產(chǎn)品設(shè)計中材料選擇與開發(fā)

1、材料的選擇在一般原則的指導(dǎo)下, 還必須從材料的使用性能、工藝性能及使用材料的經(jīng)濟(jì)性來考慮。（1）實(shí)用性原則（2）工藝性原則（3）經(jīng)濟(jì)性原則（4）環(huán)境性原則（5）創(chuàng)新性原則l零件的力學(xué)性能要求應(yīng)分析零件的工作條件：l（1）受力狀態(tài)l（2）載荷性質(zhì)l（3）工作溫度l（4）環(huán)境介質(zhì)l產(chǎn)品設(shè)計過程中, 應(yīng)根據(jù)其構(gòu)件應(yīng)有的功能、預(yù)計的行為以及構(gòu)性的工作環(huán)境, 明確規(guī)定對材料性能的要求, 并把對材料的一些定性要求, 進(jìn)一步確定出具體的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能指標(biāo), 使這些指標(biāo)符合設(shè)計要求的技術(shù)參數(shù), 保證在服役周期內(nèi)不出現(xiàn)意外現(xiàn)象。如產(chǎn)品的表面涂飾，就要考慮環(huán)境的因素。l材料的工藝性能, 是材料被加工

2、成成品構(gòu)件形狀的能力的尺寸, 就金屬材料來說, 根據(jù)特定的制造加工方法, 其工藝性的要求主要包括: 可焊性、可鑄性、可壓力加工性、可切削性和熱處理性等。從機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)類型來看, 材料工藝性能的好壞, 在單件批量生產(chǎn)條件下, 并不顯得十分突出, 而對大批量生產(chǎn)條件下, 達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模要求等成為材料選擇中起決定性作用的因素之一。l材料的經(jīng)濟(jì)性, 不僅指優(yōu)先考慮選用價格比較便宜的材料, 而且要綜合考慮材料對產(chǎn)品整個壽命周期成本的影響, 以使達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益, 這對材料的最終選擇有決定性意義?，F(xiàn)代設(shè)計與材料的關(guān)系是互相刺激、互相促進(jìn)的。時代的變遷、意識的變化，會帶來人們對材料需求的變化，從而促進(jìn)設(shè)計

3、材料的改進(jìn)和開發(fā)。從現(xiàn)代設(shè)計的概念變化與新材料開發(fā)的關(guān)系來看，當(dāng)人們物質(zhì)生活還不豐富時，設(shè)計更多的追求功能和機(jī)械性，而當(dāng)人們物質(zhì)生活達(dá)到一定水平時，設(shè)計隨之將其側(cè)重點(diǎn)偏向于造型感覺等方面。l1）供應(yīng)來源廣泛性l選用材料既要考慮有廣泛的供應(yīng)來源, 同時又要考慮材料能夠供應(yīng)的批量, 因?yàn)椴牧瞎?yīng)批量, 直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。l生產(chǎn)加工的廉價性l選用材料要便于生產(chǎn)加工, 同時費(fèi)用要低, 而且最好是選用可二次再生利用的材料。l安全可靠性l材料要有足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)硬度, 在所使用的溫度、濕度等范圍內(nèi)尺寸穩(wěn)定, 在服役周期內(nèi)安全可靠。l良好的環(huán)保性l選用材料要求對環(huán)境不產(chǎn)生有害的影響, 同時, 要有可降解

4、性, 便于廢棄處理。商務(wù)汽車內(nèi)部裝飾件，盡顯奢華RADO制造的陶瓷手表l7、1、1零件的失效分析l失效的定義：各種機(jī)械零件不能按要求的效率完成預(yù)定的功能。l7、1、2失效的類型l變形、斷裂與表面損傷l7、1、3失效的原因l設(shè)計、材料、加工和安裝. 741齒輪零件的選材1）齒輪的工作條件與性能要求2）齒輪零件的選材3）典型齒輪選材舉例：（1）機(jī)床齒輪材質(zhì)：中碳鋼（如45鋼）工藝路線：下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工高頻淬火、低溫回火精磨l(2)機(jī)床齒輪l材質(zhì)：滲碳鋼（20CrMnTi)l工藝路線：l下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火及低溫回火噴丸磨削加工l1）軸的工作條件及性能要求l2）軸類零件的選材l

5、3）典型軸的選材l外觀參考最新的戰(zhàn)斗機(jī)“F-22 Stealth”設(shè)計，降低了車身高度，給人敏捷的印象。這與以往的卡迪拉克外觀截然不同。藍(lán)色玻璃令人聯(lián)想到運(yùn)動時的太陽鏡，給人以現(xiàn)代、高科技的感覺。車體與底盤通過采用碳纖維復(fù)合材料，提高了強(qiáng)度，并減輕了重量。前后懸架減震系統(tǒng)均采用鋁合金雙叉骨式如：中型載貨汽車，鋼材約占64% 鑄鐵約占21 % 有色金屬約占1 % 非金屬約占14 %l1、缸體l缸體是發(fā)動機(jī)的骨架和外殼，其性能要求有足夠的強(qiáng)度和剛度：l良好的鑄造性和切削加工性：l價格低廉。l缸體常用材料有：灰口鑄鐵（鑄態(tài)）l 鋁合金（時效處理）l發(fā)l電l機(jī)l原l理l2、缸蓋：l主要用來封閉汽缸構(gòu)成

6、燃燒室。性能要求：導(dǎo)熱性好l高溫機(jī)械強(qiáng)度高l鑄造性能良好l目前缸蓋材料灰鑄鐵或合金鑄鐵l 鋁合金（時效處理）l3連桿l連接活塞和曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。性能要求：l 較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能l 足夠的剛性和韌性l材料：調(diào)質(zhì)鋼（45鋼、40Cr 或40MnB ）l熱處理：調(diào)質(zhì)、探傷l4、活塞l性能要求：熱強(qiáng)度高l 導(dǎo)熱性好，膨脹系數(shù)小l 耐磨性好l 工藝性好l材料：鋁硅合金l熱處理：固溶處理及人工時效處理l5 、活塞銷l傳遞高達(dá)數(shù)萬噸的交變力，性能要求：l 足夠的強(qiáng)度和剛度l 外硬里韌l材料：低碳鋼（20）l 低碳合金鋼（20 ）l熱處理：滲碳l6、活塞環(huán)l性能要求：耐磨性好l

7、 韌性好l 良好的耐熱性、導(dǎo)熱性l 易切削加工性l材料珠光體基的灰口鑄鐵、合金鑄鐵l表面處理：鍍多孔性鉻、磷化l7、氣門l開、閉進(jìn)、排氣道。保證燃燒室的氣密性，性能要求|：l 耐熱、耐蝕、耐磨l進(jìn)氣門材料：40Cr、35CrMol排氣門材料：4Cr10Si2Mo高鉻耐熱鋼l熱處理：淬火、回火l8、半軸l性能要求：高的抗彎強(qiáng)度l高的疲勞強(qiáng)度l較好的韌性l材料：中小型汽車45、40Crl重型汽車40MnB、40CrNi、40CrMnMol熱處理：調(diào)質(zhì)l9、車身、擋板等冷沖壓零件l熱軋鋼板和冷軋鋼板：08、20、25、16l10、螺栓、鉚釘?shù)壤溏吜慵普通螺栓：35l重要螺栓：40Crl熱處理：調(diào)質(zhì)

8、l鉚釘：10、15l熱處理：冷鐓后再結(jié)晶l1、汽車內(nèi)飾用塑料l（1）聚氨酯塑料l性能特點(diǎn)：質(zhì)輕、耐油l 耐寒、防振、隔音l產(chǎn)品：汽車坐墊、儀表板、扶手、頭枕l（2）聚氯乙烯l制造各種表皮材料和電線包皮l產(chǎn)品：汽車座墊、車門內(nèi)板及其他裝飾 覆蓋件l（1）聚丙烯l通風(fēng)采暖系、發(fā)動機(jī)的配件、外裝件l產(chǎn)品：保險杠、加速踏板、燈殼l（2）聚乙烯l產(chǎn)品：汽油箱、擋泥板、液體儲罐、襯板l（3）ABSl性能特點(diǎn)：剛性好、耐寒性好、加工性能好、易電鍍l一般型ABS：鏡框、喇叭蓋、控制箱l耐熱型ABS：暖風(fēng)殼、收音機(jī)殼、控制板l電鍍型ABS ：水箱面罩 l(4)聚酰胺（尼龍）l產(chǎn)品：雨刷器齒輪、百葉窗、風(fēng)扇、機(jī)

9、油濾清器、保險絲盒l(wèi)(5)聚甲醛l各種閥門:排水閥門、空調(diào)器閥門l各種葉輪:水泵葉輪、油泵葉輪、暖風(fēng)器葉輪l軸套、襯套、各種手柄l碳纖維增強(qiáng)塑料：車門、制動鼓、l 發(fā)動 機(jī)罩、保險杠l輪胎l橡膠軟管l密封件l減震墊l日本五十鈴：采用制造氣閥頭、活塞頂、氣缸套、葉片、轉(zhuǎn)子l美國通用公司：燃燒室、排氣門通道、l 陶瓷涂鍍的氣門搖臂l 陶瓷渦輪葉輪l（1）金屬材料l低碳結(jié)構(gòu)鋼（Q195、Q215、Q235)l鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼（1Cr13、 1Cr18Ni9)l鋁（L5、LF5、LF11、LF21)l黃銅（H62、H68)l(2)非金屬材料l聚甲醛l玻璃纖維增強(qiáng)尼龍（儀表盤）l玻璃纖維增強(qiáng)苯乙烯（

10、收音機(jī)、照相機(jī) l 殼體）lABSl儀器、儀表的軸：l普通碳素鋼（Q235）l 聚甲醛塑料l重要需耐蝕的軸：l硬鋁（LY12、LY11）l黃銅（HAL60-1-1）l平板凸輪：45鋼（調(diào)質(zhì)）l重要凸輪：40Crl承載小的凸輪：尼龍l 玻璃纖維增強(qiáng)尼龍l鋁青銅：400度以下工作的齒輪(QAL10-4-4)l鈹青銅：鐘表齒輪(QB2)l工程塑料（尼龍、聚碳酸酯、ABS)椅子材料選用椅子材料選用 被廣泛應(yīng)用到椅子設(shè)計上的材料有木材(實(shí)木和人造板材)、銅、鋼、鋁等金屬材料及塑料、竹、藤、玻璃、復(fù)合材料等。1. 木材木材木材是制作椅子最普遍，最具傳統(tǒng)性的材料之一。從古埃及赫特芬雷斯王后的木質(zhì)御椅到古希臘

11、最具吸引力的椅子Klismos，從炫耀、奢華的歐洲巴羅克風(fēng)格到內(nèi)斂、含蓄的中國明式風(fēng)格，木質(zhì)椅子的魅力經(jīng)久不衰。l木材資源豐富，價格便宜，具有較好的力學(xué)性能及優(yōu)良的加工性能。由天然木材制成的椅子，紋理美觀，自然淳樸。對人類生理、心理舒適度等產(chǎn)生的影響，通過顏色、紋理、光澤，發(fā)揮到了淋漓盡致的地步。木材作為椅子制作的一種理想材料，是任何其他材料無法完全替代的。實(shí)木材料具有各向異性的特點(diǎn)，在自然條件下具有吸濕而膨脹、解吸而收縮的特性。這會使木材暴露在空氣中時，受溫度和濕度的影響，發(fā)生尺寸、形狀和強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致變形、開裂、扭曲和翹曲等現(xiàn)象。人造板材在幅面方向上的尺寸穩(wěn)定性好，表面板材高于一般的板材

12、，特別適合工業(yè)化生產(chǎn)。 如圖所示為三張不同木材的椅子，(a)為用于戶外使用的椅子，椅子骨架采用鑄鐵，露天環(huán)境下不容易破壞，椅面和椅背選用板方材，從而保證舒適度。(b)為室內(nèi)用的椅子，整體采用實(shí)木，后經(jīng)噴漆處理。(c)為膠合板椅子，椅子由膠合板熱彎成型，椅子可以層疊，便于運(yùn)輸。(a) 戶外椅 (b) 室內(nèi)椅 (c) 膠合板椅木材椅 2. 金屬金屬金屬椅子是完全由金屬材料制作或以金屬管材、板材或線材等作為主構(gòu)件，配以木材、玻璃、塑料、石材等制作而成的椅子，如圖所示。金屬材料具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，強(qiáng)度高、韌性好，具有良好的工藝性，在椅子結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。圖(a)椅子選用鋼管骨架、一體化膠合板

13、椅面，二者經(jīng)連接制成。圖(b)椅子采用的鋼管骨架，椅面和椅背選用了膠合板和海綿，從而保證舒適度。但是金屬材料椅子價格高，堅(jiān)硬冰冷。(a) (b) 金屬椅3. 塑料塑料相對而言，塑料屬于年輕材料，但是我們周圍卻無處不存在著塑料制品。塑料以鮮艷的顏色、新穎的造型、輕便實(shí)用的特點(diǎn)裝飾著我們的生活。塑料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，電絕緣性、耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性和著色性，并且比重小，可塑性好，可回收再利用的特點(diǎn)。成型方便，可以采用注塑、壓塑等工藝加工出各種風(fēng)格獨(dú)特的椅子造型。塑料細(xì)膩光滑，優(yōu)雅輕柔，有機(jī)玻璃明潔透亮、富麗親切。但是塑料容易老化、褪色，成型模具成本較高。圖所示為塑料椅子，圖(a)所示為注塑椅，一體

14、成型，成本低。圖(b)所示椅子腿選用了金屬支架，椅面和椅背選用了整體澆塑成型，椅子腿是作為金屬嵌件和塑料件連接。圖 塑料椅 4. 復(fù)復(fù)合合材料材料復(fù)合材料質(zhì)輕強(qiáng)度大，具有優(yōu)良的綜合性能和工藝性能，尤其是以玻璃纖維為增強(qiáng)相的復(fù)合材料，在椅子的設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。丹麥設(shè)計師潘頓(VernerPanton)20世紀(jì)60年代與美國米勒公司合作完成的潘頓疊椅是世界上第一張采用塑料一次模壓成型的S型椅子，如圖 (a)所示。椅子的造型直接反映了生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時又非常別致，色彩也十分鮮艷，具有強(qiáng)烈的雕塑感。玻璃鋼常用于餐廳、運(yùn)動場館等公共場所椅子的設(shè)計制造，價格便宜，成型方便。圖 (b)所示為選用玻

15、璃鋼和不銹鋼制造的吧臺椅。(a) (b)圖 復(fù)合材料椅 5. 玻璃玻璃通透的玻璃，有著幽雅的氣質(zhì)，盡顯時尚而富有現(xiàn)代感。玻璃透明或者半透明，都能表達(dá)出光與影的藝術(shù)魅力，能增添其他材料無法效仿的浪漫情趣。玻璃易脆易碎，很少用作主構(gòu)件，一般是與金屬、木材組合。與金屬的結(jié)合，能打破原有的平淡，創(chuàng)造出更多趣味。選擇椅子材料時要熟知材料的特性，如材料的肌理、色彩、質(zhì)地、強(qiáng)度、硬度、延伸性、收縮性、防潮、防銹、防腐、防蟲及耐老化等特性。還要了解與之對應(yīng)的加工工藝、材料的可獲得性和性價比，以及原材料成本和加工成本。一般情況下，可以綜合幾種材料的優(yōu)點(diǎn)，同時選擇幾種材料來制作一張椅子。 手機(jī)的成型工藝手機(jī)的成型

16、工藝 1手機(jī)的一般結(jié)構(gòu)手機(jī)的一般結(jié)構(gòu)手機(jī)的結(jié)構(gòu)一般包括液晶顯示器屏、上下殼、按鍵、電池蓋、電池蓋按鍵、天線以及電子元器件等。液晶顯示器屏一般選擇PC或亞克力(有機(jī)玻璃)，用卡鉤和背膠與上蓋連接。l直板機(jī)外殼一般選用的塑膠材料為PC或PC+ABS，如諾基亞6300手機(jī)。折疊機(jī)外殼一般選用塑膠材料為PC。PC制品比PC+ABS制品的強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度等機(jī)械性能要好，但是PC的注塑成型性能相對PC+ABS要差些，對成型條件要求相對苛刻，同時成型制品表面質(zhì)量相對較差。PC材質(zhì)電鍍效果很差，對于需要電鍍的殼體，一般選用ABS材料。有的手機(jī)也選用金屬外殼，如摩托羅拉Z10手機(jī)，采用航空鋁鎂合金外殼，具

17、有優(yōu)雅、高貴的質(zhì)感。諾基亞6300 摩托羅拉Z10l手機(jī)按鍵主要有硅膠鍵盤、注塑PC鍵盤和金屬鍵盤等，表面處理工藝較復(fù)雜。l。l電池蓋的材料一般是PC+ABS，有整體式和分體式。整體式即電池和電池蓋合為一體，分體式即電池與電池蓋為單獨(dú)的兩個部件。電池蓋按鍵材料一般用聚甲醛(POM)，具有較好的韌性和耐磨性。l天線分外置式和內(nèi)置式兩種，外置的通訊效果好。外置式又分為卡扣固定和螺紋固定兩種，其中卡扣固定較好，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而且適合非圓截面天線的固定安裝，螺紋固定式結(jié)構(gòu)簡單且適合圓形截面天線的固定。其他電子元器件可以直接選用2手機(jī)的表面處理工藝 手機(jī)的表面處理工藝主要有噴涂、電鍍、氣相沉積、模內(nèi)裝

18、飾(IMD )、鐳刻(激光雕刻)、絲網(wǎng)印刷、移印、轉(zhuǎn)印及燙金等。 是集絲網(wǎng)印刷、成型和注塑相結(jié)合的一種新型模內(nèi)裝飾技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)結(jié)合，如圖17-7所示為IMD成型工藝示意圖。在裝飾產(chǎn)品時，模內(nèi)裝飾（IMD）是一種最有效率又節(jié)省成本的方法，廣泛應(yīng)用于汽車儀表盤、空調(diào)面板、手機(jī)按鍵、外殼、視窗鏡片、家用電器、醫(yī)療器械等產(chǎn)品上。多樣化的應(yīng)用已使模內(nèi)裝飾變成可以理想地取代許多傳統(tǒng)的制程：像熱印、表面直接印刷、表面噴涂、電鍍、雙色注塑等傳統(tǒng)裝飾方法。它最適用于3D產(chǎn)品，尤其是需要一致性套色圖樣、背光、多種顏色的產(chǎn)品制造。如圖17-8所示為IMD成型工藝流程框圖。 圖17-7 IMD成型工藝示意圖

19、 IMD又分為IML，IMR，這兩種工藝的最大區(qū)別就是產(chǎn)品表面是否有一層透明的保護(hù)薄膜。IML，即模內(nèi)鑲件注塑。此工藝非常顯著的特點(diǎn)是：表面是一層硬化的透明薄膜，中間是印刷圖案層，背面是塑膠層，由于油墨夾在中間，可使產(chǎn)品防止表面被刮花和耐摩擦，并可長期保持顏色的鮮明，不易褪色。IMR，即模內(nèi)轉(zhuǎn)印，此工藝是將圖案印刷在薄膜上，通過送膜機(jī)將膜片與塑模型腔貼合進(jìn)行注塑，注塑后有圖案的油墨層與薄膜分離，油墨層留在塑件上而得到表面有裝飾圖案的塑件，在最終的產(chǎn)品表面沒有一層透明的保護(hù)膜，膜片只是生產(chǎn)過程中的一個載體。IMR的優(yōu)勢在于生產(chǎn)時的自動化程度高和大批量生產(chǎn)的成本較低。缺點(diǎn)是印刷圖案層在產(chǎn)品的表面上，厚度只有幾個微米，產(chǎn)品使用一段時間后印刷圖案層很容易會被磨損掉，也易褪色，造成表面很不美觀。IMD成型工藝流程框圖 手機(jī)按鍵的基本結(jié)構(gòu)主要有五種，即普通硅膠按鍵、塑料+硅膠(P+R)、熱塑性薄膜(IMD)、IMD+P+R、純塑料鍵盤。塑料+硅膠是將塑料按鍵與硅膠底板通過特殊膠黏劑裝配在一起。IMD是用熱塑性薄膜背面印刷字體、圖案后成型的按鍵。手機(jī)按鍵的表面處理工藝主要有以下幾種。 噴漆鐳雕。在按鍵表面噴涂各種顏色效果、亮霧度效果的