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钛合金材料在自行车制造领域的开发应用
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钛合金材料在自行车制造领域的开发应用

发布时间 :2021-07-25 17:29:46 浏览次数 :

随着人们对自行车功能观念认识的转变,尤其是国际自行车竞赛运动的日益激烈,自行车制造厂商们便不断谋求重量轻、强度高的新材料,于是钛便成了他们注意的目标。

本星球每年都举办自行车博览会,其中最有名的是一年一度轮流于意大利的米兰和西德的科隆召开的国际自行车博览会。最早能看到自行车钛零件展品的是1975年11月的米兰博览会。在这次博览会上,意大利的毕安奇自行车公司展出了一辆全钛车架的公路赛车。由于这辆新型赛车的总重量只有。66公斤,而引起了轰动。

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早在70年代初,西德的卡尔科夫公司、美国的泰列达因钛公司、英国的史皮德一威尔公司等生产厂家,就曾进行过钛车架的试制工作。但是,由于当时生产自行车钛零件的加工和焊接技术还未赶关,而未能形成批量生产能力。进人80年代以后,随着科学技术的不断进步,各种自行车铁零件竞一相问世,从而推动了自行车的钛材化。

一、钛在自行车行业的应用现状

按照自行车各部分的功能,可把自行车分为13个部分,即车体部、控制部、驱动部、行走部、变速部、。制动部、座位部、装载部、停立部、警报部、照明部、附属件和连接件 。其中车体部包括车架、前车又、车头、悬吊件、阀座和挡泥板。这一部分按其重量计约占车重的27%。驱动部包括链轮、曲轴、脚蹬、链条、飞轮、链盒。这部分约占车重的22%。行走部包括轮胎、内胎、车圈、辐条、轮毅,这部分约占自行车总重的24%。由此可见,车体部、驱动部和行走部这三部分的重鼠之和,就占自行车总重量的70%以上。

因此,旨在降低自行车重量的钛材化问题,首先就是从这儿开始的,并且经过10多年的开发研究,其中人部分零部件已实现了钛材化。

下面概述一下自行车钛零件的生产现状。

1、车体部

这部分钛材化的重点是车架,因为车架是自行车的最大部件,也是最重要的零件之一。日本生产的小型轻便自行车钛车架的基本数据如表1所示。

生产钛车架的主要难点是管材的加l和焊接,尤其是焊接技术。70年代初,各国自行车制造公司之所以没有开发出批量生产钛车架的能力,其关键就是没有解决好认的焊接问题,致使车架的强度不够。

日本的日美富士自行车公司,早在1975年就开始铁车架的开发研究工作,但很长时间内未能实现批量生产。现在该公司已解决了车架的上、下、立管和其它形状管材的旋锻、切削等加工问题,形成了普通自行车和赛车用钛车架的批量生产能力。此外,该公司对叉头和叉尾件也开发出相应的锻造方法。

表1 钛车架基本规格

名称规格
上管φ25.4mm
下管φ29.2mm
立管φ30.2mm
车架尺寸515mm
车架重量2400g

2、驱动部

这部分自行车零件的特点是件小,种类多,其多数零件目前已能用钛制作。

1)曲轴

由钛曲轴、曲轴螺栓、轴承和轴承碗组成的曲轴装配件的重量为185克,而同样尺寸的钢制曲轴装配件重290克。

2)脚蹬轴

钛脚蹬轴的重量为100克,而钢脚蹬轴的重量为170克。

3)链条

链条的重量随着链条节数的不同而异。114节钢链条的重量为385克,112节不锈钢链条重365克,而112节钛链条的重量仅为265克。为了适应更苛刻的行驶条件的要求,人们正期待着开发钛合金链条。

4)飞轮

目前日本已有多速钛一钢组合飞轮上市。

3、行走部

1)车圈

由铁管制成的高级钛车圈目前仅用于赛车。在钛车圈出现之前,用的是铝合金。然而,自1983年日本自行车振兴会把钛管车圈定为赛车车圈以来,截止到1987年,仅日本就使用了近万只钛车圈。日本新家工业公司采用薄壁焊接钛管。经精密压力加工,制成公差为士2mm、外周长为1996mm的圆形件后,于切口处配以适当的接头,就制成了完全对接接合的圆形车圈。然后经表面抛光,再按规定的36,32,28辐条孔数打孔就行了。这种钛车圈的单重只有300克。

2)辐条

普通自行车辐条钛丝的单根重量为4.6克,直径为2mm;其大小、形状与钢辐条完全一样,拉伸强度为676MPa,即大体相当于我国的TA3。

4、控制部

这一部分的主要零件是车把。

自行车车把有三种形状:下弯式、扁平式和上弯式。

制作车把用的管材直径通常有两个规格,即外径为22mm和23.8mm的两种管子。

1985年春M公司用钛管制作的下弯式车把,其管材外径为23.8mm,壁厚为1.2mm。

5、其它钛制品

除上述自行车零件外,目前还能生产钛制延迟器、大齿轮、车座、车闸等零部件,尤其是螺栓、螺母之类的连接件。日本施玛诺工业公司,从1973年开始试制自行车零件,目前它生产的各种自行车钛零件已销往世界很多地方。其产品包括轮毅、飞轮、链轮、曲轴、支架、脚蹬、导向轮、卡式制动器等。

该公司声称,用钛链轮、曲轴、飞轮和导向装置取代钢制件后,可减重50%一60%。

二、障碍与办法

总的说来,影响自行车钛零件推广的主要障碍是技术和价格这两个方面。在整个70年代及80年代初,技术是影响钛零件生产推广的主要障碍。由于当时人们对钛的加工性能和焊接特性了解的不多,因此迟迟不能形成批量生产能力。经过10多年的开发研究之后,现在国外一些自行车生产厂家已经基本掌握了各种管材的加工和焊接技术,因此不断有新的钛零件问世,为自行车钛零件的推广应用奠定了技术基础。

进人80年代以后,随着自行车钛零件生产技术的不断进步和生产的钛零件数量的不断增加,阻碍钛零件推广的主要障碍就转移到价格上来。例如,虽然钛曲轴装配件比相同尺寸的钢装配件轻105克,但其价格却是钢的6倍;钛辐条的价格为同尺寸不锈钢辐条的15倍,为普通钢辐条的30倍;而钛合金螺栓的价格竟为普通钢螺栓的100倍左右,日本人曾对装有部分钛零件的高级自行车的单重价格与汽车和彩电进行了比较。

结果表明,高级自行车的价格为每克6日元,汽车为1.8日元,彩电是5日元;而对于定做的高级自行车来说,其单重价格竟高达每克20日元。由此可见,高级自行车是比汽车和彩电挡次更高的产品。

装有钛零件的高级自行车的价格如此昂贵,就必然阻碍了钛零件的推广应用。因此,要打开自行车铁零件的销路,就必须大幅度地降低钛零件的生产成本。

据日刊报道,日本大同特殊钢公司,通过先在等离子弧炉中溶炼残钛和海绵钛的棍合料,然后于真空电弧炉中重熔的方法,把出售的高级自行车的成本降低了15%。

此例说明,在降低高级自行车钛零件的成本方面是大有潜力的,其基本办法就是向科学技术要效益。熔炼工艺尚能有如此大幅度地降低生产成本的潜力,那么存在于流程更长的钛管加工和焊接工艺方面的潜力也一定更大。因此,要在进一步稳定现有工艺的基础上,努力探索更经济的生产钛零件的新技术。

三、自行车钛材化的前景

国外一些自行车公司经过10多年的开发研究,已能批量生产自行车的主要铁制零部件,一批装有铁制零件的高级自行车也相继问世。例如日美富士自行车公司,通过与住友重型机械公司合作,克服了管材加工、焊接和小零件生产的困难,开始了纯铁自行车的批量生产。在它出售的高级赛车“富士钛”中,车架和前叉都是用纯钛制作的,其单价为23一30万日元。日本松下自行车工业公司,从1987年4月开始出售一种称为B一PCT500型的高级自行车,这是一种净重为8。68公斤的赛车,售价为29万日元(4)。据称,由于这种赛车重量轻、强度高、稳定性好,尤其是外观漂亮,而受到体育界,尤其是赛车运动员们的喜爱,故其销售颇为顺利。

然而,至今自行车钛零件的应用还主要限于赛车领域。据日本人士估计,1986年日本生产的各种用途的自行车约为660万辆,其中小型自行车为270万辆,约占总数的41%,轻便车139万辆,占20%,体育用车100万辆,占巧%。而且在这三种主要车型中,轻便车有大幅度增长之势。由此可见,钛在自行车行业的应用前景是光明的,市场潜力很大。我国是世界闻名的自行车王国,倘若能在我国打开销路,其市场之大远非日本市场可比。

四、几点粗浅的看法

钛作为一种新型结构材料,以其重量轻、强度高、耐腐蚀、易着色等优良性能而获得自行车行业的青睐。由于材料科学工作者们10多年的努力,现已初步形成了某些钛零件的批量生产能力,为钛材在自行车行业的推广应用开辟了道路。目前,钛在自行车上的用量正在逐步增加,但所生产的品种数量还很有限,应用面也很窄,故钛在自行车行业的应用市场潜力很大。有人曾对日本市场做过估算,认为目前日本国内自行车市场的年销售量约为600万辆,如果以单车用钛50%来计算的话,那么日本每年仅自行车行业的用钛量就可达。26万多吨。尽管对市场前景的预测未必能用这种简单的计算方法估计出来,但它却直观地说明了钛在自行车行业的潜在市场是很大的。我国是一个钛资源十分丰富的国家,充分利用我国的资源优势,开拓钛的新应用领域,是我们始终不渝的追逐目标之一,因此我们应该努力占领这一应用市场。这是第一点。

第二点是加强横向联合,建立一支专业化队伍。

我国的钛工业至今已有30多年的历史,而自70年代初我国开展钛的民用推广以来也已将近20年。在这20年的时间里,钛的足迹已涉及到哆多个民用行业、十几个部门,民用钛的数量也猛增到钛材消费总量的80%以上。

但是,迄今为止自行车行业对钛却很少问津,而我们的钛加工厂虽然积累了一定的钛加工和焊接经验,但要生产自行车钛零件尚需自行车专业技能的支持。因此,加强钛加工厂与自行车制造厂之间的横向联合,建立一支专业化队伍,实在是认向自行车行业扩展之必要。这支专业队伍从一开始就要以研制最佳工艺,努力降低生产成本,提高制品的竞争能力为己任。

第三点是小件向内,大件对外,总结经验,向单车发展。

如上所述,用钛取代钢后,车的重杖虽然下降了,但价格却激剧上升。按照我国人民的目前生活水平,采用大比例取代的自行车是很难打开销路的。但是,若用小件,如钛螺栓螺母取代相应的钢制品,却是可行的。这种尝试性的工作尤以向体育界推广为宜。至于较大的钛零部件,如车架、车圈等,可向国外销售。据说,一副纯钛自行车车架在美国可卖到250美元,而且这个价格在美国尚有一定的竞争力。在此基础上,可逐渐发展提高生产高级自行车单车的能力,以便让我国生产的高级自行车能跻身于国际市场。

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