产品设计中材料选择与开发.ppt

第十章产品设计中材料选择与开发 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 1 实用性原则 2 工艺性原则 3 经济性原则 4 环境性原则 5 创新性原则 零件的力学性能要求应分析零件的工作条件 1 受力状态 2 载荷性质 3 工作温度 4 环境介质 各种不同产品需考虑的使用环境产品的用途与涂饰应考虑的条件 各种不同产品需考虑的使用环境产品的用途与涂饰应考虑的条件 使用性能选材准则 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 工艺性能选材准则 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 经济性选材准则 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 1 供应来源广泛性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 生产加工的廉价性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 安全可靠性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 良好的环保性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 7材料的选用 7 1 1零件的失效分析失效的定义 各种机械零件不能按要求的效率完成预定的功能 7 1 2失效的类型变形 断裂与表面损伤7 1 3失效的原因设计 材料 加工和安装 断裂的船身 7 4典型零件的选材 7 4 1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 机床齿轮选材 2 机床齿轮材质 渗碳钢 20CrMnTi 工艺路线 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 7 4 2轴类零件的选材 1 轴的工作条件及性能要求2 轴类零件的选材3 典型轴的选材 现代汽车 卡迪拉克100 外观参考最新的战斗机 F 22Stealth 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 汽车用材 一辆汽车由上万个零部件组装而成 由不同的材料制成 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 汽车用金属材料 1 缸体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 良好的铸造性和切削加工性 价格低廉 缸体常用材料有 灰口铸铁 铸态 铝合金 时效处理 发电机原理 汽缸体展示 本田C50汽缸体 雅马哈汽缸体 2 缸盖 主要用来封闭汽缸构成燃烧室 性能要求 导热性好高温机械强度高铸造性能良好目前缸盖材料 灰铸铁或合金铸铁铝合金 时效处理 3连杆连接活塞和曲轴 将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 性能要求 较高的强度和抗疲劳性能足够的刚性和韧性材料 调质钢 45钢 40Cr或40MnB 热处理 调质 探伤 4 活塞性能要求 热强度高导热性好 膨胀系数小耐磨性好工艺性好材料 铝硅合金热处理 固溶处理及人工时效处理 5 活塞销传递高达数万吨的交变力 性能要求 足够的强度和刚度外硬里韧材料 低碳钢 20 低碳合金钢 20 热处理 渗碳 6 活塞环性能要求 耐磨性好韧性好良好的耐热性 导热性易切削加工性材料珠光体基的灰口铸铁 合金铸铁 表面处理 镀多孔性铬 磷化 7 气门开 闭进 排气道 保证燃烧室的气密性 性能要求 耐热 耐蚀 耐磨进气门材料 40Cr 35CrMo排气门材料 4Cr10Si2Mo高铬耐热钢热处理 淬火 回火 8 半轴性能要求 高的抗弯强度高的疲劳强度较好的韧性材料 中小型汽车45 40Cr重型汽车40MnB 40CrNi 40CrMnMo热处理 调质 9 车身 挡板等冷冲压零件热轧钢板和冷轧钢板 08 20 25 16 10 螺栓 铆钉等冷镦零件普通螺栓 35重要螺栓 40Cr热处理 调质铆钉 10 15热处理 冷镦后再结晶 汽车用塑料 1 汽车内饰用塑料 1 聚氨酯塑料性能特点 质轻 耐油耐寒 防振 隔音产品 汽车坐垫 仪表板 扶手 头枕 2 聚氯乙烯制造各种表皮材料和电线包皮产品 汽车座垫 车门内板及其他装饰覆盖件 2 汽车用工程塑料 1 聚丙烯通风采暖系 发动机的配件 外装件产品 保险杠 加速踏板 灯壳 2 聚乙烯产品 汽油箱 挡泥板 液体储罐 衬板 3 ABS性能特点 刚性好 耐寒性好 加工性能好 易电镀一般型ABS 镜框 喇叭盖 控制箱耐热型ABS 暖风壳 收音机壳 控制板电镀型ABS 水箱面罩 4 聚酰胺 尼龙 产品 雨刷器齿轮 百叶窗 风扇 机油滤清器 保险丝盒 5 聚甲醛各种阀门 排水阀门 空调器阀门各种叶轮 水泵叶轮 油泵叶轮 暖风器叶轮轴套 衬套 各种手柄 3 汽车用复合材料 碳纤维增强塑料 车门 制动鼓 发动机罩 保险杠 4 汽车用橡胶 轮胎橡胶软管密封件减震垫 5 汽车用陶瓷材料 日本五十铃 采用制造气阀头 活塞顶 气缸套 叶片 转子美国通用公司 燃烧室 排气门通道 陶瓷涂镀的气门摇臂陶瓷涡轮叶轮 仪器仪表用材1 壳体材料 1 金属材料低碳结构钢 Q195 Q215 Q235 铬不锈钢 铬镍不锈钢 1Cr13 1Cr18Ni9 铝 L5 LF5 LF11 LF21 黄铜 H62 H68 2 非金属材料聚甲醛玻璃纤维增强尼龙 仪表盘 玻璃纤维增强苯乙烯 收音机 照相机壳体 ABS 2 轴类零件用材 仪器 仪表的轴 普通碳素钢 Q235 聚甲醛塑料重要需耐蚀的轴 硬铝 LY12 LY11 黄铜 HAL60 1 1 3 凸轮用材 平板凸轮 45钢 调质 重要凸轮 40Cr承载小的凸轮 尼龙玻璃纤维增强尼龙 4 齿轮用材 铝青铜 400度以下工作的齿轮 QAL10 4 4 铍青铜 钟表齿轮 QB2 工程塑料 尼龙 聚碳酸酯 ABS 产品材料及成型工艺选用实例 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 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 2020 3 16 53 可编辑 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 塑料相对而言 塑料属于年轻材料 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 复合材料复合材料质轻强度大 具有优良的综合性能和工艺性能 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 产品材料及成型工艺选用实例 手机的成型工艺1 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 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 产品材料及成型工艺选用实例 诺基亚6300摩托罗拉Z10 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 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 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 产品材料及成型工艺选用实例 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 IMD In MoldDecoration 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 产品材料及成型工艺选用实例 图17 7IMD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 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 手机按键的表面处理工艺 喷漆镭雕 在按键表面喷涂各种颜色效果 亮雾度效果的油墨 然后镭雕出透光字体或图案 最后再喷上UV 一种涂料