工程機械大型結構件的焊接和機加工技術分析

摘要：在介紹工程機械大型結構件的特點和重要性的基礎上，以挖掘機的動臂、鏟斗等大型結構件為例，分別分析了大型結構件焊接變形的不良影響、焊接變形產生原因、焊接所用工裝模具，闡述了大型結構件的機加工工序、機加工設備的現狀、智能化機加工設備開發、機加工工藝流程以及高效機加工技術發展方向，可供從事工程機械大型結構件設計和產品生產的技術人員參考。

關鍵詞：工程機械；大型結構件；焊接；機加工；技術分析

0 " 引言

工程機械的大型結構件具有體積大、質量大、需要焊接與加工的零部件多、對零部件的加工精度要求較高等特點。優化大型結構件的焊接和機加工工藝、強化智能化技術的滲透，保證產品質量、提高作業效率，是我國工程機械焊接和機加工技術的發展方向。

本文以某挖掘機生產企業關于大型結構件的焊接和機加工工藝為研究對象，分析其焊接和機加工工藝存在的問題，提出改進、優化措施，以期提高工程機械大型結構件的焊接加工質量，促進機加工領域的穩定發展。

1 " 工程機械大型結構件定義

大型結構件是工程機械結構、框架的關鍵部件。挖掘機的動臂、鏟斗、中間架等大型結構件，都是通過焊接作業將不同的鋼板材料焊接在一起，形成大型結構件毛坯，在此基礎上進行機加工，完成大型結構件的制造，成為挖掘機的重要組成部分。

隨著工程機械市場的需求量不斷增多，大型結構件的生產加工量也不斷增加，工程機械的制造水平也隨之不斷提升。為了保證工程機械生產企業的穩定發展，只有提高大型結構件的產品質量和生產效率，方可更好地打開工程機械市場。

2 " 工程機械大型結構件焊接變形問題

2.1 " 焊接變形案例分析

某工程機械制造企業生產的某型號挖掘機，其超長動臂主要由46個零件通過焊接和機加工制作而成，其外形尺寸為9917mm×1535mm，質量為2080kg，如圖1所示。

該超長動臂在實施焊接和機加工工藝，對3組主要銷軸座孔技術參數的控制要求較高，其中銷軸座孔之間的距離誤差須控制在2mm以內，銷軸座孔中心線的平行度為1mm，采用1次裝夾鏜削加工工藝加工而成。在焊接該超長動臂時發現，由于其焊接結構比較復雜，受到焊接加工工藝水平的限制，在焊接過程中出現焊接變形等問題，影響了焊接質量，增加了企業成本。

2.2 " 影響焊接變形的影響因素分析

大型結構件焊接變形，對工程機械的產品質量影響很大。將焊接變形的大型結構件應用到工程機械產品中，不僅會影響產品的外觀質量，更重要的是會降低產品的技術性能和使用壽命，還會增加施工企業的生產成本。在大型結構件焊接過程中，有效控制焊接變形是質量控制的重點。針對焊接變形問題，制定針對性的控制策略，以提升大型結構件焊接施工質量[1]。

2.2.1 " 焊接應力

焊接應力是導致大型結構件焊接變形的主要原因。在實施焊接過程中，不同部位的焊縫產生焊接應力的大小、方向各不相同，焊后出現變形的大小、位置也各不相同。大型結構件的結構越復雜，其焊接施工的技術難度越高。

大型結構件的結構復雜、形狀各異，其設計圖紙必然設置較多焊縫，需要焊接的面積比較大，由此會造成大型結構件在焊接過程產生較大焊接應力，從而引發焊接變形。如果對橫縱交錯的焊縫產生的焊接應力大小和方向的預測不準確，在焊接應力的影響下，被焊材料就會出現不規則膨脹、收縮變化，由此產生焊接變形。

2.2.2 " 焊接工藝

大型結構件焊接施工的難度較大，需要制定適宜的焊接工藝，配備具有較高焊接施工技術水平的施焊人員，以保證大型結構件焊接質量和焊接安全。

在大型結構件焊接施工中，若未規范化的焊接施工工藝流程，焊接設備不適用，焊接參數不匹配，施焊人員的技術水平較低，施焊人員在焊接過程中具有一定的主觀隨意性（如隨意改變焊接工藝流程等），或者沒有將焊接工藝與大型焊接構件的實際結合起來進行考量，都會造成大型結構件出現焊接變形問題。

2.3 " 常用焊接工裝模具分析

焊接工裝模具是該工程機械制造企業大型結構件焊接施工的主要設備。通過使用焊接工裝模具進行大型結構件的焊接施工，可減輕施焊人員的勞動強度、提升焊接質量和效率、減少焊接變形。該企業主要采用焊接施工平臺、焊接變位機和焊接夾具等3種焊接工裝模具進行焊接作業，如下所述。

2.3.1 " 焊接施工平臺

焊接施工平臺是焊接挖掘機動臂、鏟斗、中間架等大型結構件的主要工裝模具。焊接施工平臺為大型結構件的焊接施工提供了穩定、牢靠的基礎。焊接施工平臺可用于在焊接前，將各個零部件進行初步定位。挖掘機鏟斗焊接施工平臺如圖2所示。

焊接施工平臺采用電焊方法制成牢固的平臺框架，以此抵御焊接變形應力。在挖掘機動臂焊接施工中，為了提升焊接精準度，要采用搭建焊接平臺的方式，預防焊接變形風險[2]。

2.3.2 " 焊接變位機

大型結構件的體型較大，為了便于進行焊接施工作業，在焊接中需要采用焊接變位機改變其焊接位置。以該企業生產的挖掘機超長動臂的焊接施工為例，為了保證其焊接質量，提升空間利用率，需要使用焊接變位機不斷調整其焊接位置、優化其焊縫布局，保證其焊接工藝落實到位，以滿足挖掘機超長動臂焊接的質量要求。

2.3.3 " 焊接夾具

大型結構件焊接施工中，可通過熔焊等方式將2個零件之間緊密連接起來。基于焊接施工原理，大型結構件的零部件在焊接中發生位置變動是必然現象。因此，為了保證大型結構件在焊接中零部件的穩定性，除了搭焊手段外，應使用焊接夾具固定零部件，以減少大型結構件焊接變形。在該企業的挖掘機超長動臂焊接施工中，采用C形夾具以及支撐桿較為常見，是提升焊接質量的有效焊接夾具。

3 " 工程機械大型結構件的機加工工藝

3.1 " 機加工工序

挖掘機超長動臂的機加工主要分為粗加工、半成品加工和精加工等3個工序。這3個加工工序的作用有所不同。該工程機械制造企業在進行挖掘機超長動臂生產制造中，在同一機床上完成銷軸座孔的粗加工。粗加工工序對精度的要求不高，可不使用精密機床進行加工。

某些大型結構件進行精加工，通過精加工，可對大型結構件的機加工部位進行尺寸糾偏，可提升加工面的精度。有的大型結構件銷軸座孔等部位，還要使用熱處理加工工藝，提升其摩擦面的硬度。

3.2 " 機加工設備

工程機械大型結構件的連接部位，需要采取機加工設備進行加工。而機加工設備的精度，對大型結構件的機加工質量和生產效率的影響很大。我國工程機械領域起步較晚，機加工設備的性能與發達國家相比存在一定差距。該差距主要表現為：機加工設備的生產效率不高，對大型結構件的加工質量控制不到位等。

隨著我國工程機械領域的不斷發展，對機加工設備的研發力度不斷增強，研發資金的投入不斷增多，機加工設備的技術性能不斷提高，工程機械大型結構件的生產經營模式不斷創新，高效機加工設備不斷得到應用。

現階段，我國工程機械所使用的機加工設備的技術水平不斷提升，大型結構件的機加工質量以及機加工效率不斷提高。但是，在特殊結構零件的機加工方面，部分制造企業通常選用日本、韓國的機加工設備，在保證質量的同時提升效率[3]。

4 " 智能高效機加工技術應用概況

4.1 " 智能化機加工技術

近年來，隨著我國工程機械制造領域的自動化技術不斷發展，智能化機加工技術得到較為廣泛的應用。2020年的某項調查顯示，我國10家工程機械結構件機加工企業中，有6家企業的智能化機加工在上料、切割等環節的智能化水平較高，大型結構件焊接中采用智能化機器人操作的達到30%。但與美國、日本和韓國等國家相比，我國智能化機加工水平仍然相對落后，美國、日本和韓國等國家已經實現了遠程控制生產管理。因此，我國需要不斷提高對工程機械高效機加工設備的研發力度，提升自動化技術滲透率，實現智能化高效機加工工藝發展目標[4]。

4.2 " 高效機加工技術

高效機加工工藝是指根據大型結構件機加工的實際情況，優化施工工藝布局，從機加工工藝流程、剩余加工量、加工工序安排等方面，保證機加工精度和質量符合設計要求。

工程機械制造領域引進國外先進的機加工設備，可適應國內大型結構件高效機加工的需要。但是，我國高效機加工核心技術的開發仍是一道難關。據不完全統計，我國工程機械大型結構件的加工，以引進國外高效機加工技術為主，國外機加工技術占據行業的50%以上，而工程機械發達國家引進技術只占據30%左右。由此可知，工程機械機加工技術與我國制造大國的地位不相符，未來需要高度重視機加工核心技術的開發，滿足現代工程機械結構件高效機加工生產需要[5]。

近年來工程機械制造企業在機加工工藝中，不斷加強對大型結構件下料的控制力度，大型結構件下料毛坯以及銷軸座孔的加工余量有所縮減，現階段大型結構件加工余量已經由原來的9mm減至6mm，部分激光加工設備能夠完成粗加工孔和內螺紋底孔的加工。

為了提升大型結構件高效機加工能力，優化施工工藝流程非常關鍵，工程機械制造企業必須充分重視，要采取措施確保施工工藝水平和施工工藝流程的同步優化。

5 " 高效機加工技術發展方向

5.1 " 應用智能信息技術

工程機械企業要想適應市場發展趨勢，必須積極進行技術創新和轉型升級，將智能化技術與高效機加工生產相結合。企業要建立智能化云平臺，將機加工技術與智能化云平臺系統相結合。通過云平臺系統統一處理技術數據信息，使大型結構件機加工企業獲得相關技術數據信息，通過適用的機床設備不僅能實現高效生產，同時還可節省結構件生產成本[6]。

5.2 " 應用激光加工技術

激光加工技術可提升機加工的質量和效率，為工程機械領域的發展提供創新活力。我國激光加工技術在功率輸出、光速質量、加工精度等方面均取得了優異成績。例如在板材零件加工上，采用激光加工直接打孔，替換傳統的加工手段，可大幅度提升大型結構件的機加工生產效率。

工程機械高效機加工目標是結合技術創新和工藝改進，向更高水平的智能化工程機械制造領域發展。為了實現這一目標，需要相關科技人員加強對其核心技術的研發，優化我國當前機加工設備性能，實現高水平機加工技術的創新和發展。

6 " 結語

焊接和機加工技術在工程機械領域中占據重要地位，通過應用優化的機加工工藝，展現出高效機加工設備的優勢。高效機加工技術是降低加工成本的關鍵，是擴大市場發展空間的重要手段。大型結構件機加工工藝控制難度較大，必須針對焊接和機加工生產工藝中的問題進行改進和優化，提高焊接質量、效率和效果，提升工程機械大型結構件的產品質量和生產效率。

參考文獻

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