自行車車架的鋁合金材料及其加工工藝

祝春艷

摘要：本文在介紹了自行車車架及其材料的同時，重點對自行車車架鋁合金材料的性能進行了研究，從實驗的角度，證實了鋁合金材料用于自行車車架加工的優勢，并給出了具體加工工藝，僅供參考。

關鍵詞：自行車車架；鋁合金材料；加工工藝

前言：自行車是人民出行的代步工具之一，環保性較高，且可達到體育鍛煉的目的。車架是自行車的主要組成部分，其材料的性能與自行車整體性能息息相關。目前，鋁合金材料是自行車車架加工的主要材料，本文從實驗的角度，對材料的應用優勢以及加工工藝進行了深入研究：

1自行車車架及其材料

1.1自行車車架

作為自行車的主要構成部分，車架的主要功能在于承受自行車處于行駛狀態時的沖擊荷載Ⅲ。根據自行車車架材料以及設計工藝的不同，其在舒適度、安全性等方面，也存在一定差異，對駕駛者帶來的使用體驗也不盡相同。提高自行車車架的強度與剛度，是增強自行車穩定性與舒適度的關鍵，而提高車架的抗腐蝕性，則是延長其使用壽命的主要途徑。

1.2自行車車架材料

自行車車架材料，以鋁合金、碳纖維、鎂合金、鈦等為主，不同材料的楊氏彈性模量與密度差異較大。以鋁合金為例，其楊氏彈性模量為70-79GPa，密度一般在2.5-3.0g/cm3之間。在上述四種材料中，碳纖維的楊氏彈性模量值最高，鈦合金的密度值最大。楊氏彈性模量值是決定車架抗疲勞破壞能力的主要因素，其值越小，代表車架抗疲勞破壞能力越高。密度是決定車架重量的主要因素，密度越低，重量越小。將上述四種材料互相比較，鋁合金用于自行車車架的制作，具有更大的優勢。

2自行車車架的鋁合金材料性能實驗

為判斷鋁合金材料用于自行車車架的設計，是否能夠滿足自行車對于性能的需求，采用實驗的方法，對其不同物質構成情況下鋁合金材料的性能進行了分析與研究：

2.1實驗準備

準備Mg、Si、Cu、Cr、Mn、Ti等材料，對其質量分數加以控制，為鋁合金的制備以及性能測試做準備。共準備了3種材料質量分數不同的鋁合金制各標準。

2.2實驗流程

實驗遵循以下流程：（1）準備合金制各所依賴的材料。（2）熔鑄試棒，并擠壓型材。（3）對一部分型材的性能進行測試，另一部分型材用于車架的制作。（4）對所制作成的車架的性能進行測試。（4）將型材性能測試與車架性能測試結果結合，分析是否能夠達到自行車對性能的要求，如能夠達到，則生產自行車，并進一步對其性能進行測試。

2.3車架制備

熔鑄：（1）準備熔煉爐。（2）將金屬原料置于熔煉爐中熔煉。（3）熔煉時間15-25min，后扒渣處理。（4）將熔煉后的材料澆筑，待冷卻至室溫后取出。

擠壓：（1）采用熱擠壓方法擠壓成型。（2）胚料外徑控制在90mm，長度控制在300mm。（3）擠壓桿速度控制在2-3mm/s。（4）溫度控制在480℃。（5）模具預熱450℃。（6）擠壓機噸位控制在630T。

焊接：采用手工鎢極氬弧焊方法焊接。

熱處理：將材料淬火，后冷卻至室溫，直至形成飽和固溶體。

2.4測試方法

力學性能測試：采用鋁合金韋氏硬度計測試鋁合金材料硬度。

可靠性測試：采用水平力與垂直力可靠性測試方法，測試鋁合金材料的可靠性。

2.4實驗結果

（1）在合金中Si、Cu、Mn含量提高的條件下，材料反應后一般存在Si剩余，可有效提高鋁合金的強度。

（2）在上述條件下，將鋁合金上、下梁管壁厚度控制在1.4mm，制作出的山地車，車身重量可減輕1450g，且斷裂次數明顯減少，車架強度與剛度較強，可靠性較高。

3自行車車架的鋁合金材料加工工藝

自行車車架鋁合金材料的加工，對工藝的選擇，應重視有關工藝參數對車架硬度、抗拉強度、延伸率等的影響。

3.1工藝參數與車架硬度

通過對固溶溫度、時間、實效溫度、實效時間的調整，對四項因素對車架硬度的影響進行了分析，發現固溶溫度與時間對材料硬度的影響最為顯著。

在Mg質量分數為0.8-1.2%間、Si為0.4-0.8%、Cu為0.15-0.4%、Cr為0.04-0.35%、Mn與Ti<0.15%時，將固溶溫度控制在510℃、水淬時間控制在3h，后在170℃條件下保溫4h空冷，此時車架的硬度可達到最高。

3.2工藝參數與抗拉強度

通過對固溶溫度、時間、實效溫度、實效時間的調整，對四項因素對車架抗拉強度的影響進行了分析，發現固溶溫度與時效溫度對材料抗拉強度的影響最為顯著。

在Mg質量分數為0.8-1.2%間、Si為0.4-0.8%、Cu為0.15-0.4%、Cr為0.04-0.35%、Mn與Ti<0.15%時，將固溶溫度控制在510℃、保溫水淬時間控制在3h，后在170℃條件下保溫4h空冷，此時車架的抗拉強度可達到最高。

3.3工藝參數與延伸率

通過對固溶溫度、時間、實效溫度、實效時間的調整，對四項因素對車架延伸率的影響進行了分析，發現時效時間和固溶溫度對材料延伸率的影響最為顯著。

在車架鋁合金材料中各元素質量分數，以及固溶溫度、保溫水淬時間、空冷時間等，與上述參數相同的情況下，車架的延伸率同樣可達到最高。結論：

鋁合金材料中，Si、Cu、Mn含量的提高，可有效增強車架的強度，將Si質量分數控制在0.4-0.8%、Cu質量分數控制在0.15-0.4%，固溶溫度控制在510℃、保溫水淬時間控制在3h，在170℃條件下保溫4h空冷，可使鋁合金材料的強度、硬度、抗拉強度、延伸率均達到最高，采用該加工工藝，可有效增強自行車的使用性能，延長其使用壽命。