자전거 프레임 가공 공정

자전거 프레임은 자전거의 뼈대로, 앞바퀴, 뒷바퀴, 안장 및 구동 시스템을 연결하며 강도, 강성, 경량화 및 편안함을 모두 고려해야 합니다. 프레임 가공 기술은 자전거 성능, 무게 및 비용에 직접적인 영향을 미치며, 로드 자전거, 산악 자전거, 접이식 자전거 등 다양한 유형에 적용됩니다.

1. 설계 및 준비

• 프레임 설계: CAD 또는 SolidWorks를 사용하여 3차원 모델링을 수행하고, 기하학적 구조와 튜브 분포를 최적화하며, 라이딩 유형(예: 레이싱, 오프로드)을 고려합니다. 유한 요소 해석(FEA)은 강도와 강성을 검증하는 데 사용됩니다.
• 재료 준비:
  • 강철/알루미늄 합금: 필요한 길이로 절단된 정척 튜브 또는 판재를 구매합니다.
  • 탄소 섬유: 프리프레그(탄소 섬유 천 + 수지)를 준비하고 냉장 보관해야 합니다.
  • 티타늄 합금: 고정밀 튜브를 구매하고 표면 품질을 검사합니다.

2. 튜브 성형

• 강철/알루미늄 합금:
  • 압출 성형: 금속 잉곳을 튜브로 압출하여 벽 두께(0.8-2.0mm)를 제어합니다.
  • 인발: 냉간 인발을 통해 이형 튜브(예: 이중 버트 튜브, 벽 두께 점진적 변화)를 형성하여 강도와 경량화를 향상시킵니다.
  • 수압 성형: 복잡한 이형 튜브에 사용되며, 금형 내부의 고압수(약 100 MPa)가 튜브를 금형에 밀착시킵니다.
• 탄소 섬유:
  • 적층 성형: 프리프레그를 특정 각도(0°/45°/90°)로 적층하여 섬유 방향을 제어하여 강성을 최적화합니다.
  • 금형 압착: 금형에서 가열 경화(120-180°C, 압력 5-10 bar)하여 튜브 또는 전체 프레임을 형성합니다.
• 티타늄 합금: 대부분 이음매 없는 튜브를 사용하며, 정밀 절단 및 벤딩 처리가 필요합니다.

3. 용접 및 연결

• 강철:
  • 아르곤 아크 용접(TIG): 일반적으로 사용되며, 용접 이음매가 균일하고 얇은 벽 튜브에 적합합니다.
  • 브레이징: 크롬 몰리브덴 강에 사용되며, 온도가 낮아(약 900°C) 열 영향 구역을 줄입니다.
• 알루미늄 합금:
  • TIG 용접 또는 MIG 용접: 용접 온도(약 600°C)를 제어하여 과열로 인한 강도 저하를 방지해야 합니다.
  • 후처리: 열처리(T6, 약 500°C 담금질 + 180°C 시효)를 통해 재료 강도를 회복합니다.
• 탄소 섬유:
  • 접착: 에폭시 수지를 사용하여 튜브와 조인트(예: 알루미늄 합금 또는 탄소 섬유 조인트)를 접착합니다.
  • 일체 성형: 고급 프레임은 전체 금형 성형을 사용하여 용접이 필요 없습니다.
• 티타늄 합금:
  • TIG 용접: 산화를 방지하기 위해 불활성 가스 보호 하에 작동해야 합니다.
  • 지그 위치 결정: 용접 이음매 정밀도(편차 < 0.2mm)를 보장합니다.
• 연결 부품: 바텀 브래킷(하단 축 지지대), 헤드 튜브 등은 표준 부품에 맞도록 고정밀 가공(공차 ±0.1mm)이 필요합니다.

4. 구멍 가공 및 정밀 가공

• 구멍 가공:
  • 프레임에는 물통 케이지, 브레이크 설치용 나사 구멍과 케이블 라우팅용 관통 구멍을 가공해야 합니다.
  • CNC 가공: CNC 공작 기계는 고정밀 드릴링 및 밀링에 사용되며, 구멍 위치 공차는 ±0.05mm입니다.
  • 수동 드릴링: 소량 또는 맞춤형 프레임에 사용되며 효율성이 낮습니다.
• 정밀 가공:
  • 밀링/연삭: 버를 제거하고 조인트가 매끄럽게 되도록 합니다.
  • 탭핑: 바텀 브래킷과 물통 케이지 나사산을 가공하며, 고정밀 탭이 필요합니다.

5. 표면 처리

• 강철:
  • 쇼트 피닝/샌드 블라스팅: 산화층을 제거하고 표면 거칠기는 Ra 3.2-6.3μm입니다.
  • 전기 도금 또는 페인팅: 방청 처리, 일반적으로 에폭시 프라이머 + 폴리우레탄 상도, 코팅 두께 50-100μm.
• 알루미늄 합금:
  • 양극 산화 처리: 산화막(10-20μm)을 형성하여 내식성과 미관을 향상시킵니다.
  • 페인팅: 무광택 또는 광택 코팅을 선택하여 외관을 향상시킵니다.
• 탄소 섬유:
  • 클리어 코트: 섬유층을 보호하고 두께는 약 30-50μm이며 탄소 섬유 질감을 유지합니다.
  • 데칼: 브랜드 식별을 추가하고 내마모성 및 내후성이 있어야 합니다.
• 티타늄 합금:
  • 브러시 처리: 균일한 질감을 형성하고 추가 코팅이 필요 없으며 금속 질감을 유지합니다.

6. 품질 검사

• 치수 검사: 3차원 측정기를 사용하여 튜브 길이, 각도 및 구멍 위치 정밀도(편차 < ±0.2mm)를 검증합니다.
• 강도 테스트: 라이딩 하중(약 1000N)을 시뮬레이션하여 프레임 변형 및 피로 수명을 검사합니다.
• 표면 품질: 용접 이음매, 코팅 균일성 및 균열, 기포가 없는지 검사합니다.
• 조립 테스트: 표준 부품(예: 포크, 크랭크)을 설치하여 호환성을 검증합니다.