工程機(jī)械研發(fā)中輕量化技術(shù)應(yīng)用

摘 要：在當(dāng)今工程機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中所取的安全系數(shù)過(guò)大，造成工程機(jī)械自身過(guò)重，不方便運(yùn)輸和移動(dòng)位置。在工業(yè)機(jī)械體積過(guò)大過(guò)重的背景下，輕量化設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械對(duì)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展有推動(dòng)作用。輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料、輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輕量化要求，輕量化技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)，輕量化設(shè)計(jì)的最終目的是使產(chǎn)品的重量、性能和成本等因素都得到優(yōu)化處理。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；工程機(jī)械；輕量化；設(shè)計(jì)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）33-0249-02

引 言

工程機(jī)械輕量化技術(shù)是指通過(guò)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)等優(yōu)化工程機(jī)械設(shè)計(jì)。工程機(jī)械輕量化技術(shù)可通過(guò)材料優(yōu)選，制造工藝改善、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整減輕工程機(jī)械的整體重量，在制造過(guò)程中可起到降低成本，提高機(jī)械設(shè)備使用性能的作用，同時(shí)可以有效節(jié)約能源，減少污染物的排放。

1 輕量化概述

輕量化這一概念最先起源于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)就是重量輕巧，可以帶來(lái)良好的操控性，高效率的輸出的動(dòng)力。輕量化要從結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，材料的優(yōu)化，技術(shù)多元化，多學(xué)科交叉等方面做起，由于市場(chǎng)的需求，我國(guó)的工程機(jī)械在近幾年得到了很大的提升，產(chǎn)品以及技術(shù)等多方面比起以前有了很大的不同，但國(guó)際的前沿技術(shù)依舊比我國(guó)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)秀很多，更加先進(jìn)。

輕量化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)化的工程，其最終的目的是使質(zhì)量、性能及成本等的綜合優(yōu)化；如何在保證設(shè)備使用性能的前提要求下，將其設(shè)備的設(shè)計(jì)按照質(zhì)量輕、運(yùn)行功率低且運(yùn)行安全可靠也成為我國(guó)現(xiàn)階段的工程機(jī)械制造技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

2 工程機(jī)械輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 設(shè)計(jì)理念保守

我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)最初是采用蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)理念。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)不能再適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論目前還比較保守，器件比較笨重，安全系數(shù)過(guò)大，安全性能好。

2.2 設(shè)計(jì)缺乏核心技術(shù)

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，沒(méi)有吸收先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，長(zhǎng)期采用類(lèi)推的方法，設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng)，沒(méi)有多余的選擇方案可以進(jìn)行選擇。缺少優(yōu)秀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)自主創(chuàng)新能力薄弱，生產(chǎn)大量仿制品，沒(méi)有自身的核心技術(shù)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)。同時(shí)，也缺乏理論基礎(chǔ)，對(duì)智能技術(shù)的探究缺乏深度的認(rèn)識(shí)。

在我國(guó)的制造行業(yè)中，制造技術(shù)的發(fā)展還比較年輕，對(duì)于新技術(shù)、新方法、新材料的運(yùn)用都還不廣泛。如果沒(méi)有自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和創(chuàng)新能力，工程機(jī)械輕量化還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走。要想發(fā)展工程技術(shù)的輕量化就需要不斷研發(fā)新技術(shù)，采用新材料。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的剛度、強(qiáng)度以及抗疲勞性。

3 工程機(jī)械中輕量化設(shè)計(jì)方法研究

工程機(jī)械駕駛室主要包括平地機(jī)、壓路機(jī)、挖掘機(jī)、堆高機(jī)、起重機(jī)等各類(lèi)帶駕駛室的土方施工機(jī)械。

3.1 輕量化材料的應(yīng)用

（1）高強(qiáng)度鋼的分類(lèi)和定義

國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的定義和分類(lèi)方法，一般按照強(qiáng)度劃分或按照強(qiáng)化機(jī)理劃分，將屈服強(qiáng)度小于210MPa的鋼稱為軟鋼；210～550MPa的稱為高強(qiáng)度鋼；屈服強(qiáng)度高于550MPa的稱為超高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼價(jià)格相對(duì)較低，具有高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、優(yōu)越的碰撞吸能性和抗疲勞強(qiáng)度，且沖壓成型性、焊接性和可涂裝性優(yōu)良。關(guān)鍵是能夠利用現(xiàn)有工程機(jī)械生產(chǎn)線生產(chǎn)，從而節(jié)約設(shè)備投資，所以現(xiàn)階段高強(qiáng)度鋼是工程機(jī)械駕駛室減重的首選材料。

（2）鋁合金材料

鋁合金材料密度是鋼的1/3，吸能性是鋼的2倍，在碰撞安全性方面有明顯優(yōu)勢(shì)，且鋁的可回收性和耐腐蝕性佳，是最常見(jiàn)的機(jī)械用輕金屬材料。雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能夠得到復(fù)雜界面，從結(jié)構(gòu)上補(bǔ)償部件的剛度。在滿足剛性和強(qiáng)度等方面力學(xué)性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化、提高整車(chē)燃油效率。由于鋁合金具有上述優(yōu)良特性，自20世紀(jì)70年代石油危機(jī)以來(lái)，歐美日等汽車(chē)大國(guó)就開(kāi)始在量產(chǎn)車(chē)上應(yīng)用鋁合金，隨著鋁合金加工工藝和裝配工藝日漸成熟，工程機(jī)械駕駛室的輕量化研究中也開(kāi)始大規(guī)模使用鋁合金材料。

（3）高分子材料和復(fù)合材料

為節(jié)約資源、滿足輕量化、防腐蝕、低成本和美觀等要求，現(xiàn)代工程機(jī)械材料方面正在大量采用非金屬材料，目前主要有工程塑料和復(fù)合材料。工程高分子材料主要有PP、PE、PVC、ABS、PA等，工程塑料具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防震、隔音隔熱等優(yōu)良特性，同時(shí)，又具有金屬鋼板不具備的外觀（顏色、光澤）和觸感，所以在工程機(jī)械中廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料是指兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)而制成的一種多相固體材料，通常由增強(qiáng)材料和基體復(fù)合而成。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。復(fù)合材料具有很多金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有防銹、隔熱、隔聲、保護(hù)人體、密度小、強(qiáng)度高、抗疲勞度大等特點(diǎn)。高強(qiáng)度有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有很高的機(jī)械強(qiáng)度，能代替鋼架材料，從而減輕工程機(jī)械駕駛室自身質(zhì)量；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠代替鋼板彈簧，可運(yùn)用于懸架系統(tǒng)。

3.2 輕量化制造工藝

（1）激光拼焊板

激光拼焊板（Tailor Welding Blanks，TWB）可將不同材質(zhì)、不同厚度、不同強(qiáng)度和不同表面鍍層的板坯拼合起來(lái)，然后整體進(jìn)行壓型。該工藝通過(guò)減少制件數(shù)量、減薄鋼板局部及去除點(diǎn)焊凸緣來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化目的。

（2）熱沖壓成型工藝

熱沖壓成型工藝是將高強(qiáng)度鋼板加熱至奧氏體化狀態(tài)，然后快速轉(zhuǎn)移到模具中沖壓成型，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃/s的冷卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時(shí)間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)鋼零件的成型方式。

液壓成形工藝采用液態(tài)的水、油作為傳力介質(zhì)代替剛性的凸凹模，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力下貼合凸凹模成型。液壓成型工藝在管材、板材加工方面制模簡(jiǎn)單、周期短且產(chǎn)品形狀和尺寸精度高。液壓成型工藝特別適合成型性差和高強(qiáng)度材料，所以在高強(qiáng)度鋼、鋁合金和復(fù)合材料等輕量化材料的使用上起到重要支撐作用。液壓成型工藝一般有預(yù)成型、成型、校準(zhǔn)3個(gè)過(guò)程，可用于板材和管材成型。

板材液壓成型技術(shù)適用于有深沖要求的復(fù)雜工件及較少凹槽的大型工件。由于預(yù)成型使材料產(chǎn)生了期望的預(yù)應(yīng)力，可以使外板件在保持耐沖擊性不變的情況下減少壁厚，從而達(dá)到輕量化目的。管材液壓成型工藝是指管坯在內(nèi)外部液體壓力作用下貼合內(nèi)部的芯棒成型。該工藝可提高管件的內(nèi)、外表面精度，也可用于兩個(gè)部件的連接。

（3）鋁合金壓鑄新工藝

鋁合金加工方法有鑄造、壓鑄、輥壓、擠壓、沖壓等。普通壓鑄是當(dāng)金屬液在高壓下以5～50m/s高速注入型腔，此時(shí)型腔內(nèi)氣體很難排除，必然被壓縮注入制品內(nèi)部，從而形成氣孔、變形等表面缺陷。隨著鋁合金在工程機(jī)械中的應(yīng)用日益廣泛，工程師們開(kāi)發(fā)了一系列鋁合金壓鑄新工藝，如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法、無(wú)孔性壓鑄法等。其中無(wú)孔性壓鑄法最受歡迎，壓鑄時(shí)注入型腔的金屬液與氧氣發(fā)生反應(yīng)，型腔內(nèi)隨即形成真空狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)氣孔且可熱處理的高品質(zhì)壓鑄件。由于應(yīng)用鋁材且壁厚減小，輕量化效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以工程機(jī)械駕駛室為例，從輕量化材料以及輕量工藝應(yīng)用兩方面介紹了輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。同時(shí)，在工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面要注意綜合評(píng)價(jià)生產(chǎn)過(guò)程，另一方面要對(duì)技術(shù)進(jìn)行分析和檢測(cè)。還要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)使得輕量化的技術(shù)不斷向著成熟的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王月云.工程機(jī)械輕量化方法與設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2017（05）.

收稿日期：2018-10-15

作者簡(jiǎn)介：沈小燕（1984-），女，工程師，碩士，從事研發(fā)技術(shù)管理工作。

李 超（1987-），男，助理工程師，本科，從事駕駛室設(shè)計(jì)工作。

李 云（1985-），男，工程師，碩士，從事工程機(jī)械駕駛室設(shè)計(jì)。