自転車フレームの加工プロセス

自転車フレームは自転車の骨格であり、前輪、後輪、シート、および駆動システムを接続します。強度、剛性、軽量性、および快適性を両立させる必要があります。フレームの加工プロセスは、自転車の性能、重量、およびコストに直接影響し、ロードバイク、マウンテンバイク、折りたたみ自転車など、さまざまなタイプに適用されます。

1. 設計と準備

• フレーム設計：CADまたはSolidWorksを使用して3Dモデリングを行い、幾何学的構造とパイプの配置を最適化し、ライディングタイプ（レース、オフロードなど）を考慮します。有限要素解析（FEA）を使用して、強度と剛性を検証します。
• 材料の準備：
  • 鋼材/アルミニウム合金：定尺のパイプまたは板材を調達し、必要な長さに切断します。
  • カーボンファイバー：プリプレグ（カーボンファイバークロス+樹脂）を準備し、冷蔵保存する必要があります。
  • チタン合金：高精度のパイプを調達し、表面品質を検査します。

2. パイプの成形

• 鋼材/アルミニウム合金：
  • 押出成形：金属インゴットを押し出してパイプを成形し、肉厚（0.8〜2.0mm）を制御します。
  • 引抜き：冷間引抜きによって異形パイプ（ダブルバテッドパイプ、肉厚が徐々に変化するパイプなど）を形成し、強度と軽量化を向上させます。
  • 水圧成形：複雑な異形パイプに使用され、金型内の高圧水（約100 MPa）でパイプを金型に密着させます。
• カーボンファイバー：
  • 積層成形：プリプレグを特定の角度（0°/45°/90°）で積層し、繊維方向を制御して剛性を最適化します。
  • 金型プレス：金型内で加熱硬化（120〜180°C、圧力5〜10 bar）し、パイプまたはフレーム全体を成形します。
• チタン合金：多くの場合、シームレスパイプが使用され、精密な切断と曲げ加工が必要です。

3. 溶接と接続

• 鋼材：
  • TIG溶接（アルゴンアーク溶接）：一般的で、溶接シームが均一で、薄肉パイプに適しています。
  • ロウ付け：クロムモリブデン鋼に使用され、温度が低く（約900°C）、熱影響部を低減します。
• アルミニウム合金：
  • TIG溶接またはMIG溶接：溶接温度（約600°C）を制御し、過熱による強度低下を回避する必要があります。
  • 後処理：熱処理（T6、約500°Cで焼入れ+180°Cで時効）により、材料の強度を回復させます。
• カーボンファイバー：
  • 接着：エポキシ樹脂を使用して、パイプとジョイント（アルミニウム合金またはカーボンファイバージョイントなど）を接着します。
  • 一体成形：ハイエンドフレームは、全体的な金型成形を採用しており、溶接は不要です。
• チタン合金：
  • TIG溶接：不活性ガス雰囲気下で操作し、酸化を回避する必要があります。
  • 治具による位置決め：溶接シームの精度（偏差<0.2mm）を確保します。
• 接続部品：ボトムブラケット（BB）、ヘッドチューブなど、標準部品に適合するように高精度加工（公差±0.1mm）が必要です。

4. 穴あけ加工と仕上げ

• 穴あけ加工：
  • フレームには、ネジ穴（ボトルケージ、ブレーキの取り付け用）と貫通穴（ケーブル配線用）を加工する必要があります。
  • CNC加工：CNC工作機械は、高精度の穴あけとフライス加工に使用され、穴の位置の公差は±0.05mmです。
  • 手作業による穴あけ：少量生産またはカスタムフレームに使用され、効率は低くなります。
• 仕上げ：
  • フライス加工/研削：バリを取り除き、ジョイントが滑らかになるようにします。
  • ねじ切り：ボトムブラケットとボトルケージのネジを加工するには、高精度のタップが必要です。

5. 表面処理

• 鋼材：
  • ショットブラスト/サンドブラスト：酸化層を除去し、表面粗さRa 3.2〜6.3μmにします。
  • 電気メッキまたは塗装：防錆処理、一般的にエポキシプライマー+ポリウレタン上塗り、コーティング厚さ50〜100μm。
• アルミニウム合金：
  • 陽極酸化処理：酸化膜（10〜20μm）を形成し、耐食性と美観を向上させます。
  • 塗装：マットまたは光沢のあるコーティングを選択して、外観を向上させることができます。
• カーボンファイバー：
  • クリアコート：繊維層を保護し、厚さは約30〜50μmで、カーボンファイバーのテクスチャを維持します。
  • デカール：ブランドアイデンティティを追加し、耐摩耗性と耐候性が必要です。
• チタン合金：
  • ヘアライン仕上げ：均一なテクスチャを形成し、追加のコーティングは不要で、金属の質感を維持します。

6. 品質検査

• 寸法検査：三次元測定器を使用して、パイプの長さ、角度、および穴の位置の精度（偏差<±0.2mm）を検証します。
• 強度テスト：ライディング荷重（約1000N）をシミュレートし、フレームの変形と疲労寿命を検査します。
• 表面品質：溶接シーム、コーティングの均一性、および亀裂や気泡がないか検査します。
• 組み立てテスト：標準部品（フロントフォーク、クランクなど）を取り付け、互換性を検証します。