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摘 要：在当今工程机械设计过程中所取的安全系数过大，造成工程机械自身过重，不方便运输和移动位置。在工业机械体积过大过重的背景下，轻量化设计工业机械对工程设计的发展有推动作用。轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用。在产品设计过程中要注意产品设计的轻量化要求，轻量化技术是一个系统的技术，轻量化设计的最终目的是使产品的重量、性能和成本等因素都得到优化处理。
关键词：机械设计；工程机械；轻量化；设计研究
中图分类号：TU602 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0249-02
引 言
工程机械轻量化技术是指通过材料、制造工艺、结构参数等优化工程机械设计。工程机械轻量化技术可通过材料优选，制造工艺改善、结构参数调整减轻工程机械的整体重量，在制造过程中可起到降低成本，提高机械设备使用性能的作用，同时可以有效节约能源，减少污染物的排放。
1 轻量化概述
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，其优势就是重量轻巧，可以带来良好的操控性，高效率的输出的动力。轻量化要从结构的优化，材料的优化，技术多元化，多学科交叉等方面做起，由于市场的需求，我国的工程机械在近几年得到了很大的提升，产品以及技术等多方面比起以前有了很大的不同，但国际的前沿技术依旧比我国的工程机械设计技术优秀很多，更加先进。
轻量化设计是一项系统化的工程，其最终的目的是使质量、性能及成本等的综合优化；如何在保证设备使用性能的前提要求下，将其设备的设计按照质量轻、运行功率低且运行安全可靠也成为我国现阶段的工程机械制造技术所面临的挑战。
2 工程机械轻量化的发展现状
2.1 设计理念保守
我国的机械设计最初是采用苏联的设计理念。经过几十年的发展，已经不能再适应社会的发展，我国的钢结构设计理论目前还比较保守，器件比较笨重，安全系数过大，安全性能好。
2.2 设计缺乏核心技术
在设计的过程中，没有吸收先进的设计技术，长期采用类推的方法，设计的周期较长，没有多余的选择方案可以进行选择。缺少优秀的评价标准，企业自主创新能力薄弱，生产大量仿制品，没有自身的核心技术，没有实验所需要的数据。同时，也缺乏理论基础，对智能技术的探究缺乏深度的认识。
在我国的制造行业中，制造技术的发展还比较年轻，对于新技术、新方法、新材料的运用都还不广泛。如果没有自己的实验数据和创新能力，工程机械轻量化还有相当长的一段路要走。要想发展工程技术的轻量化就需要不断研发新技术，采用新材料。在设计过程中，要注意优化产品设计，从根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的刚度、强度以及抗疲劳性。
3 工程机械中轻量化设计方法研究
工程机械驾驶室主要包括平地机、压路机、挖掘机、堆高机、起重机等各类带驾驶室的土方施工机械。
3.1 轻量化材料的应用
（1）高强度钢的分类和定义
国内外尚无统一的定义和分类方法，一般按照强度划分或按照强化机理划分，将屈服强度小于210MPa的钢称为软钢；210～550MPa的称为高强度钢；屈服强度高于550MPa的称为超高强度钢。高强度钢价格相对较低，具有高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度，且冲压成型性、焊接性和可涂装性优良。关键是能够利用现有工程机械生产线生产，从而节约设备投资，所以现阶段高强度钢是工程机械驾驶室减重的首选材料。
（2）铝合金材料
铝合金材料密度是钢的1/3，吸能性是钢的2倍，在碰撞安全性方面有明显优势，且铝的可回收性和耐腐蚀性佳，是最常见的机械用轻金属材料。虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能够得到复杂界面，从结构上补偿部件的刚度。在满足刚性和强度等方面力学性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的质量，进而实现工程机械轻量化、提高整车燃油效率。由于铝合金具有上述优良特性，自20世纪70年代石油危机以来，欧美日等汽车大国就开始在量产车上应用铝合金，随着铝合金加工工艺和装配工艺日渐成熟，工程机械驾驶室的轻量化研究中也开始大规模使用铝合金材料。
（3）高分子材料和复合材料
为节约资源、满足轻量化、防腐蚀、低成本和美观等要求，现代工程机械材料方面正在大量采用非金属材料，目前主要有工程塑料和复合材料。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、耐腐蚀、防震、隔音隔热等优良特性，同时，又具有金属钢板不具备的外观（颜色、光泽）和触感，所以在工程机械中广泛应用。复合材料是指两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制成的一种多相固体材料，通常由增强材料和基体复合而成。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维和高分子材料。复合材料具有很多金属材料无法比拟的优点，具有防锈、隔热、隔聲、保护人体、密度小、强度高、抗疲劳度大等特点。高强度有机纤维增强复合材料有很高的机械强度，能代替钢架材料，从而减轻工程机械驾驶室自身质量；碳纤维增强复合材料能够代替钢板弹簧，可运用于悬架系统。
3.2 轻量化制造工艺
（1）激光拼焊板
激光拼焊板（Tailor Welding Blanks，TWB）可将不同材质、不同厚度、不同强度和不同表面镀层的板坯拼合起来，然后整体进行压型。该工艺通过减少制件数量、减薄钢板局部及去除点焊凸缘来实现轻量化目的。
（2）热冲压成型工艺
热冲压成型工艺是将高强度钢板加热至奥氏体化状态，然后快速转移到模具中冲压成型，在保证一定压力的情况下，制件在模具本体中以大于27℃/s的冷却速度进行淬火处理，保压淬火一段时间，以获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件的成型方式。
液压成形工艺采用液态的水、油作为传力介质代替刚性的凸凹模，使坯料在传力介质的压力下贴合凸凹模成型。液压成型工艺在管材、板材加工方面制模简单、周期短且产品形状和尺寸精度高。液压成型工艺特别适合成型性差和高强度材料，所以在高强度钢、铝合金和复合材料等轻量化材料的使用上起到重要支撑作用。液压成型工艺一般有预成型、成型、校准3个过程，可用于板材和管材成型。
板材液压成型技术适用于有深冲要求的复杂工件及较少凹槽的大型工件。由于预成型使材料产生了期望的预应力，可以使外板件在保持耐冲击性不变的情况下减少壁厚，从而达到轻量化目的。管材液压成型工艺是指管坯在内外部液体压力作用下贴合内部的芯棒成型。该工艺可提高管件的内、外表面精度，也可用于两个部件的连接。
（3）铝合金压铸新工艺
铝合金加工方法有铸造、压铸、辊压、挤压、冲压等。普通压铸是当金属液在高压下以5～50m/s高速注入型腔，此时型腔内气体很难排除，必然被压缩注入制品内部，从而形成气孔、变形等表面缺陷。随着铝合金在工程机械中的应用日益广泛，工程师们开发了一系列铝合金压铸新工艺，如冲压压铸法、针孔压铸法、无孔性压铸法等。其中无孔性压铸法最受欢迎，压铸时注入型腔的金属液与氧气发生反应，型腔内随即形成真空状态，从而实现无气孔且可热处理的高品质压铸件。由于应用铝材且壁厚减小，轻量化效果显著。
4 结束语
本文以工程机械驾驶室为例，从轻量化材料以及轻量工艺应用两方面介绍了轻量化技术在工程机械设计中的应用。同时，在工程机械轻量化的设计过程中，一方面要注意综合评价生产过程，另一方面要对技术进行分析和检测。还要进行大量的实验使得轻量化的技术不断向着成熟的方向发展。
参考文献
[1]王月云.工程机械轻量化方法与设计研究[J].中国金属通报，2017（05）.
收稿日期：2018-10-15
作者简介：沈小燕（1984-），女，工程师，硕士，从事研发技术管理工作。
李 超（1987-），男，助理工程师，本科，从事驾驶室设计工作。
李 云（1985-），男，工程师，硕士，从事工程机械驾驶室设计。
关键词：机械设计；工程机械；轻量化；设计研究
中图分类号：TU602 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0249-02
引 言
工程机械轻量化技术是指通过材料、制造工艺、结构参数等优化工程机械设计。工程机械轻量化技术可通过材料优选，制造工艺改善、结构参数调整减轻工程机械的整体重量，在制造过程中可起到降低成本，提高机械设备使用性能的作用，同时可以有效节约能源，减少污染物的排放。
1 轻量化概述
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，其优势就是重量轻巧，可以带来良好的操控性，高效率的输出的动力。轻量化要从结构的优化，材料的优化，技术多元化，多学科交叉等方面做起，由于市场的需求，我国的工程机械在近几年得到了很大的提升，产品以及技术等多方面比起以前有了很大的不同，但国际的前沿技术依旧比我国的工程机械设计技术优秀很多，更加先进。
轻量化设计是一项系统化的工程，其最终的目的是使质量、性能及成本等的综合优化；如何在保证设备使用性能的前提要求下，将其设备的设计按照质量轻、运行功率低且运行安全可靠也成为我国现阶段的工程机械制造技术所面临的挑战。
2 工程机械轻量化的发展现状
2.1 设计理念保守
我国的机械设计最初是采用苏联的设计理念。经过几十年的发展，已经不能再适应社会的发展，我国的钢结构设计理论目前还比较保守，器件比较笨重，安全系数过大，安全性能好。
2.2 设计缺乏核心技术
在设计的过程中，没有吸收先进的设计技术，长期采用类推的方法，设计的周期较长，没有多余的选择方案可以进行选择。缺少优秀的评价标准，企业自主创新能力薄弱，生产大量仿制品，没有自身的核心技术，没有实验所需要的数据。同时，也缺乏理论基础，对智能技术的探究缺乏深度的认识。
在我国的制造行业中，制造技术的发展还比较年轻，对于新技术、新方法、新材料的运用都还不广泛。如果没有自己的实验数据和创新能力，工程机械轻量化还有相当长的一段路要走。要想发展工程技术的轻量化就需要不断研发新技术，采用新材料。在设计过程中，要注意优化产品设计，从根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的刚度、强度以及抗疲劳性。
3 工程机械中轻量化设计方法研究
工程机械驾驶室主要包括平地机、压路机、挖掘机、堆高机、起重机等各类带驾驶室的土方施工机械。
3.1 轻量化材料的应用
（1）高强度钢的分类和定义
国内外尚无统一的定义和分类方法，一般按照强度划分或按照强化机理划分，将屈服强度小于210MPa的钢称为软钢；210～550MPa的称为高强度钢；屈服强度高于550MPa的称为超高强度钢。高强度钢价格相对较低，具有高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度，且冲压成型性、焊接性和可涂装性优良。关键是能够利用现有工程机械生产线生产，从而节约设备投资，所以现阶段高强度钢是工程机械驾驶室减重的首选材料。
（2）铝合金材料
铝合金材料密度是钢的1/3，吸能性是钢的2倍，在碰撞安全性方面有明显优势，且铝的可回收性和耐腐蚀性佳，是最常见的机械用轻金属材料。虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能够得到复杂界面，从结构上补偿部件的刚度。在满足刚性和强度等方面力学性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的质量，进而实现工程机械轻量化、提高整车燃油效率。由于铝合金具有上述优良特性，自20世纪70年代石油危机以来，欧美日等汽车大国就开始在量产车上应用铝合金，随着铝合金加工工艺和装配工艺日渐成熟，工程机械驾驶室的轻量化研究中也开始大规模使用铝合金材料。
（3）高分子材料和复合材料
为节约资源、满足轻量化、防腐蚀、低成本和美观等要求，现代工程机械材料方面正在大量采用非金属材料，目前主要有工程塑料和复合材料。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、耐腐蚀、防震、隔音隔热等优良特性，同时，又具有金属钢板不具备的外观（颜色、光泽）和触感，所以在工程机械中广泛应用。复合材料是指两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制成的一种多相固体材料，通常由增强材料和基体复合而成。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维和高分子材料。复合材料具有很多金属材料无法比拟的优点，具有防锈、隔热、隔聲、保护人体、密度小、强度高、抗疲劳度大等特点。高强度有机纤维增强复合材料有很高的机械强度，能代替钢架材料，从而减轻工程机械驾驶室自身质量；碳纤维增强复合材料能够代替钢板弹簧，可运用于悬架系统。
3.2 轻量化制造工艺
（1）激光拼焊板
激光拼焊板（Tailor Welding Blanks，TWB）可将不同材质、不同厚度、不同强度和不同表面镀层的板坯拼合起来，然后整体进行压型。该工艺通过减少制件数量、减薄钢板局部及去除点焊凸缘来实现轻量化目的。
（2）热冲压成型工艺
热冲压成型工艺是将高强度钢板加热至奥氏体化状态，然后快速转移到模具中冲压成型，在保证一定压力的情况下，制件在模具本体中以大于27℃/s的冷却速度进行淬火处理，保压淬火一段时间，以获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件的成型方式。
液压成形工艺采用液态的水、油作为传力介质代替刚性的凸凹模，使坯料在传力介质的压力下贴合凸凹模成型。液压成型工艺在管材、板材加工方面制模简单、周期短且产品形状和尺寸精度高。液压成型工艺特别适合成型性差和高强度材料，所以在高强度钢、铝合金和复合材料等轻量化材料的使用上起到重要支撑作用。液压成型工艺一般有预成型、成型、校准3个过程，可用于板材和管材成型。
板材液压成型技术适用于有深冲要求的复杂工件及较少凹槽的大型工件。由于预成型使材料产生了期望的预应力，可以使外板件在保持耐冲击性不变的情况下减少壁厚，从而达到轻量化目的。管材液压成型工艺是指管坯在内外部液体压力作用下贴合内部的芯棒成型。该工艺可提高管件的内、外表面精度，也可用于两个部件的连接。
（3）铝合金压铸新工艺
铝合金加工方法有铸造、压铸、辊压、挤压、冲压等。普通压铸是当金属液在高压下以5～50m/s高速注入型腔，此时型腔内气体很难排除，必然被压缩注入制品内部，从而形成气孔、变形等表面缺陷。随着铝合金在工程机械中的应用日益广泛，工程师们开发了一系列铝合金压铸新工艺，如冲压压铸法、针孔压铸法、无孔性压铸法等。其中无孔性压铸法最受欢迎，压铸时注入型腔的金属液与氧气发生反应，型腔内随即形成真空状态，从而实现无气孔且可热处理的高品质压铸件。由于应用铝材且壁厚减小，轻量化效果显著。
4 结束语
本文以工程机械驾驶室为例，从轻量化材料以及轻量工艺应用两方面介绍了轻量化技术在工程机械设计中的应用。同时，在工程机械轻量化的设计过程中，一方面要注意综合评价生产过程，另一方面要对技术进行分析和检测。还要进行大量的实验使得轻量化的技术不断向着成熟的方向发展。
参考文献
[1]王月云.工程机械轻量化方法与设计研究[J].中国金属通报，2017（05）.
收稿日期：2018-10-15
作者简介：沈小燕（1984-），女，工程师，硕士，从事研发技术管理工作。
李 超（1987-），男，助理工程师，本科，从事驾驶室设计工作。
李 云（1985-），男，工程师，硕士，从事工程机械驾驶室设计。