自行车飞轮锻压工艺研究

自行车飞轮锻压工艺研究摘要：飞轮制造是自行车制造过程中的重要环节，飞轮的质量好坏直接关系到整车整体性能的实现。在手闸式自行车中，飞轮是必不可少的部件。本文结合自身在金属材料分析及锻件锻造工艺方面多年的实际经验，简要介绍自行车飞轮结构、模具设计制造、飞轮及其组件挤压成形等飞轮锻压制造的相关工艺，及对其锻压工艺的简要研究。关键词：自行车飞轮冷挤压模具工艺自行车飞轮是自行车整车系统中的关键性零件，是自行车驱动系统的重要组成部分。飞轮及其相关集成系统的质量和性能直接关系到整车的性能。当前我国自行车飞轮及其相关组件一般采用模具冷挤压成形生产。模具的质量、冷挤压工序的控制直接影响到飞轮成品的最终质量，也影响着飞轮制造企业的生产成本。随着社会的发展，消费者对自行车的需求向高端化发展，对自行车的质量要求越来越高。但是我国的自行车生产，尤其是在中高端自行车飞轮及其组件的生产，却没有很好地满足对其质量需求的提高。目前，由于锻造多飞飞轮轮芯的模具质量差、工作寿命短以及商用飞轮质量低等问题的存在，是制约我国自行车生产进一步发展的技术瓶颈，同时也是困扰高档自行车自主品牌和生产企业做大的现实问题。因此，探索自行车飞轮锻压相关工艺，提高其制造质量，具有改善自行车整体性能，推动自行车制造行业发展的双重意义。1.自行车飞轮概述。自行车飞轮是手闸式自行车动力系统的主要零件，通常分为14齿和42齿飞轮两种，一般以多飞飞轮的形式出现。飞轮和飞轮内的滚动轴承、轮芯等零件一起构成了自行车动力系统的主要部分。2.飞轮锻压工艺分析。自行车飞轮的锻压是一个涉及模具加工工艺，飞轮齿片材料、硬度以及强度选择和齿片零件加工工艺的复杂过程。飞轮最终质量性能等技术指标能否达到设计要求，与各环节的工序操作直接相关。2.1.冷挤压模具加工工艺。冷挤压模具用材。当前在自行车多飞飞轮模具用材选择上，国内外通用的钢材为W6MO5Cr4V2高速钢。这是一种新开发的高碳、高合金钢。该钢材具有两个明显的特点：首先，该钢材在具有很强的抗弯强度、耐磨性和红硬性的同时，还具有很高的热塑性和韧性，以及较小的脱碳倾向。并且碳化物的颗粒较细小、分布也较均匀；其次，该钢材便于机械加工，可用于制作高负荷下耐磨损的零件，使用寿命很长，具有很强的通用性，价格较为便宜等。因此，W6MO5Cr4V2高速钢，因具有制作冷挤压模具的巨大潜在价值，而受到自行车零件制造商的广泛应用和工程界的广泛重视。在生产过程中，冷挤压模具的工作条件相当恶劣。这主要是因为两方面的原因，首先，用于飞轮制造的材料具有较高的抗变形力，以35钢为例，当对数变形为80%时，钢材的变形抗力就高达1500MPa，而对于合金钢而言这一对数条件下其抗力可以达到2500MPa—3000MPa，模具因此承受巨大的反作用力和摩擦力。其次，在工作过程中，模具承受着多次冲击负载和冷热交变温度的作用。模具工作时表面温度高达200—300摄氏度，并且每次挤压操作都是在极短的时间内完成，所以表面温度变化很大。在这样严苛的工作环境下，冷挤压模具的工作寿命很低。笔者查阅了目前我国自行车配件模具加工工艺，自行车多飞飞轮轮芯冷挤压模具的加工，一般采用：来料退火→机械加工→热处理的加工工艺。2.2.冷挤压模具挤压形式。根据挤压过程中金属的流动方面不同，可将冷挤压分为正挤压、反挤压以及复合挤压三大类挤压方式。其中正挤压和反挤压是挤压中的两种基本模式，而复合挤压则是对两种基本挤压模式的综合运用。正挤压，是指在挤压过程中金属的流动方向和凸模的运动方向一致。反挤压，顾名思义，则是指在挤压过程中金属的流动方向和凸模的运动方向相反。复合挤压，则是指挤压过程中一部分金属流动的方向和凸模运动方向一致，而另一部分则相反。根据飞轮轮芯以及正反挤压模式的特点，生产过程中一般多采用反挤压的挤压方式生产自行车多飞飞轮的轮芯。这种方式的要点在于挤压力相对较小，成型精度较高。2.3.冷挤压模具的热处理工艺。根据数据分析统计，高达60%的模具失效，是因为热处理不当而造成的。自上个世纪九十年代以来，为了保证飞轮加工模具变形小、模具工作面的余量少、甚至不留余量和充分发挥材料的良好性能。真空热处理、保护气氛热处理以及高压气淬技术被多数自行车飞轮制造企业广泛运用到模具热处理工艺中。当前，模具钢的热处理工艺参数主要集中在：淬回火的加热温度、保温的时间以及淬火方式的选择上。这些参数选择的不同会在不同程度上影响金属的组织结构和性能，在实际的批量生产中，要根据具体需要合理选择这些参数。2.4.对飞轮齿片材料、硬度以及强度的选择。当前自行车飞轮材料一般选用低碳钢作为飞轮齿片的制造材料（比较普遍的有牌号Q195，SPCC钢）；硬度依据《自行车行业标准》选择硬度值HRA≥72，强度则要求为沿驱动方向给飞轮施加4900N的力时，飞轮不出现破损。2.5.毛坯的制造方法——精密模锻目前，飞轮毛坯制造普遍采用精密模锻的制造方法。该法的主要工艺特点，是在锻造过程中使用两套精度不同的锻模。先用普通精度的锻模锻压，然后切下毛坯飞边进行酸洗，再用高精度锻模锻压出满足精度要求的零件。在精密模锻阶段，加热方法要采用无氧或少氧的方式。该方法的工艺流程为：下料→检查毛坯质量→无氧（有氧）加热→普通锻模锻压→精密锻模锻压→切断→切边冲孔→零件表面清洗→校正→精压→热处理→产品检验入库。2.6.多飞飞轮齿片加工工艺。多飞飞轮加工工艺，是飞轮产品生产过程中最重要的一环，直接关系到飞轮质量的好坏和使用寿命的长短。当前国内外自行车多飞飞轮零件，一般采用冷挤压生产方法，该法主要包括制坯→冷挤压→精加工三个部分。目前飞轮生产公司的生产工艺流程主要为：来料正火→毛坯冷挤压成形→渗碳→淬火→低温回火→烤黄。冷挤压生产工艺技术具有高精、高效、优质低耗的特点，是中小型锻件规模化生产常用的锻压方法。它比传统的热锻和温锻工艺技术要节约30%—50%的材料，50%—80%的能耗，并且能够有效提高锻件的质量，改善操作人员的作业环境。由于冷挤压的锻压方法产生的冷作硬化的利用价值较大，可以用廉价的低强度钢材，经过冷挤压后代替价格昂贵的高强度钢材，所以其应有领域在该工艺技术的不断完善下逐渐扩展。2.7.多飞飞轮齿片的热处理工艺。多飞飞轮齿片的热处理工艺主要包括渗碳及淬、回火工艺两个部分。首先，渗碳工艺。渗碳技术是一种应用广泛的化学热处理技术。由于自行车飞轮心部要保持有较高的韧塑性，而且齿片表面要求有较高的硬度和耐磨性。而传统的机械加工及普通的热处理工艺，无法把低碳钢处理到这种质量要求标准。现阶段冷挤压制造中，主要是通过气体渗碳淬火来达到这一质量要求。具体操作，是通过飞轮冷挤压成形以后，对其进行一次气体渗碳热处理，改变其表面的金相组织，达到提高飞轮齿片表面硬度和耐磨性的目的。表面氮化也可以达到这一目的。其次，淬、回火工艺。由于飞轮及其零件产品，一般是在人力范围和正常环境下服役的，所以，所受冲击力并不大。因此，淬火温度不宜过高。一般做法是，在渗碳工艺结束后，直接采用油淬。考虑到零件在后期人力作用下容易出现变形问题，所以淬火时要注意严格控制保温时间。回火工艺对飞轮表面硬度和心部的强度影响也比较关键。因此，对淬火和回火时各种参数对飞轮及其零件的影响，是产品质量和寿命的关键所在。3.结语。基于本文上述，笔者认为，自行车飞轮锻压是涉及模具制造、材料选择及飞轮本体锻造等多个方面的系统化锻压制造工序过程。当前采用的冷挤压锻造自行车飞轮的方法，明显具有耗能小和材料低廉等特征，适合对当前自行车飞轮数量和质量的高要求。我国的自行车生产企业要注重采用和研究这一生产技术，将这一技术作为改善我国自行车生产整体质量，打破技术瓶颈的突破口。参考文献：[1]天星《自行车小飞轮结构的改进》《现代制造工程》1981年04期。[2]作者不明《自行车飞轮组合模锻》《CMET锻压装备与制造技术》1973年02期。[3]李伟刘庆锁陆翠敏张玉姣《自行车多飞飞轮轮芯冷挤压模具失效分析》《热加工工艺》2011年06期。[4]王贤敏《自行车飞轮的气体渗碳》《金属材料与热加工工艺》983年05期。[5]孟令先宋学进张元国《冷作模具的失效分析与预防措施》《锻压技术》2007年03期。[6]张洁许晓静《冷作模具用高速钢热处理性能和变形研究》《模具工业》2003年02期。作者简介：李鹏（1983.3.3--）男汉工程师研究生金属材料及锻造工艺