自行車飛輪鍛壓工藝研究

李鵬　王兵　李福利

摘要：飛輪制造是自行車制造過程中的重要環(huán)節(jié)，飛輪的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到整車整體性能的實現(xiàn)。在手閘式自行車中，飛輪是必不可少的部件。本文結(jié)合自身在金屬材料分析及鍛件鍛造工藝方面多年的實際經(jīng)驗，簡要介紹自行車飛輪結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計制造、飛輪及其組件擠壓成形等飛輪鍛壓制造的相關(guān)工藝，及對其鍛壓工藝的簡要研究。

關(guān)鍵詞： 自行車飛輪 冷擠壓模具 工藝

自行車飛輪是自行車整車系統(tǒng)中的關(guān)鍵性零件，是自行車驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分。飛輪及其相關(guān)集成系統(tǒng)的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到整車的性能。當前我國自行車飛輪及其相關(guān)組件一般采用模具冷擠壓成形生產(chǎn)。模具的質(zhì)量、冷擠壓工序的控制直接影響到飛輪成品的最終質(zhì)量，也影響著飛輪制造企業(yè)的生產(chǎn)成本。隨著社會的發(fā)展，消費者對自行車的需求向高端化發(fā)展，對自行車的質(zhì)量要求越來越高。但是我國的自行車生產(chǎn)，尤其是在中高端自行車飛輪及其組件的生產(chǎn)，卻沒有很好地滿足對其質(zhì)量需求的提高。目前，由于鍛造多飛飛輪輪芯的模具質(zhì)量差、工作壽命短以及商用飛輪質(zhì)量低等問題的存在，是制約我國自行車生產(chǎn)進一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸，同時也是困擾高檔自行車自主品牌和生產(chǎn)企業(yè)做大的現(xiàn)實問題。因此，探索自行車飛輪鍛壓相關(guān)工藝，提高其制造質(zhì)量，具有改善自行車整體性能，推動自行車制造行業(yè)發(fā)展的雙重意義。

1.自行車飛輪概述。

自行車飛輪是手閘式自行車動力系統(tǒng)的主要零件，通常分為14齒和42齒飛輪兩種，一般以多飛飛輪的形式出現(xiàn)。飛輪和飛輪內(nèi)的滾動軸承、輪芯等零件一起構(gòu)成了自行車動力系統(tǒng)的主要部分。

2.飛輪鍛壓工藝分析。

自行車飛輪的鍛壓是一個涉及模具加工工藝，飛輪齒片材料、硬度以及強度選擇和齒片零件加工工藝的復(fù)雜過程。飛輪最終質(zhì)量性能等技術(shù)指標能否達到設(shè)計要求，與各環(huán)節(jié)的工序操作直接相關(guān)。

2.1.冷擠壓模具加工工藝。

冷擠壓模具用材。當前在自行車多飛飛輪模具用材選擇上，國內(nèi)外通用的鋼材為W6MO5Cr4V2高速鋼。這是一種新開發(fā)的高碳、高合金鋼。該鋼材具有兩個明顯的特點：首先，該鋼材在具有很強的抗彎強度、耐磨性和紅硬性的同時，還具有很高的熱塑性和韌性，以及較小的脫碳傾向。并且碳化物的顆粒較細小、分布也較均勻；其次，該鋼材便于機械加工，可用于制作高負荷下耐磨損的零件，使用壽命很長，具有很強的通用性，價格較為便宜等。因此，W6MO5Cr4V2高速鋼，因具有制作冷擠壓模具的巨大潛在價值，而受到自行車零件制造商的廣泛應(yīng)用和工程界的廣泛重視。

在生產(chǎn)過程中，冷擠壓模具的工作條件相當惡劣。這主要是因為兩方面的原因，首先，用于飛輪制造的材料具有較高的抗變形力，以35鋼為例，當對數(shù)變形為80%時，鋼材的變形抗力就高達1500MPa，而對于合金鋼而言這一對數(shù)條件下其抗力可以達到2500MPa—3000MPa，模具因此承受巨大的反作用力和摩擦力。其次，在工作過程中，模具承受著多次沖擊負載和冷熱交變溫度的作用。模具工作時表面溫度高達200—300攝氏度，并且每次擠壓操作都是在極短的時間內(nèi)完成，所以表面溫度變化很大。在這樣嚴苛的工作環(huán)境下，冷擠壓模具的工作壽命很低。筆者查閱了目前我國自行車配件模具加工工藝，自行車多飛飛輪輪芯冷擠壓模具的加工，一般采用：來料退火→機械加工→熱處理的加工工藝。

2.2.冷擠壓模具擠壓形式。

根據(jù)擠壓過程中金屬的流動方面不同，可將冷擠壓分為正擠壓、反擠壓以及復(fù)合擠壓三大類擠壓方式。其中正擠壓和反擠壓是擠壓中的兩種基本模式，而復(fù)合擠壓則是對兩種基本擠壓模式的綜合運用。正擠壓，是指在擠壓過程中金屬的流動方向和凸模的運動方向一致。反擠壓，顧名思義，則是指在擠壓過程中金屬的流動方向和凸模的運動方向相反。復(fù)合擠壓，則是指擠壓過程中一部分金屬流動的方向和凸模運動方向一致，而另一部分則相反。根據(jù)飛輪輪芯以及正反擠壓模式的特點，生產(chǎn)過程中一般多采用反擠壓的擠壓方式生產(chǎn)自行車多飛飛輪的輪芯。這種方式的要點在于擠壓力相對較小，成型精度較高。

2.3.冷擠壓模具的熱處理工藝。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，高達60%的模具失效，是因為熱處理不當而造成的。自上個世紀九十年代以來，為了保證飛輪加工模具變形小、模具工作面的余量少、甚至不留余量和充分發(fā)揮材料的良好性能。真空熱處理、保護氣氛熱處理以及高壓氣淬技術(shù)被多數(shù)自行車飛輪制造企業(yè)廣泛運用到模具熱處理工藝中。當前，模具鋼的熱處理工藝參數(shù)主要集中在：淬回火的加熱溫度、保溫的時間以及淬火方式的選擇上。這些參數(shù)選擇的不同會在不同程度上影響金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能，在實際的批量生產(chǎn)中，要根據(jù)具體需要合理選擇這些參數(shù)。

2.4.對飛輪齒片材料、硬度以及強度的選擇。

當前自行車飛輪材料一般選用低碳鋼作為飛輪齒片的制造材料（比較普遍的有牌號Q195，SPCC鋼）；硬度依據(jù)《自行車行業(yè)標準》選擇硬度值HRA≥72，強度則要求為沿驅(qū)動方向給飛輪施加4900N的力時，飛輪不出現(xiàn)破損。

2.5.毛坯的制造方法——精密模鍛

目前，飛輪毛坯制造普遍采用精密模鍛的制造方法。該法的主要工藝特點，是在鍛造過程中使用兩套精度不同的鍛模。先用普通精度的鍛模鍛壓，然后切下毛坯飛邊進行酸洗，再用高精度鍛模鍛壓出滿足精度要求的零件。在精密模鍛階段，加熱方法要采用無氧或少氧的方式。

該方法的工藝流程為：下料→檢查毛坯質(zhì)量→無氧（有氧）加熱→普通鍛模鍛壓 →精密鍛模鍛壓→切斷 →切邊沖孔→零件表面清洗→校正→精壓→熱處理 →產(chǎn)品檢驗入庫。

2.6.多飛飛輪齒片加工工藝。

多飛飛輪加工工藝，是飛輪產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最重要的一環(huán)，直接關(guān)系到飛輪質(zhì)量的好壞和使用壽命的長短。當前國內(nèi)外自行車多飛飛輪零件，一般采用冷擠壓生產(chǎn)方法，該法主要包括制坯→冷擠壓→精加工三個部分。目前飛輪生產(chǎn)公司的生產(chǎn)工藝流程主要為：來料正火→毛坯冷擠壓成形→滲碳→淬火→低溫回火→烤黃。

冷擠壓生產(chǎn)工藝技術(shù)具有高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的特點，是中小型鍛件規(guī)模化生產(chǎn)常用的鍛壓方法。它比傳統(tǒng)的熱鍛和溫鍛工藝技術(shù)要節(jié)約30%—50%的材料，50%—80%的能耗，并且能夠有效提高鍛件的質(zhì)量，改善操作人員的作業(yè)環(huán)境。由于冷擠壓的鍛壓方法產(chǎn)生的冷作硬化的利用價值較大，可以用廉價的低強度鋼材，經(jīng)過冷擠壓后代替價格昂貴的高強度鋼材，所以其應(yīng)有領(lǐng)域在該工藝技術(shù)的不斷完善下逐漸擴展。

2.7.多飛飛輪齒片的熱處理工藝。

多飛飛輪齒片的熱處理工藝主要包括滲碳及淬、回火工藝兩個部分。

首先，滲碳工藝。滲碳技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的化學(xué)熱處理技術(shù)。由于自行車飛輪心部要保持有較高的韌塑性，而且齒片表面要求有較高的硬度和耐磨性。而傳統(tǒng)的機械加工及普通的熱處理工藝，無法把低碳鋼處理到這種質(zhì)量要求標準。現(xiàn)階段冷擠壓制造中，主要是通過氣體滲碳淬火來達到這一質(zhì)量要求。具體操作，是通過飛輪冷擠壓成形以后，對其進行一次氣體滲碳熱處理，改變其表面的金相組織，達到提高飛輪齒片表面硬度和耐磨性的目的。表面氮化也可以達到這一目的。

其次，淬、回火工藝。由于飛輪及其零件產(chǎn)品，一般是在人力范圍和正常環(huán)境下服役的，所以，所受沖擊力并不大。因此，淬火溫度不宜過高。一般做法是，在滲碳工藝結(jié)束后，直接采用油淬?？紤]到零件在后期人力作用下容易出現(xiàn)變形問題，所以淬火時要注意嚴格控制保溫時間?；鼗鸸に噷︼w輪表面硬度和心部的強度影響也比較關(guān)鍵。因此，對淬火和回火時各種參數(shù)對飛輪及其零件的影響，是產(chǎn)品質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵所在。

3.結(jié)語。

基于本文上述，筆者認為，自行車飛輪鍛壓是涉及模具制造、材料選擇及飛輪本體鍛造等多個方面的系統(tǒng)化鍛壓制造工序過程。當前采用的冷擠壓鍛造自行車飛輪的方法，明顯具有耗能小和材料低廉等特征，適合對當前自行車飛輪數(shù)量和質(zhì)量的高要求。我國的自行車生產(chǎn)企業(yè)要注重采用和研究這一生產(chǎn)技術(shù)，將這一技術(shù)作為改善我國自行車生產(chǎn)整體質(zhì)量，打破技術(shù)瓶頸的突破口。

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作者簡介：

李鵬 （1983.3.3-- ）男 漢 工程師 研究生 金屬材料及鍛造工藝