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(chē)運(yùn)動(dòng)，它的優(yōu)勢(shì)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(shí)，降低汽車(chē)整車(chē)重量，減少燃油耗量，已成為汽車(chē)制造的趨勢(shì)。對(duì)于工程機(jī)械來(lái)說(shuō)，目前工程設(shè)計(jì)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)。而輕量化設(shè)計(jì)能解決這些問(wèn)題，從而有效推動(dòng)工程機(jī)械的發(fā)展。輕量化實(shí)施是一個(gè)長(zhǎng)期積累和逐步求精的過(guò)程。我國(guó)設(shè)計(jì)理論相對(duì)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(lì)和支持設(shè)計(jì)師積極創(chuàng)新；學(xué)會(huì)并熟練掌握數(shù)字化設(shè)計(jì)手段和軟件工具；增強(qiáng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用專(zhuān)用設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件，提高升級(jí)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(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，根據(jù)行業(yè)和客戶(hù)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(wèn)題的必要途徑。

2 輕量化技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展目前已有非常客觀的成果，生產(chǎn)出的產(chǎn)品已基本滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)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(guó)家宏觀調(diào)控政策的逐步到位，宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)逐步好轉(zhuǎn)，機(jī)械工業(yè)下行態(tài)勢(shì)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(kāi)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(wèn)題，對(duì)新技術(shù)、新方法、新材料的運(yùn)用不廣泛，也沒(méi)有自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用過(guò)程中捉襟見(jiàn)肘。與發(fā)達(dá)的工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，還有一段差距。現(xiàn)如今，我國(guó)正處于“節(jié)能減排”的攻堅(jiān)時(shí)期，輕量化技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)已有顯著成效，工程機(jī)械輕量化更是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。個(gè)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(gè)方向，這無(wú)疑會(huì)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(wèn)題

3.1 設(shè)計(jì)周期短，工作量大，無(wú)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。快速發(fā)展的過(guò)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(huì)非常大。

3.2 對(duì)產(chǎn)品一次研發(fā)成功的要求高，不敢輕量化

對(duì)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(lái)也就少了很多自己的數(shù)據(jù)，對(duì)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(huì)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(lái)越傾向自動(dòng)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(huì)輕量化。

3.4 不確定因素較多，定量難度大

由于我國(guó)對(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)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(shì)，目前國(guó)內(nèi)還不具備該類(lèi)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(shì)，應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大大簡(jiǎn)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(shí)利用電子控制可以自動(dòng)選擇機(jī)器的作業(yè)模式；利用電子監(jiān)測(cè)可以及時(shí)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(dòng)檢測(cè)機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)工程機(jī)械發(fā)展有很大的推動(dòng)力。可采用創(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(mǎn)足客戶(hù)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(mǎn)足客戶(hù)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(guò)合理的規(guī)劃、周密的計(jì)劃、通過(guò)各種感覺(jué)形式傳達(dá)出來(lái)的過(guò)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(tái)，可以提供更多的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑环矫婺鼙ＷC工程機(jī)械模型的科學(xué)性、多樣化，另一方面通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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剑偈沟顷懻呖傻玫礁暾膶?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(shí)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(jiǎn)單的問(wèn)題，它涉及到多門(mén)學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的問(wèn)題。但因?yàn)槟壳按嬖诘姆N種問(wèn)題，還不能夠在一次優(yōu)化中對(duì)它們進(jìn)行全面綜合的考慮。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(shí)，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(lái)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(dòng)生產(chǎn)效率的同時(shí)，改善工人的工作條件和勞動(dòng)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(bào)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(duì)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力積累效應(yīng)等問(wèn)題，來(lái)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(duì)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(duì)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(hào)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(wú)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(méi)有融化焊時(shí)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(guò)程是一個(gè)圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件的接縫處通過(guò)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(shí)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(lèi)零件限制、操作簡(jiǎn)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(shí)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(duì)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(duì)許多零件來(lái)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(jiǎn)便。隨著機(jī)械工程產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上激光工藝技術(shù)的要求越來(lái)越高。市場(chǎng)對(duì)激光加工要求切割和焊接一體化的需求也越來(lái)越多。同時(shí)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(dòng)化。上述技術(shù)手段為推動(dòng)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(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的主要承力部件進(jìn)行加強(qiáng)，在性能滿(mǎn)足的前提下，選用適合的材料板厚等來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如使用密度更小的新材料來(lái)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(lái)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(lài)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(shí)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(gè)長(zhǎng)期積累、逐步完善的過(guò)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(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，成功積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)的迭代周期。近年來(lái)，已有地區(qū)深入實(shí)施和開(kāi)展創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(tái)，并成立了科技園。依托該科技園，開(kāi)平區(qū)全力推動(dòng)與人才、技術(shù)和項(xiàng)目的對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新示范價(jià)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(yǔ)

綜上所述，輕量化技術(shù)對(duì)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(shì)。