摘 要：在當今工程機械設計過程中所取的安全系數(shù)過大，造成工程機械自身過重，不方便運輸和移動位置。在工業(yè)機械體積過大過重的背景下，輕量化設計工業(yè)機械對工程設計的發(fā)展有推動作用。輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料、輕量化制造技術的集成應用。在產(chǎn)品設計過程中要注意產(chǎn)品設計的輕量化要求，輕量化技術是一個系統(tǒng)的技術，輕量化設計的最終目的是使產(chǎn)品的重量、性能和成本等因素都得到優(yōu)化處理。

關鍵詞：機械設計；工程機械；輕量化；設計研究

中圖分類號：TU602 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0249-02

引 言

工程機械輕量化技術是指通過材料、制造工藝、結構參數(shù)等優(yōu)化工程機械設計。工程機械輕量化技術可通過材料優(yōu)選，制造工藝改善、結構參數(shù)調(diào)整減輕工程機械的整體重量，在制造過程中可起到降低成本，提高機械設備使用性能的作用，同時可以有效節(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運動，其優(yōu)勢就是重量輕巧，可以帶來良好的操控性，高效率的輸出的動力。輕量化要從結構的優(yōu)化，材料的優(yōu)化，技術多元化，多學科交叉等方面做起，由于市場的需求，我國的工程機械在近幾年得到了很大的提升，產(chǎn)品以及技術等多方面比起以前有了很大的不同，但國際的前沿技術依舊比我國的工程機械設計技術優(yōu)秀很多，更加先進。

輕量化設計是一項系統(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；如何在保證設備使用性能的前提要求下，將其設備的設計按照質(zhì)量輕、運行功率低且運行安全可靠也成為我國現(xiàn)階段的工程機械制造技術所面臨的挑戰(zhàn)。

2 工程機械輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 設計理念保守

我國的機械設計最初是采用蘇聯(lián)的設計理念。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)不能再適應社會的發(fā)展，我國的鋼結構設計理論目前還比較保守，器件比較笨重，安全系數(shù)過大，安全性能好。

2.2 設計缺乏核心技術

在設計的過程中，沒有吸收先進的設計技術，長期采用類推的方法，設計的周期較長，沒有多余的選擇方案可以進行選擇。缺少優(yōu)秀的評價標準，企業(yè)自主創(chuàng)新能力薄弱，生產(chǎn)大量仿制品，沒有自身的核心技術，沒有實驗所需要的數(shù)據(jù)。同時，也缺乏理論基礎，對智能技術的探究缺乏深度的認識。

在我國的制造行業(yè)中，制造技術的發(fā)展還比較年輕，對于新技術、新方法、新材料的運用都還不廣泛。如果沒有自己的實驗數(shù)據(jù)和創(chuàng)新能力，工程機械輕量化還有相當長的一段路要走。要想發(fā)展工程技術的輕量化就需要不斷研發(fā)新技術，采用新材料。在設計過程中，要注意優(yōu)化產(chǎn)品設計，從根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的剛度、強度以及抗疲勞性。

3 工程機械中輕量化設計方法研究

工程機械駕駛室主要包括平地機、壓路機、挖掘機、堆高機、起重機等各類帶駕駛室的土方施工機械。

3.1 輕量化材料的應用

（1）高強度鋼的分類和定義

國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定義和分類方法，一般按照強度劃分或按照強化機理劃分，將屈服強度小于210MPa的鋼稱為軟鋼；210～550MPa的稱為高強度鋼；屈服強度高于550MPa的稱為超高強度鋼。高強度鋼價格相對較低，具有高的結構強度、優(yōu)越的碰撞吸能性和抗疲勞強度，且沖壓成型性、焊接性和可涂裝性優(yōu)良。關鍵是能夠利用現(xiàn)有工程機械生產(chǎn)線生產(chǎn)，從而節(jié)約設備投資，所以現(xiàn)階段高強度鋼是工程機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，且鋁的可回收性和耐腐蝕性佳，是最常見的機械用輕金屬材料。雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能夠得到復雜界面，從結構上補償部件的剛度。在滿足剛性和強度等方面力學性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的質(zhì)量，進而實現(xiàn)工程機械輕量化、提高整車燃油效率。由于鋁合金具有上述優(yōu)良特性，自20世紀70年代石油危機以來，歐美日等汽車大國就開始在量產(chǎn)車上應用鋁合金，隨著鋁合金加工工藝和裝配工藝日漸成熟，工程機械駕駛室的輕量化研究中也開始大規(guī)模使用鋁合金材料。

（3）高分子材料和復合材料

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，又具有金屬鋼板不具備的外觀（顏色、光澤）和觸感，所以在工程機械中廣泛應用。復合材料是指兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)結合起來而制成的一種多相固體材料，通常由增強材料和基體復合而成。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。復合材料具有很多金屬材料無法比擬的優(yōu)點，具有防銹、隔熱、隔聲、保護人體、密度小、強度高、抗疲勞度大等特點。高強度有機纖維增強復合材料有很高的機械強度，能代替鋼架材料，從而減輕工程機械駕駛室自身質(zhì)量；碳纖維增強復合材料能夠代替鋼板彈簧，可運用于懸架系統(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、不同強度和不同表面鍍層的板坯拼合起來，然后整體進行壓型。該工藝通過減少制件數(shù)量、減薄鋼板局部及去除點焊凸緣來實現(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的冷卻速度進行淬火處理，保壓淬火一段時間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件的成型方式。

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度材料，所以在高強度鋼、鋁合金和復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成型、成型、校準3個過程，可用于板材和管材成型。

板材液壓成型技術適用于有深沖要求的復雜工件及較少凹槽的大型工件。由于預成型使材料產(chǎn)生了期望的預應力，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。普通壓鑄是當金屬液在高壓下以5～50m/s高速注入型腔，此時型腔內(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械中的應用日益廣泛，工程師們開發(fā)了一系列鋁合金壓鑄新工藝，如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法、無孔性壓鑄法等。其中無孔性壓鑄法最受歡迎，壓鑄時注入型腔的金屬液與氧氣發(fā)生反應，型腔內(nèi)隨即形成真空狀態(tài)，從而實現(xiàn)無氣孔且可熱處理的高品質(zhì)壓鑄件。由于應用鋁材且壁厚減小，輕量化效果顯著。

4 結束語

本文以工程機械駕駛室為例，從輕量化材料以及輕量工藝應用兩方面介紹了輕量化技術在工程機械設計中的應用。同時，在工程機械輕量化的設計過程中，一方面要注意綜合評價生產(chǎn)過程，另一方面要對技術進行分析和檢測。還要進行大量的實驗使得輕量化的技術不斷向著成熟的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]王月云.工程機械輕量化方法與設計研究[J].中國金屬通報，2017（05）.

收稿日期：2018-10-15

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

李 超（1987-），男，助理工程師，本科，從事駕駛室設計工作。

李 云（1985-），男，工程師，碩士，從事工程機械駕駛室設計。