工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用研究

蔡啟超

（酒鋼集團(tuán)智美廣告裝潢工程有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

輕量化這一概念最先起源于賽車運(yùn)動，它的優(yōu)勢在于提高燃油效率和降低油耗，進(jìn)而環(huán)保節(jié)能。在保證行駛安全的同時，降低汽車整車重量，減少燃油耗量，已成為汽車制造的趨勢。對于工程機(jī)械來說，目前工程設(shè)計(jì)中所取的安全系數(shù)過大，造成工程機(jī)械自身過重，不方便運(yùn)輸和移動。而輕量化設(shè)計(jì)能解決這些問題，從而有效推動工程機(jī)械的發(fā)展。輕量化實(shí)施是一個長期積累和逐步求精的過程。我國設(shè)計(jì)理論相對保守，這樣的背景下，思考采用輕量化的工程機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：加大材料抵抗外力變形能力和零件受到?jīng)_擊載荷發(fā)生屈服后仍能維持功能的投入力度；重視科研隊(duì)伍人才的培養(yǎng)和建設(shè)，以保證工程機(jī)械設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展；加大實(shí)際試驗(yàn)的投入，做好數(shù)據(jù)積累工作，以便擁有屬于自己的數(shù)據(jù)，便于修正設(shè)計(jì)參數(shù)，保證設(shè)計(jì)的可行性和有效性；要求設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)變觀念，向全面自主創(chuàng)新方向發(fā)展，多鼓勵和支持設(shè)計(jì)師積極創(chuàng)新；學(xué)會并熟練掌握數(shù)字化設(shè)計(jì)手段和軟件工具；增強(qiáng)開發(fā)與應(yīng)用專用設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件，提高升級換代速度，最終使產(chǎn)品效能、成本、重量等因素都得到優(yōu)化處理。

1 輕量化技術(shù)概念

隨著社會的快速發(fā)展，工程機(jī)械輕量化受到廣泛關(guān)注和重視。輕量化技術(shù)是在保證產(chǎn)品的基本使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應(yīng)用新設(shè)計(jì)、新材料、新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品整體的減重，以完成工程機(jī)械向“低能耗”“低排放”的轉(zhuǎn)變。輕量化已經(jīng)在制造業(yè)中形成廣泛的共識，根據(jù)行業(yè)和客戶的需求，生產(chǎn)、研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，使得工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)成為目前改善能耗問題的必要途徑。

2 輕量化技術(shù)現(xiàn)狀

我國工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)經(jīng)過漫長的發(fā)展目前已有非?？陀^的成果，生產(chǎn)出的產(chǎn)品已基本滿足國內(nèi)、國際市場的需求。傳統(tǒng)工程機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合人工智能技術(shù)、電子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等高新技術(shù)，有效提高了機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量，形成了“機(jī)電信一體化工程機(jī)械”和“智能化工程機(jī)械”。加上國家宏觀調(diào)控政策的逐步到位，宏觀經(jīng)濟(jì)形勢逐步好轉(zhuǎn)，機(jī)械工業(yè)下行態(tài)勢也將逐漸企穩(wěn)，加上行業(yè)發(fā)展的積極因素也在不斷積聚，部分結(jié)構(gòu)調(diào)整起步較早的企業(yè)、行業(yè)和地區(qū)也開始逐漸朝著綠色發(fā)展工程機(jī)械方向發(fā)展。但在發(fā)展道路上，也存在著很多弊端，包括產(chǎn)品檔次低、技術(shù)核心不達(dá)標(biāo)、相關(guān)技術(shù)匱乏、創(chuàng)新能力不足、節(jié)能環(huán)保不達(dá)標(biāo)等問題，對新技術(shù)、新方法、新材料的運(yùn)用不廣泛，也沒有自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用過程中捉襟見肘。與發(fā)達(dá)的工業(yè)強(qiáng)國相比，還有一段差距?，F(xiàn)如今，我國正處于“節(jié)能減排”的攻堅(jiān)時期，輕量化技術(shù)在汽車行業(yè)已有顯著成效，工程機(jī)械輕量化更是未來發(fā)展趨勢。個性化產(chǎn)品是為適應(yīng)于某一種特定工況而出現(xiàn)的，一機(jī)多用是工程機(jī)械發(fā)展的另一個方向，這無疑會提高設(shè)備的利用率。

3 工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的難點(diǎn)問題

3.1 設(shè)計(jì)周期短，工作量大，無暇輕量化

設(shè)計(jì)周期是工程項(xiàng)目建設(shè)總周期的一部分?？焖侔l(fā)展的過程中，設(shè)計(jì)周期不斷被壓縮，設(shè)計(jì)師工作量巨大，設(shè)計(jì)師還不具備輕量設(shè)計(jì)的能力，若執(zhí)意設(shè)計(jì)輕量化，技術(shù)轉(zhuǎn)化難度也會非常大。

3.2 對產(chǎn)品一次研發(fā)成功的要求高，不敢輕量化

對新產(chǎn)品的要求高，設(shè)計(jì)師頂著壓力，為保證研發(fā)成功，不敢大量應(yīng)用輕量化，這樣一來也就少了很多自己的數(shù)據(jù)，對機(jī)械工程輕量化的發(fā)展不利。

3.3 缺乏理論和先進(jìn)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，不會輕量化

工程機(jī)械不再是傳統(tǒng)的集成化、智能化控制，需要在網(wǎng)絡(luò)的智能化機(jī)群協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上越來越傾向自動化發(fā)展。實(shí)際上，設(shè)計(jì)師缺乏輕量化理論的學(xué)習(xí)和先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件的培訓(xùn)，導(dǎo)致不會輕量化。

3.4 不確定因素較多，定量難度大

由于我國對輕量化設(shè)計(jì)缺乏自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程中存在大量的不確定因素，以此在定量上難度大。

3.5 著重理論研究，技術(shù)轉(zhuǎn)化難度大

盡管各大高效和科研院所開始重視輕量化，但也僅限于輕量化的理論研究，實(shí)踐能力還不夠，因此，對工程機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)化難度很大。

4 工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

4.1 結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)化

在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的途徑之一就是結(jié)構(gòu)裝配的優(yōu)化。系統(tǒng)化和大型化將是工程機(jī)械發(fā)展的主要趨勢，目前國內(nèi)還不具備該類型產(chǎn)品批量生產(chǎn)的能力。利用計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大大簡化了司機(jī)的操作程序和提高了機(jī)器的技術(shù)性能。同時利用電子控制可以自動選擇機(jī)器的作業(yè)模式；利用電子監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)和排除機(jī)器系統(tǒng)的故障；利用電子傳感器經(jīng)微電腦處理可以自動檢測機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量，對促進(jìn)工程機(jī)械發(fā)展有很大的推動力?？刹捎脛?chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，盡可能減少零部件數(shù)量，使結(jié)構(gòu)更緊湊，提高機(jī)械設(shè)備構(gòu)建的截面抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)。此外，為了滿足客戶的不同需求，工程機(jī)械企業(yè)已進(jìn)入多用途、微型化發(fā)展階段，但在一些作業(yè)空間狹小的項(xiàng)目上，人工作業(yè)受到很大的限制，為了滿足客戶的不同需求，工程機(jī)械企業(yè)需向多用途、微型化發(fā)展階段發(fā)展，工程主機(jī)作業(yè)功能由單一功能向多功能轉(zhuǎn)化，提高機(jī)械產(chǎn)品的通用性。

4.2 仿真設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是把一種設(shè)想通過合理的規(guī)劃、周密的計(jì)劃、通過各種感覺形式傳達(dá)出來的過程。依托于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)仿真平臺，可以提供更多的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，一方面能保證工程機(jī)械模型的科學(xué)性、多樣化，另一方面通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺可為機(jī)械實(shí)驗(yàn)提供高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，促使登陸者可得到更完整的?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程機(jī)械各種參數(shù)變化曲線擬合，節(jié)約了成本。結(jié)合時代的發(fā)展特點(diǎn)，依托先進(jìn)的科技成果，采用智能化控制系統(tǒng)，減少工作人員操作的工作量，這提高了工程機(jī)械的信息技術(shù)含量。工程機(jī)械輕量化不是簡單的問題，它涉及到多門學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的問題。但因?yàn)槟壳按嬖诘姆N種問題，還不能夠在一次優(yōu)化中對它們進(jìn)行全面綜合的考慮。在設(shè)計(jì)中，通過分解與協(xié)調(diào)，可作為仿真設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善和提高。在實(shí)際工作中，我們也建議深入理解和應(yīng)用三維CAD 軟件，充分體現(xiàn)微電子和信息集為一體的“機(jī)電信一體化技術(shù)智能系統(tǒng)”，這對工程機(jī)械性能方面的提升有積極作用。

4.3 制造工藝優(yōu)化

如今，工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)模式還處于推廣的初期，部分制造工藝滯后，這對工程機(jī)械輕量化發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙作用。目前，幾乎所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路都是在保證工程機(jī)械的自身重量下，通過給定的工況下設(shè)計(jì)出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)裝配。這樣將導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備制造成本巨大，運(yùn)輸成本也很大。此時，應(yīng)積極探索新工藝，將輕量化技術(shù)與新興科學(xué)技術(shù)相結(jié)合來提高機(jī)械零部件的性能，從而在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高勞動生產(chǎn)效率的同時，改善工人的工作條件和勞動強(qiáng)度。比如，某一起重機(jī)橋架原以四梁結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)利用扁鋼和方鋼所取代，使得起重機(jī)的整體質(zhì)量大大減少。在徐晟、黃立新等人研究中報道，提高鋁合金激光增材與精密度切削加工的零件表面質(zhì)量，對促進(jìn)機(jī)械制造中部件輕量化、整體化發(fā)展有積極意義。

可通過控制構(gòu)建的冶金結(jié)合質(zhì)量及致密度，以及解決逐層熔化堆積、循環(huán)加熱冷卻及切削加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力積累效應(yīng)等問題，來獲得低應(yīng)力狀態(tài)的鋁合金薄壁構(gòu)件是完全可行的。機(jī)械工程向輕型化、平穩(wěn)性方向發(fā)展，對構(gòu)件的尺寸精度、重量進(jìn)度及力學(xué)性能等方面都提出了較高的要求，對促進(jìn)精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展提供條件。攪拌摩擦焊可以焊接所有牌號的鋁合金以及用熔焊方法難以焊接的材料。與普通摩擦焊相比，它解決了一些限制，如焊接強(qiáng)度高、變形小、無飛濺、綠色環(huán)保。攪拌摩擦焊的接頭性能普遍優(yōu)于熔化焊的，且沒有融化焊時的氣孔、裂紋及合金元素?zé)龘p等缺陷。攪拌摩擦焊與常規(guī)摩擦焊一樣，不同之處在于焊接過程是一個圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件的接縫處通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時其接頭性普遍優(yōu)于融化焊接。因?yàn)閿嚢韬割^能與焊件表面摩擦生熱和鍛壓共同作用，形成致密牢固的固相焊接接頭。攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)包括焊縫質(zhì)量好、不受軸類零件限制、操作簡便，質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性高、不需焊絲和保護(hù)氣氛。但該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，比如在焊接時機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備有很好的剛性，攪拌焊頭的磨損相對較高，與弧焊相比，缺少操作的柔性。激光焊接技術(shù)能量高度集中，對許多零件來講，不產(chǎn)生熱變形或熱變形極小，能焊接高熔點(diǎn)、難溶、難焊的金屬。且該技術(shù)在空氣中就能直接焊接，與一些需在真空室中焊接的電子束焊接方法相比，此方法更簡便。隨著機(jī)械工程產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場上激光工藝技術(shù)的要求越來越高。市場對激光加工要求切割和焊接一體化的需求也越來越多。同時因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中，易實(shí)現(xiàn)自動化。上述技術(shù)手段為推動工程機(jī)械整體性能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了極大的技術(shù)條件與便利性。

4.4 新材料的選擇

關(guān)于目前實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的路徑有兩方面，一種是通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對整個產(chǎn)品的主要承力部件進(jìn)行加強(qiáng)，在性能滿足的前提下，選用適合的材料板厚等來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)；另一種就是使用新材料來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如使用密度更小的新材料來代替鋼材實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，以及使用強(qiáng)度更高、板厚更薄的熱成型材料代替普通高強(qiáng)度鋼來減少加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。目前主要還是依賴材料輕量化。其中熱成型材料本身是一種材料輕量化的設(shè)計(jì)，既能保證結(jié)構(gòu)的性能，大大降低機(jī)械重量，同時輕量化效果更為明顯。

4.5 加大科研投入

實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化是一個長期積累、逐步完善的過程。想要實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化，不僅需要投入大量的資金成本，還需要加大科研投入，打造具備一定創(chuàng)新能力的科研團(tuán)隊(duì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要具備穩(wěn)定性和凝聚力，通過不斷的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，成功積累經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)，使用先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件工具來改進(jìn)設(shè)計(jì)的迭代周期。近年來，已有地區(qū)深入實(shí)施和開展創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和人才強(qiáng)區(qū)戰(zhàn)略，與某大學(xué)合作搭建了科技成果轉(zhuǎn)化、中試孵化和產(chǎn)業(yè)化科研平臺，并成立了科技園。依托該科技園，開平區(qū)全力推動與人才、技術(shù)和項(xiàng)目的對接，吸引了高新技術(shù)企業(yè)、高科技項(xiàng)目、高層次人才進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，為建設(shè)成為具有一定競爭力和創(chuàng)新示范價值的輕量化技術(shù)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化基地打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，輕量化技術(shù)對于促進(jìn)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義和實(shí)施的緊迫性。隨著先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，材料技術(shù)和成形技術(shù)的不斷發(fā)展，輕量化已成為工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢。