工程机械设计中轻量化技术的应用

工程机械设计中轻量化技术的应用

孙柏 刘沛 徐东京

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摘要：工程机械广泛应用于城市建设、建筑、农田水利等领域，对国民经济的发展和社会整体生产力的提高具有重要意义。轻量化已成为包括工程机械在内的制造业的发展趋势。国内越来越多的工程机械企业将开发节能环保的绿色工程机械作为核心发展战略之一。在此基础上，论述了轻量化技术在工程机械设计领域的应用现状，提出了工程机械轻量化设计实现的方式，希望能保证工程机械产品的使用安全、稳定运行，工程机械性能的质量得到全面提高。

关键词：工程机械设计；轻量化技术；应用

引言

机械的研发和应用，使得人们在面对复杂工作时更加的容易，保障工作的效率和质量，还能够降低劳动强度。在机械运行时，内部组成的各个部分处于相对运动的状态，而机械设计与制造阶段，只有达到质量的标准，才能保证各个部件运行更加的稳定与高效，满足人们的使用需要。只要是机械存在问题，都会给后续的使用产生不利的影响，不仅造成较大的经济损失，还会给人们的生命安全带来不良的影响。因此，机械制造前需要综合分析与了解，保证产品和结构达到标准的要求，发挥出最高的价值。

1轻量化设计的必要性

新中国成立以来，我国制造业的发展比较粗犷，尤其是工程机械的制造，设计理念落后，工程机械的材料利用率低下，造成整个机械十分笨重，而为了能够驱动庞大的机体、力臂等部件，又会造成巨大的能源浪费，并且多用钢铁制造，易于受腐蚀等损害，对于施工环境比较复杂的情况往往难以胜任，机械操作效率低下。如果结合轻量化设计理念，不但可以有效解决这个问题，还能够提高产品性能和质量。工程机械轻量化设计的主要价值在于：（1）对原始材料消耗成本的降低。传统工程机械通过优化设计，可以改进各部件之间的配合方式，以更科学的方式进行驱动配合等操作，对机械结构进行精简优化，可以在很大程度上对制造成本进行控制。（2）工程机械的工作往往需要较大功率来进行驱动，采用轻量化设计则可以使工程机械的工作性能提升，能耗大大降低，改变以往需要较大驱动力进行工作的历史，轻量化设计就是采用新材料、新技术，对工程机械产品的重量、动力等方面进行优化，只要输入一定的驱动力就可以，在客观层面起到控制能源消耗的作用，同时可以提高工作效率和质量，改善产品性能。有研究表明，工程机械的能耗随着机械重量每减少1%而降低1%，而废气等污染物排放量则相应减少0.4%左右。

2工程机械设计中轻量化技术的应用

2.1轻量化制造工艺

2.1.1热冲压成型工艺

热冲压工艺是将高强度钢板加热至奥氏体化状态，并迅速转移到模具中进行冲压。为确保压力恒定，模具内部以27°C/s或更高的冷却速度快速冷却。保持压力后，淬火一定时间。液压成型工艺使用液态水和油作为传力介质，而不是使用刚性凹凸模具。在传力介质的压力下，毛坯的凸凹部分贴合在一起。液压成型工艺的特点是模具制作简单、周期短、产品几何尺寸大、管板加工尺寸准确。液压成型工艺特别适用于可变形的高强度材料，可作为使用轻质材料（高强度钢、铝合金、复合材料等）时的重要支撑。液压成型工艺通常包括预成型、成型和校准，可用于阀座和管道成型。薄壁液压成形技术适用于需要深冲的复杂工件和凹槽很少的大型工件。由于预成型会产生材料所需的预应力，因此可以在不改变抗冲击性的情况下通过减小外板的壁厚来减轻重量。管材液压成型工艺是指在内外水压的作用下，形成适合内芯棒的管坯。这种工艺可以提高管子内外表面的精度，也可以用来连接两部分。

2.1.2铝合金压铸新技术

铝合金的加工方法包括铸造、压铸、轧制、挤压和冲压。在常规压铸中，熔融金属在高压下以5～50m/s的高速注入型腔，型腔内的气体很难排出，因此需要将其压缩并注入型腔。可能会出现孔洞、变形等表面缺陷。随着铝合金在工程机械中的广泛应用，工程师们开发出了冲压压铸、针孔压铸、无孔压铸等一系列铝合金压铸新工艺。特别是，在压铸过程中注入型腔的熔融金属与氧气反应形成压铸过程。零件上没有气孔或热处理。因为采用铝材，所以壁薄，减重效果也不错。

2.2结构的强度和刚度

机械设备需要长期加工运行，所以其结构的强度必须满足要求，这是机械设计制造的基础条件。为了保证机械结构强度符合要求，设计与制造阶段选择强度性能较高的材料加工各个结构部件，保证截面尺寸符合要求，零件截面的形状设计符合设备工作要求，提高各个方面的运行性能。此外，还可以选择应用热处理、化学处理等方式保证材料力学性能得以提升。保证机械结构强度满足要求后，还要达到零件加工精度的要求，有效地降低机械运行中的动载荷，保证各个部件在运行中的受力得以合理的分配，促进加工稳定性与安全性的提升。除了要达到结构强度要求，还要做好刚度的计算，零件刚度可以分解成为变形刚度、表面接触刚度两个方面。要想保证机械加工的零件变形刚度满足要求，需要采取措施增加零件的截面尺寸，保证惯性矩符合要求，从而促进整体结构强度达到要求。对于接触刚度的提升方面，最主要的措施就是增加贴合面的方法，可以减小压力，通过精加工的方法保证各个部件性能达到，不会存在影响总体加工效果的问题。

2.3机械臂材料轻量化

材料轻量化是实现机械臂轻量化的一种主要手段，2A12铝合金是机器人常用的连接杆件，但由于2A12铝合金不具备足够大的屈服强度，因而存在整体结构安全系数不足的问题。因此，研究选定7075-T6铝合金作为机械臂结构材料，该材料具有轻度密度比高、强度高、固溶处理后塑性好等方面的优势，被广泛应用于航空、航海和汽车等领域。

2.4纤维增强复合材料的应用

复合材料在航空业已经广泛应用，波音的梦想客机787，使用的复合材料占整架飞机重量的50%左右，正是由于复合材料有着比铝材更轻的质量和更出色的抗腐蚀和金属疲劳等特性，可见复合材料的出色之处，而工程机械中，也可以依据产品的部件功能合理采用复合材料。玻璃纤维具有高强度、低拉伸的特性，常用于强力牵引件的制造，而玻璃钢常用于发动机罩，有着更光滑平整的外观和良好的减振降噪功能。碳纤维具有轻质、强度高、抗疲劳、抗腐蚀等优异特性。在工程机械中，应用碳纤维可以极大地降低工程机械的重量，并且碳纤维的强度是普通钢材强度的10倍，因此，碳纤维的应用前景十分广阔，例如，目前部分挖掘机的铲斗使用的就是碳纤维增强金属基复合材料，不仅重量大大减轻，铲斗也不易沾土，工作效率更高。

结语

机械设计与制造的过程中，应该综合分析多个方面的影响因素，保证零部件结构的强度、刚度以及精度完全满足标准的要求，提高生产的质量，延长设备的使用寿命。在具体的制造环节，做好各个环节的控制非常的关键，比如，铸造、热处理等，提高部件的加工精度，还要进行制造工艺的优化与改进，促进整体效果的提高。为了让机械产品达到应用的标准，对于机械产品设计与制造的标准灵活使用，以达到安全性、可靠性的要求，生产加工顺利进行，符合加工生产环境的需要，提高加工精度水平，促进机械领域的发展，为经济与社会的全面发展奠定坚实的基础。

参考文献

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