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節，飛輪的質量好壞直接關系到整車整體性能的實現。在手閘式自行車中，飛輪是必不可少的部件。本文結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驗，簡要介紹自行車飛輪結構、模具設計制造、飛輪及其組件擠壓成形等飛輪鍛壓制造的相關工藝，及對其鍛壓工藝的簡要研究。

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

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。飛輪和飛輪內的滾動軸承、輪芯等零件一起構成了自行車動力系統的主要部分。

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雜過程。飛輪最終質量性能等技術指標能否達到設計要求，與各環節的工序操作直接相關。

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，國內外通用的鋼材為W6MO5Cr4V2高速鋼。這是一種新開發的高碳、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用和工程界的廣泛重視。

在生產過程中，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完成，所以表面溫度變化很大。在這樣嚴苛的工作環境下，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。根據飛輪輪芯以及正反擠壓模式的特點，生產過程中一般多采用反擠壓的擠壓方式生產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。

根據數據分析統計，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被多數自行車飛輪制造企業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。這些參數選擇的不同會在不同程度上影響金屬的組織結構和性能，在實際的批量生產中，要根據具體需要合理選擇這些參數。

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《自行車行業標準》選擇硬度值HRA≥72，強度則要求為沿驅動方向給飛輪施加4900N的力時，飛輪不出現破損。

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

冷擠壓生產工藝技術具有高精、高效、優質低耗的特點，是中小型鍛件規模化生產常用的鍛壓方法。它比傳統的熱鍛和溫鍛工藝技術要節約30%—50%的材料，50%—80%的能耗，并且能夠有效提高鍛件的質量，改善操作人員的作業環境。由于冷擠壓的鍛壓方法產生的冷作硬化的利用價值較大，可以用廉價的低強度鋼材，經過冷擠壓后代替價格昂貴的高強度鋼材，所以其應有領域在該工藝技術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。滲碳技術是一種應用廣泛的化學熱處理技術。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量要求標準。現階段冷擠壓制造中，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品，一般是在人力范圍和正常環境下服役的，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，在滲碳工藝結束后，直接采用油淬。考慮到零件在后期人力作用下容易出現變形問題，所以淬火時要注意嚴格控制保溫時間。回火工藝對飛輪表面硬度和心部的強度影響也比較關鍵。因此，對淬火和回火時各種參數對飛輪及其零件的影響，是產品質量和壽命的關鍵所在。

3.結語。

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量和質量的高要求。我國的自行車生產企業要注重采用和研究這一生產技術，將這一技術作為改善我國自行車生產整體質量，打破技術瓶頸的突破口。

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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