Fahrradrahmen-Fertigungsprozess

Der Fahrradrahmen ist das Skelett des Fahrrads, das Vorder- und Hinterrad, Sitz und Antriebssystem verbindet. Er muss Festigkeit, Steifigkeit, geringes Gewicht und Komfort vereinen. Der Rahmenfertigungsprozess beeinflusst direkt die Leistung, das Gewicht und die Kosten des Fahrrads und ist für verschiedene Typen wie Rennräder, Mountainbikes und Falträder geeignet.

1. Design und Vorbereitung

• Rahmendesign: Verwendung von CAD oder SolidWorks für die 3D-Modellierung, Optimierung der geometrischen Struktur und der Rohranordnung unter Berücksichtigung des Fahrtyps (z. B. Rennen, Offroad). Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Überprüfung von Festigkeit und Steifigkeit.
• Materialvorbereitung:
  • Stahl/Aluminiumlegierung: Beschaffung von Rohren oder Blechen in Standardgrößen, Zuschnitt auf die erforderliche Länge.
  • Kohlefaser: Vorbereitung von Prepregs (Kohlefasergewebe + Harz), die gekühlt gelagert werden müssen.
  • Titanlegierung: Beschaffung von hochpräzisen Rohren, Überprüfung der Oberflächenqualität.

2. Rohrformung

• Stahl/Aluminiumlegierung:
  • Extrusion: Extrudieren von Metallbarren zu Rohren, Kontrolle der Wandstärke (0,8-2,0 mm).
  • Ziehen: Kaltziehen zur Bildung von Sonderprofilrohren (z. B. Doppelkonusrohre, variable Wandstärke) zur Erhöhung der Festigkeit und Gewichtsreduzierung.
  • Hydroforming: Für komplexe Sonderprofilrohre, Hochdruckwasser (ca. 100 MPa) im Werkzeug presst das Rohr an die Werkzeugform.
• Kohlefaser:
  • Laminieren: Schichten von Prepregs in bestimmten Winkeln (0°/45°/90°), Steuerung der Faserrichtung zur Optimierung der Steifigkeit.
  • Formpressen: Aushärten in einer Form durch Erhitzen (120-180°C, Druck 5-10 bar) zur Bildung von Rohren oder eines kompletten Rahmens.
• Titanlegierung: Meist Verwendung von nahtlosen Rohren, die präzise geschnitten und gebogen werden müssen.

3. Schweißen und Verbinden

• Stahl:
  • Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG): Häufig verwendet, gleichmäßige Schweißnähte, geeignet für dünnwandige Rohre.
  • Hartlöten: Für Chrom-Molybdän-Stahl, niedrigere Temperatur (ca. 900°C), Reduzierung der Wärmeeinflusszone.
• Aluminiumlegierung:
  • WIG- oder MIG-Schweißen: Die Schweißtemperatur muss kontrolliert werden (ca. 600°C), um eine Überhitzung und damit eine Festigkeitsminderung zu vermeiden.
  • Nachbehandlung: Wärmebehandlung (T6, ca. 500°C Abschrecken + 180°C Auslagern) zur Wiederherstellung der Materialfestigkeit.
• Kohlefaser:
  • Kleben: Verwendung von Epoxidharz zum Verkleben von Rohren und Verbindungsstücken (z. B. Aluminiumlegierungs- oder Kohlefaserverbindungsstücke).
  • Integrale Formgebung: High-End-Rahmen werden in einem Stück in einer Form gefertigt, wodurch Schweißen entfällt.
• Titanlegierung:
  • WIG-Schweißen: Muss unter Schutzgas durchgeführt werden, um Oxidation zu vermeiden.
  • Vorrichtungspositionierung: Sicherstellung der Schweißnahtgenauigkeit (Abweichung <0,2 mm).
• Verbindungselemente: Wie Tretlagergehäuse, Steuerrohr usw., erfordern eine hochpräzise Bearbeitung (Toleranz ±0,1 mm) zur Anpassung an Standardkomponenten.

4. Lochbearbeitung und Feinbearbeitung

• Lochbearbeitung:
  • Der Rahmen muss mit Gewindebohrungen (für Flaschenhalter, Bremsenmontage) und Durchgangsbohrungen (für die Kabelführung) versehen werden.
  • CNC-Bearbeitung: CNC-Maschinen werden für hochpräzises Bohren und Fräsen verwendet, die Lochpositionstoleranz beträgt ±0,05 mm.
  • Manuelles Bohren: Wird für Kleinserien- oder kundenspezifische Rahmen verwendet, geringere Effizienz.
• Feinbearbeitung:
  • Fräsen/Schleifen: Entfernen von Graten, um eine glatte Verbindung zu gewährleisten.
  • Gewindeschneiden: Bearbeitung des Tretlagergehäuses und der Flaschenhaltergewinde, erfordert hochpräzise Gewindebohrer.

5. Oberflächenbehandlung

• Stahl:
  • Kugelstrahlen/Sandstrahlen: Entfernung der Oxidschicht, Oberflächenrauheit Ra 3,2-6,3 μm.
  • Galvanisieren oder Lackieren: Rostschutzbehandlung, üblicherweise Epoxidgrundierung + Polyurethan-Decklack, Schichtdicke 50-100 μm.
• Aluminiumlegierung:
  • Anodisieren: Bildung einer Oxidschicht (10-20 μm) zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und des Aussehens.
  • Lackieren: Wahlweise matte oder glänzende Beschichtung zur Verbesserung des Aussehens.
• Kohlefaser:
  • Klarlackbeschichtung: Schutz der Faserschicht, Dicke ca. 30-50 μm, Beibehaltung der Kohlefaserstruktur.
  • Aufkleber: Erhöhung der Markenidentität, müssen verschleißfest und witterungsbeständig sein.
• Titanlegierung:
  • Bürsten: Bildung einer gleichmäßigen Textur, keine zusätzliche Beschichtung erforderlich, Beibehaltung der metallischen Textur.

6. Qualitätskontrolle

• Maßkontrolle: Verwendung eines 3D-Koordinatenmessgeräts zur Überprüfung der Rohrlänge, des Winkels und der Lochpositionierungsgenauigkeit (Abweichung <±0,2 mm).
• Festigkeitsprüfung: Simulieren der Fahrbelastung (ca. 1000 N), Überprüfung der Rahmenverformung und der Lebensdauer bei Ermüdung.
• Oberflächenqualität: Überprüfung der Schweißnähte, der Gleichmäßigkeit der Beschichtung und des Fehlens von Rissen und Blasen.
• Montageprüfung: Montage von Standardkomponenten (z. B. Gabel, Kurbel), Überprüfung der Kompatibilität.