，結合自動化設備開創新契機來符合消費市場之需求[82]。

1.4.2 管材液壓成形技術簡介

管材依製造方式可分為無縫管、電縫管、熔接管、鍛接管等，而液壓鼓脹成形為管 材之二次成形加工，如圖 1-17 所示[83]。針對 THF 重要參數可分為生產設備以及管件

成形能力兩大部分，以下針對這兩方面討論：

(1) 管材液壓成形生產設備

(a) 成形設備：具有確實開啟及閉合成形模具之功能是液壓成形機械之必要條件，亦即 設備在成形操作時必須能提供足夠的夾模力，以避免模具分離或產生彈塑性變 形，此外，並須有軸向推力及高壓密封防洩之功能。

(b) 模具：模具直接影響整個成品之好壞，因此良好的成品必須要有適合的模具配合。

模具根據產品形狀及管材材料性質來設計，由於模具筒體必需承受高內壓以及軸 向負載，所以高強度之材料是必要的；而良好之表面品質影響成品之成形能力以 及表面精度，更可以將摩擦力降至最低；彈性之設計可以增加成品之多變化性以 及降低成本，以上皆為設計模具之首要條件。

(c) 液壓供應設備：液壓系統包含有液壓幫浦、增壓器及各式控制閥等，主要是在液壓 成形過程中，供應足夠之液體壓力以及具有更彈性之操作範圍。

(d) 控制系統：計有電腦、電子式控制閥、放大器、線性量測尺及資料擷取卡等，其主 要目的為液壓成形製程中，各製程參數(成形壓力、軸向推料力、鼓脹高度及厚度 分佈等)精準之控制以及量測，並利用控制器做閉迴路回授控制，以得到較佳之成 品以及較高之精度。

(2) 管材成形能力

(a) 管材有各種材料特性，如應變硬化指數 n 值、強度係數 K 值、塑性異方向性(R 值)。

這些材料性質影響液壓成形製程之成形能力以及成品好壞，一般而言 THF 用管件 材料要素有：抗拉強度、延展性、材料成分、流動性、高應變硬化指數、高異方 性值、良好且無刮痕之表面品質，以及熱處理的狀況。

(b) 影響摩擦力之因素主要有潤滑劑、管材材料特性(表面品質)、模具表面狀況(表面粗 度、表面處理等)。潤滑效果之好壞，會直接影響到成形厚度分佈、模具表面之磨 耗及軸向推力所造成之形變。所以，適當的潤滑劑使用，不僅減少滑動所產生之摩

擦力及防止黏著或刮痕之發生，也減少模具之磨耗及軸向推力所造成的變形。此 外，必需承受高內壓、軸向負載及避免分離或回彈之高壓密封成形設備與模具，也 是影響液壓成形製程的重要因素[74-86]。