产品设计中材料选择与开发

1、材料的选择在一般原则的指导下, 还必须从材料的使用性能、工艺性能及使用材料的经济性来考虑。l（1）实用性原则l（2）工艺性原则l（3）经济性原则l（4）环境性原则l（5）创新性原则l零件的力学性能要求应分析零件的工作条件：l（1）受力状态l（2）载荷性质l（3）工作温度l（4）环境介质产品名称涂饰应考虑的条件机床等耐油性、耐蚀性汽车、自行车防蚀性、耐候性、耐水性、附着性医疗器械耐酒精性、耐油性、附着性计算机防蚀性、耐磨性金属家具防蚀性、耐热性、耐水性、附着性、耐污染性产品名称涂饰应考虑的条件电风扇、缝纫机色彩的照明度、硬度、附着性洗衣机防蚀性、耐碱性、耐水性、耐黄变性电冰箱、冰藏柜、空调防蚀性

2、、耐寒性、耐水性、硬度、耐黄变性厨房用具防蚀性、耐热性、耐水性、耐油性l产品设计过程中, 应根据其构件应有的功能、预计的行为以及构性的工作环境, 明确规定对材料性能的要求, 并把对材料的一些定性要求, 进一步确定出具体的力学性能、物理性能和化学性能指标, 使这些指标符合设计要求的技术参数, 保证在服役周期内不出现意外现象。如产品的表面涂饰，就要考虑环境的因素。l材料的工艺性能, 是材料被加工成成品构件形状的能力的尺寸, 就金属材料来说, 根据特定的制造加工方法, 其工艺性的要求主要包括: 可焊性、可铸性、可压力加工性、可切削性和热处理性等。从机械工业生产类型来看, 材料工艺性能的好坏, 在单件

3、批量生产条件下, 并不显得十分突出, 而对大批量生产条件下, 达到经济规模要求等成为材料选择中起决定性作用的因素之一。l材料的经济性, 不仅指优先考虑选用价格比较便宜的材料, 而且要综合考虑材料对产品整个寿命周期成本的影响, 以使达到最佳技术经济效益, 这对材料的最终选择有决定性意义。现代设计与材料的关系是互相刺激、互相促进的。时代的变迁、意识的变化，会带来人们对材料需求的变化，从而促进设计材料的改进和开发。从现代设计的概念变化与新材料开发的关系来看，当人们物质生活还不丰富时，设计更多的追求功能和机械性，而当人们物质生活达到一定水平时，设计随之将其侧重点偏向于造型感觉等方面。l1）供应来源广泛

4、性l选用材料既要考虑有广泛的供应来源, 同时又要考虑材料能够供应的批量, 因为材料供应批量, 直接影响产品的生产成本。l生产加工的廉价性l选用材料要便于生产加工, 同时费用要低, 而且最好是选用可二次再生利用的材料。l安全可靠性l材料要有足够的强度和坚硬度, 在所使用的温度、湿度等范围内尺寸稳定, 在服役周期内安全可靠。l良好的环保性l选用材料要求对环境不产生有害的影响, 同时, 要有可降解性, 便于废弃处理。商务汽车内部装饰件，尽显奢华RADO制造的陶瓷手表l7、1、1零件的失效分析l失效的定义：各种机械零件不能按要求的效率完成预定的功能。l7、1、2失效的类型l变形、断裂与表面损伤l7、1

5、、3失效的原因l设计、材料、加工和安装. 741齿轮零件的选材1）齿轮的工作条件与性能要求2）齿轮零件的选材3）典型齿轮选材举例：（1）机床齿轮材质：中碳钢（如45钢）工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火、低温回火精磨l(2)机床齿轮l材质：渗碳钢（20CrMnTi)l工艺路线：l下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工l1）轴的工作条件及性能要求l2）轴类零件的选材l3）典型轴的选材l外观参考最新的战斗机“F-22 Stealth”设计，降低了车身高度，给人敏捷的印象。这与以往的卡迪拉克外观截然不同。蓝色玻璃令人联想到运动时的太阳镜，给人以现代、高科技的感觉。车体与底盘

6、通过采用碳纤维复合材料，提高了强度，并减轻了重量。前后悬架减震系统均采用铝合金双叉骨式卡迪拉克100如：中型载货汽车，钢材约占64% 铸铁约占21 % 有色金属约占1 % 非金属约占14 %l1、缸体l缸体是发动机的骨架和外壳，其性能要求有足够的强度和刚度：l良好的铸造性和切削加工性：l价格低廉。l缸体常用材料有：灰口铸铁（铸态）l 铝合金（时效处理）l发l电l机l原l理l2、缸盖：l主要用来封闭汽缸构成燃烧室。性能要求：导热性好l高温机械强度高l铸造性能良好l目前缸盖材料灰铸铁或合金铸铁l 铝合金（时效处理）l3连杆l连接活塞和曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。性能要求：l 较高的

7、强度和抗疲劳性能l 足够的刚性和韧性l材料：调质钢（45钢、40Cr 或40MnB ）l热处理：调质、探伤l4、活塞l性能要求：热强度高l 导热性好，膨胀系数小l 耐磨性好l 工艺性好l材料：铝硅合金l热处理：固溶处理及人工时效处理l5 、活塞销l传递高达数万吨的交变力，性能要求：l 足够的强度和刚度l 外硬里韧l材料：低碳钢（20）l 低碳合金钢（20 ）l热处理：渗碳l6、活塞环l性能要求：耐磨性好l 韧性好l 良好的耐热性、导热性l 易切削加工性l材料珠光体基的灰口铸铁、合金铸铁l表面处理：镀多孔性铬、磷化l7、气门l开、闭进、排气道。保证燃烧室的气密性，性能要求|：l 耐热、耐蚀、耐磨

8、l进气门材料：40Cr、35CrMol排气门材料：4Cr10Si2Mo高铬耐热钢l热处理：淬火、回火l8、半轴l性能要求：高的抗弯强度l高的疲劳强度l较好的韧性l材料：中小型汽车45、40Crl重型汽车40MnB、40CrNi、40CrMnMol热处理：调质l9、车身、挡板等冷冲压零件l热轧钢板和冷轧钢板：08、20、25、16l10、螺栓、铆钉等冷镦零件l普通螺栓：35l重要螺栓：40Crl热处理：调质l铆钉：10、15l热处理：冷镦后再结晶l1、汽车内饰用塑料l（1）聚氨酯塑料l性能特点：质轻、耐油l 耐寒、防振、隔音l产品：汽车坐垫、仪表板、扶手、头枕l（2）聚氯乙烯l制造各种表皮材料和

9、电线包皮l产品：汽车座垫、车门内板及其他装饰 覆盖件l（1）聚丙烯l通风采暖系、发动机的配件、外装件l产品：保险杠、加速踏板、灯壳l（2）聚乙烯l产品：汽油箱、挡泥板、液体储罐、衬板l（3）ABSl性能特点：刚性好、耐寒性好、加工性能好、易电镀l一般型ABS：镜框、喇叭盖、控制箱l耐热型ABS：暖风壳、收音机壳、控制板l电镀型ABS ：水箱面罩 l(4)聚酰胺（尼龙）l产品：雨刷器齿轮、百叶窗、风扇、机 油滤清器、保险丝盒l(5)聚甲醛l各种阀门:排水阀门、空调器阀门l各种叶轮:水泵叶轮、油泵叶轮、暖风器叶轮l轴套、衬套、各种手柄l碳纤维增强塑料：车门、制动鼓、l 发动 机罩、保险杠l轮胎l橡

10、胶软管l密封件l减震垫l日本五十铃：采用制造气阀头、活塞顶、气缸套、叶片、转子l美国通用公司：燃烧室、排气门通道、l 陶瓷涂镀的气门摇臂l 陶瓷涡轮叶轮l（1）金属材料l低碳结构钢（Q195、Q215、Q235)l铬不锈钢、铬镍不锈钢（1Cr13、 1Cr18Ni9)l铝（L5、LF5、LF11、LF21)l黄铜（H62、H68)l(2)非金属材料l聚甲醛l玻璃纤维增强尼龙（仪表盘）l玻璃纤维增强苯乙烯（收音机、照相机 l 壳体）lABSl仪器、仪表的轴：l普通碳素钢（Q235）l 聚甲醛塑料l重要需耐蚀的轴：l硬铝（LY12、LY11）l黄铜（HAL60-1-1）l平板凸轮：45钢（调质）l

11、重要凸轮：40Crl承载小的凸轮：尼龙l 玻璃纤维增强尼龙l铝青铜：400度以下工作的齿轮(QAL10-4-4)l铍青铜：钟表齿轮(QB2)l工程塑料（尼龙、聚碳酸酯、ABS)椅子材料选用椅子材料选用 被广泛应用到椅子设计上的材料有木材(实木和人造板材)、铜、钢、铝等金属材料及塑料、竹、藤、玻璃、复合材料等。1. 木材木材木材是制作椅子最普遍，最具传统性的材料之一。从古埃及赫特芬雷斯王后的木质御椅到古希腊最具吸引力的椅子Klismos，从炫耀、奢华的欧洲巴罗克风格到内敛、含蓄的中国明式风格，木质椅子的魅力经久不衰。l木材资源丰富，价格便宜，具有较好的力学性能及优良的加工性能。由天然木材制成的椅

12、子，纹理美观，自然淳朴。对人类生理、心理舒适度等产生的影响，通过颜色、纹理、光泽，发挥到了淋漓尽致的地步。木材作为椅子制作的一种理想材料，是任何其他材料无法完全替代的。实木材料具有各向异性的特点，在自然条件下具有吸湿而膨胀、解吸而收缩的特性。这会使木材暴露在空气中时，受温度和湿度的影响，发生尺寸、形状和强度的变化，导致变形、开裂、扭曲和翘曲等现象。人造板材在幅面方向上的尺寸稳定性好，表面板材高于一般的板材，特别适合工业化生产。 如图所示为三张不同木材的椅子，(a)为用于户外使用的椅子，椅子骨架采用铸铁，露天环境下不容易破坏，椅面和椅背选用板方材，从而保证舒适度。(b)为室内用的椅子，整体采用实

13、木，后经喷漆处理。(c)为胶合板椅子，椅子由胶合板热弯成型，椅子可以层叠，便于运输。(a) 户外椅 (b) 室内椅 (c) 胶合板椅木材椅 2. 金属金属金属椅子是完全由金属材料制作或以金属管材、板材或线材等作为主构件，配以木材、玻璃、塑料、石材等制作而成的椅子，如图所示。金属材料具有优良的物理和化学性能，强度高、韧性好，具有良好的工艺性，在椅子结构件中得到广泛应用。图(a)椅子选用钢管骨架、一体化胶合板椅面，二者经连接制成。图(b)椅子采用的钢管骨架，椅面和椅背选用了胶合板和海绵，从而保证舒适度。但是金属材料椅子价格高，坚硬冰冷。(a) (b) 金属椅3. 塑料塑料相对而言，塑料属于年轻材料

14、，但是我们周围却无处不存在着塑料制品。塑料以鲜艳的颜色、新颖的造型、轻便实用的特点装饰着我们的生活。塑料具有一定的机械强度，电绝缘性、耐磨性、耐化学腐蚀性和着色性，并且比重小，可塑性好，可回收再利用的特点。成型方便，可以采用注塑、压塑等工艺加工出各种风格独特的椅子造型。塑料细腻光滑，优雅轻柔，有机玻璃明洁透亮、富丽亲切。但是塑料容易老化、褪色，成型模具成本较高。图所示为塑料椅子，图(a)所示为注塑椅，一体成型，成本低。图(b)所示椅子腿选用了金属支架，椅面和椅背选用了整体浇塑成型，椅子腿是作为金属嵌件和塑料件连接。图 塑料椅 4. 复复合合材料材料复合材料质轻强度大，具有优良的综合性能和工艺性

15、能，尤其是以玻璃纤维为增强相的复合材料，在椅子的设计中得到广泛应用。丹麦设计师潘顿(VernerPanton)20世纪60年代与美国米勒公司合作完成的潘顿叠椅是世界上第一张采用塑料一次模压成型的S型椅子，如图 (a)所示。椅子的造型直接反映了生产工艺和结构的特点，同时又非常别致，色彩也十分鲜艳，具有强烈的雕塑感。玻璃钢常用于餐厅、运动场馆等公共场所椅子的设计制造，价格便宜，成型方便。图 (b)所示为选用玻璃钢和不锈钢制造的吧台椅。(a) (b)图 复合材料椅 5. 玻璃玻璃通透的玻璃，有着幽雅的气质，尽显时尚而富有现代感。玻璃透明或者半透明，都能表达出光与影的艺术魅力，能增添其他材料无法效仿的

16、浪漫情趣。玻璃易脆易碎，很少用作主构件，一般是与金属、木材组合。与金属的结合，能打破原有的平淡，创造出更多趣味。选择椅子材料时要熟知材料的特性，如材料的肌理、色彩、质地、强度、硬度、延伸性、收缩性、防潮、防锈、防腐、防虫及耐老化等特性。还要了解与之对应的加工工艺、材料的可获得性和性价比，以及原材料成本和加工成本。一般情况下，可以综合几种材料的优点，同时选择几种材料来制作一张椅子。 手机的成型工艺手机的成型工艺 1手机的一般结构手机的一般结构手机的结构一般包括液晶显示器屏、上下壳、按键、电池盖、电池盖按键、天线以及电子元器件等。液晶显示器屏一般选择PC或亚克力(有机玻璃)，用卡钩和背胶与上盖连接

17、。l直板机外壳一般选用的塑胶材料为PC或PC+ABS，如诺基亚6300手机。折叠机外壳一般选用塑胶材料为PC。PC制品比PC+ABS制品的强度、刚度、塑性、硬度等机械性能要好，但是PC的注塑成型性能相对PC+ABS要差些，对成型条件要求相对苛刻，同时成型制品表面质量相对较差。PC材质电镀效果很差，对于需要电镀的壳体，一般选用ABS材料。有的手机也选用金属外壳，如摩托罗拉Z10手机，采用航空铝镁合金外壳，具有优雅、高贵的质感。诺基亚6300 摩托罗拉Z10l手机按键主要有硅胶键盘、注塑PC键盘和金属键盘等，表面处理工艺较复杂。l。l电池盖的材料一般是PC+ABS，有整体式和分体式。整体式即电池和

18、电池盖合为一体，分体式即电池与电池盖为单独的两个部件。电池盖按键材料一般用聚甲醛(POM)，具有较好的韧性和耐磨性。l天线分外置式和内置式两种，外置的通讯效果好。外置式又分为卡扣固定和螺纹固定两种，其中卡扣固定较好，但结构相对复杂，而且适合非圆截面天线的固定安装，螺纹固定式结构简单且适合圆形截面天线的固定。其他电子元器件可以直接选用2手机的表面处理工艺 手机的表面处理工艺主要有喷涂、电镀、气相沉积、模内装饰(IMD )、镭刻(激光雕刻)、丝网印刷、移印、转印及烫金等。 是集丝网印刷、成型和注塑相结合的一种新型模内装饰技术，是一项复杂的技术结合，如图17-7所示为IMD成型工艺示意图。在装饰产品

19、时，模内装饰（IMD）是一种最有效率又节省成本的方法，广泛应用于汽车仪表盘、空调面板、手机按键、外壳、视窗镜片、家用电器、医疗器械等产品上。多样化的应用已使模内装饰变成可以理想地取代许多传统的制程：像热印、表面直接印刷、表面喷涂、电镀、双色注塑等传统装饰方法。它最适用于3D产品，尤其是需要一致性套色图样、背光、多种颜色的产品制造。如图17-8所示为IMD成型工艺流程框图。 图17-7 IMD成型工艺示意图 IMD又分为IML，IMR，这两种工艺的最大区别就是产品表面是否有一层透明的保护薄膜。IML，即模内镶件注塑。此工艺非常显著的特点是：表面是一层硬化的透明薄膜，中间是印刷图案层，背面是塑胶层

20、，由于油墨夹在中间，可使产品防止表面被刮花和耐摩擦，并可长期保持颜色的鲜明，不易褪色。IMR，即模内转印，此工艺是将图案印刷在薄膜上，通过送膜机将膜片与塑模型腔贴合进行注塑，注塑后有图案的油墨层与薄膜分离，油墨层留在塑件上而得到表面有装饰图案的塑件，在最终的产品表面没有一层透明的保护膜，膜片只是生产过程中的一个载体。IMR的优势在于生产时的自动化程度高和大批量生产的成本较低。缺点是印刷图案层在产品的表面上，厚度只有几个微米，产品使用一段时间后印刷图案层很容易会被磨损掉，也易褪色，造成表面很不美观。IMD成型工艺流程框图 手机按键的基本结构主要有五种，即普通硅胶按键、塑料+硅胶(P+R)、热塑性薄膜(IMD)、IMD+P+R、纯塑料键盘。塑料+硅胶是将塑料按键与硅胶底板通过特殊胶黏剂装配在一起。IMD是用热塑性薄膜背面印刷字体、图案后成型的按键。手机按键的表面处理工艺主要有以下几种。 喷漆镭雕。