产品设计中材料选择与开发

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1、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。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产品的用途与涂饰应考虑的条件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 污染性各

2、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产品的用途与涂饰应考虑的条件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、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、耐油性使用性能选材准则使用性能选材准则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

3、涂饰，就要考虑环境的因素。工艺性能选材准则工艺性能选材准则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。经济性选材准则经济性选材准则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,

4、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

5、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7 7 材料的选用材料的选用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、3失效的原因l设计、材料、加工和安装.断断裂的裂的船船身身7 7、4 4典型零件的选材典型零件的选材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

6、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机床齿轮选材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7.4.27.4.2轴类零件的选材轴类零件的选材l1）轴的工作条件及性能要求l2）轴类零件的选材l3）典型轴的选材现代汽车现代汽车卡迪拉克卡迪拉克100100l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

7、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汽车用材汽车用材一辆汽车由上万个零部件组装一辆汽车由上万个零部件组装 而成，由不同的材料制成。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 %汽车用金属材料汽车用金属材料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理汽缸体展示汽缸体展示本田本田C50C50汽缸体汽缸体雅马哈汽缸体雅

8、马哈汽缸体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 ）

9、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

10、l普通螺栓：35l重要螺栓：40Crl热处理：调质l铆钉：10、15l热处理：冷镦后再结晶汽车用塑料汽车用塑料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电线包皮l产品：汽车座垫、车门内板及其他装饰 覆盖件2 2、汽车用工程塑料、汽车用工程塑料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：

11、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3 3、汽车用复合材料、汽车用复合材料l碳纤维增强塑料：车门、制动鼓、l 发动 机罩、保险杠4 4、汽车用橡胶、汽车用橡胶l轮胎l橡胶软管l密封件l减震垫5 5、汽车用陶瓷材料、汽车用陶瓷材料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 陶瓷涡轮叶轮仪器仪表用材仪器仪表用材 1 1

12、、壳体材料、壳体材料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）lABS2 2、轴类零件用材、轴类零件用材l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）3 3、凸轮用材、凸轮用材l平板凸轮：45钢（调质）l重要凸轮：40Crl承载小的凸轮：尼龙l 玻璃纤维增强尼龙4 4、齿轮用

13、材、齿轮用材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)产品材料及成型工艺选用实例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。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

14、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。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 。(