《產品造型材料與工藝》

1、工程基礎工程基礎-1（產品造型材料與工藝）（產品造型材料與工藝）課件課件第一章 概論 1-1 材料與設計 廣義的講材料廣義的講材料是指人們的意識之外的所有物質；或者說是一種跨越人類時代的物質。具體而言材料是人們用以作為物品的物質，包括：衣食住行的各種產品。 何謂設計何謂設計，具體而言設計是一種造型計劃，造型行為或造型活動，是指人們在生產中有意識的運用工具和手段，將材料加工成可視的或可觸及的具有一定形狀的實體，使之成為實用價值或具有商品性的物質。由此可見，設計和材料是密不可分的。設計師應熟練掌握材料、加工技術和形體之間的配合，并合理有效的使用各種不同的材料，從經濟、使用、美觀的需要出發(fā)，設計出新

2、產品，使材料被加工成人們真正用作物品的物質，給人們以物質和精神上的享受。 總之，材料早已成為人們賴以生存的不可缺少的重要組成部分，人類社會的發(fā)展，科學和物質文化的進步也總與性材料的出現(xiàn)、使用和變動緊緊地聯(lián)系在一起，并反映人類認識自然、改造自然及創(chuàng)造自然的能力。1-2 材料的分類一、按材料的發(fā)展分類按材料的發(fā)展分類 第一代的天然材料：石頭、木材等。 第二代的加工材料：用礦物質通過冶煉、燒制，制成金屬和陶瓷。 第三代的合成材料：用化學方法將石油、天然氣制成高分子材料。 第四代的復合材料：擁有機、無機乃至金屬材料復合而成的材料。 第五代的職能材料或應變材料：具有應變能力和潛在功能的復合材料。二、按材

3、料的物理狀態(tài)、化學性質、用途分類按材料的物理狀態(tài)、化學性質、用途分類 物理狀態(tài)：氣體、液體、固體。 按材料的化學結構分：技術、有機物、無機物。 按用途分：按行業(yè)分。三、按材料的來源按材料的來源：天然、加工、合成。（P6）1-3 材料的一般性質1、 密度密度是指在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量， p=m/V2、 熔點3、 比熱容：將1克質量的材料溫度升高1度所需要的熱量即為（焦耳每千克開） 。4、 熱導率5、 熱脹系數(shù)6、 強度7、 彈性與塑性8、 脆性與韌性9、 硬度1-4 造型材料應具有的性質感覺物性感覺物性：感覺和視覺對材料作出的綜合印象。環(huán)境耐候性：材料的環(huán)境適應性及抵抗性環(huán)境耐候性：材料

4、的環(huán)境適應性及抵抗性加工成型性：材料的易加工及成型性加工成型性：材料的易加工及成型性表面加工性：材料的可加工及易表象性表面加工性：材料的可加工及易表象性 1-5 材料科學技術的發(fā)展材料科學技術的發(fā)展 第二章 金屬材料 2-1 金屬材料的基本知識一一. 金屬材料的主要性能金屬材料的主要性能 1、機械性能力學性能 (1)靜載荷下金屬材料的力學性能：彈性、剛度、塑性、強度、硬度。（2）動荷載下金屬材料的力學性能（3）交變載荷下金屬材料的機械性能 材料或構件在無數(shù)次重復交變荷載下而不引起斷裂的最大應力成為疲勞極限或疲勞強度。鋼材106-107 次，有色金屬107108。實驗證明金屬材料的疲勞強度與抗拉

5、強度存在以下近似關系。 2. 金屬材料的物理化學性質物理性能：指金屬材料對各種物理現(xiàn)象所引起的反應。主要包括：比重、導熱性、導電性、熱膨脹等；化學性能：是指在常溫或高溫時抗腐蝕抗氧化的能力。3. 工藝性能：是指材料適應各種加工和工藝處理要求的能力，即易加工能力。二.金屬及合金的結構與結晶1.金屬的結構與結晶金屬的結構與結晶（1）金屬的晶體結構：體心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格。 體心立方晶格 材質硬、延展性差如鉻鉬鎢釩等 面心立方晶格 質軟、延展塑性好如鋁銅鎳鉛等 密排立方晶格 與面心結構具有相同的性質 （2）金屬的結晶過程u 結晶的概念結晶的概念 ：金屬及合金有液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)并形成晶

6、體結構的過程。 理論溫度Tm-實際溫度Tn 過冷度問題：為什么結晶過程溫度 不變？過冷度與冷卻速度 之間的關系？u 結晶的過程結晶的過程 是由晶核的形成和成長這樣兩個并行的環(huán)節(jié)組成的。 由于晶核形成的次序不已，生長條件及長大的程度也各不相同，因而最后形成的結晶組織為外形不規(guī)則、大小不等、排列不整的小顆粒。并形成晶粒交界面，使金屬極易受到介質的腐蝕。晶粒的粗細對金屬的性能有很大的影響。 注意：注意：金屬晶粒與性能之間的關系（3）金屬的同素異構轉變 以純鐵為例2.合金的結構（1）合金的基本概念 以一種金屬元素為基礎，加入另外一種或幾種金屬或非金屬元素而形成具有金屬特性的材料成為合金。（2）合金的結

7、構u 固溶體：具有與溶劑相同的晶格形式。u 金屬化合物：具有特殊晶格和明顯金屬特征u 機械混合物 ：既不相溶又不形成化合物3.鐵碳合金的結構和狀態(tài)圖（1）鐵碳合金的基本組織u鐵素體：碳在-Fe中形成的固溶體，用F表示。具有體心立方晶格，與純鐵性質接近。u奧氏體：碳在-Fe中的固溶體，用A表示。有一定的強度、硬度，塑性好，適宜壓力加工。u滲碳體：鐵與6.67%的碳形成的金屬化合物Fe3C,其特點是硬而脆。在一定條件下可分解為鐵素體和石墨：Fe3C-Fe+C,即所謂的石墨化。u珠光體：F+Fe3C=P（二者機械混合物即珠光體）二者各自保持自己的晶格形式，因而具有較高的強度、硬度和一定的塑性與韌性。

8、（2）鐵碳合金狀態(tài)圖（合金相圖）相線所表示的意義 ABCD-液相線 AHJECF-固相線 ECF-共晶線，C2.066.67%的合金冷卻到1147度時發(fā)生共晶反應，結晶出萊氏體（奧氏體與滲碳體的混合物） GS-從奧氏體中析出鐵素體的相界線。 ES-碳在-Fe中的溶解度曲線，也是從奧氏體中析出二次滲碳體的曲線。 PQ-碳在鐵素體中的溶解度曲線三 鋼的熱處理1.鋼的熱處理原理（1）鋼組織轉變的臨界溫度：是指使鋼發(fā)生奧氏體轉變的溫度。（2）鋼在加熱使得組織轉變：把鐵素體與滲碳體轉變?yōu)閵W氏體。（3）鋼在冷卻時的組織轉變。把奧氏體發(fā)生共析反應分解為珠光體。 2. 鋼的普通熱處理 鋼的熱處理方式及過程圖（

9、1）退火 完全退火：Ac3+20-60度 球化退火： 共析鋼Ac1+2040度 去應力退火：A1以下（2）正火 也稱?；?。Ac3+50100度（3）淬火 Ac1或Ac3+3050度（4）回火 淬火加熱到A1以下在冷卻。低回150-250，中回350-500，高回500-650；淬火+高回=調質調質3. 鋼的表面熱處理（1） 表面淬火 感應加熱+火焰加熱（2） 表面化學熱處理 滲碳、滲氮、碳氮共 滲。2-2 鋼鐵材料一、鋼鐵材料的生產（煉鐵、煉鋼、軋鋼）1. 生鐵的冶煉 生鐵即含炭量大于2.11%的鐵碳化合物 通過還原反應把氧化鐵變?yōu)楹苛繛?.5%的生鐵。2.煉鋼 主要的反應是碳的氧化反應 F

10、e+O -FeO+Si/Mn/P/C-SiO2/MnO/P2O5/CO+Fe3.軋鋼 （1）方法：熱軋、冷軋 （2）鋼材的品種和用途 型材、板材、管材、鋼絲二. 碳鋼1.碳鋼的成分對其性能的影響（1）碳（2）硅、錳（3）硫、磷；（4）氮、氫、氧2.碳鋼的分類、編號和用途（1）分類a 按含碳量分： 低碳鋼、0.08-0.25；中碳鋼0.30.6；高碳鋼0.61.4；b 按質量分：普通碳素鋼（硫、磷含量小于0.05%）、優(yōu)質碳素鋼（0.04%）、高級碳素鋼（0.03-0.035%）；c 按用途分：碳素結構鋼、碳素工具鋼。（2）普通碳素結構鋼 根據(jù)鋼材出廠對其性能保證條件的不同，國家標準將其分為甲、

11、乙、特三類，分別用A、B、C表示。 A類：含碳量無特殊要求的鋼，不進行熱處理，只標明機械性能，鋼號為A1-A7。 B類：對含碳量有特殊要求，要進行熱處理，只規(guī)定化學成分，鋼號為B1-B7。 C類：既要保證機械性能又要保證化學成分，鋼號為C1-C5。（3）優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼 雜質少 可熱處理 重要零件（4）碳素工具鋼碳素工具鋼 含炭量0.651.35%，用T表示。 四. 鑄鐵1.鑄鐵的成分和組織特點 含炭量2.5-4%2.常用鑄鐵的種類、編號和用途（1）灰口鑄鐵 片狀石墨用HT*-*抗拉抗彎10%（2）球墨鑄鐵 用QT*-*抗拉強度10%及延伸率（3）可鍛鑄鐵 用KT 石墨以團絮狀存在

12、（4）蠕墨鑄鐵 其性質與球墨鑄鐵相近2-3 鋁及鋁合金鋁及鋁合金一. 鋁的生產1.從鋁礦石中提取氧化鋁；方法：電熱法、酸法、堿法，其中最常用的方法是用氫氧化鈉或碳酸鈉把氧化鋁從礦石中分離出來即堿法。2.氧化鋁電解得到純鋁。二. 純鋁 1.鋁的性質 比重小、導電熱性好、塑性好、以成型、耐腐蝕。2.分類：高純鋁L01-04升，工業(yè)鋁L15降。三.鋁合金（鋁銅、鋁硅最常用）1. 鋁合金的組織結構及特點 鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金2. 鑄造鋁合金ZL* 主要用來制造形狀復雜、承載不大、 重量較輕且有一定耐蝕、 耐高溫要 求的 鑄件。 包括：鋁硅、鋁銅、鋁鎂、 鋁鋅合金3. 變形鋁合金 包括：防

13、銹LF、硬鋁LY、 超硬鋁LC、鍛鋁LD四. 鋁材：板材、管材、棒材、型材、線材2-4 其他金屬材料其他金屬材料一、銅及銅合金一、銅及銅合金1.純銅 用T1-4表示 數(shù)字越大，純度越低。2.銅合金（1）黃銅 以鋅為主要合金元素的銅合金，用H表示 HSn621為含銅62%，含錫1%的錫黃銅。（2）青銅 銅錫合金，把鋁、硅、鈹、錳、鉛等銅 基合金統(tǒng)稱為青銅，用Q表示。（3）白銅 以鎳為主要合金元素的銅合金。第三章 非金屬材料 3-1 塑料 一、概述 （一）塑料與合成樹脂 塑料塑料是指具有可塑性的高分子材料。其主要特點有：質輕（耐震動和沖擊、比強度高）、透明性、絕緣性、耐蝕性、耐藥品性、隔熱性，加工

14、成型方便，具有裝飾性，和近代質感。其缺點：不耐高溫、低溫脆性增大，易變形，塑料有老化現(xiàn)象。 合成樹脂合成樹脂是指人工合成的高分子化合物，通過加入添加劑，經過加工變成塑性材料，或固化變成剛性材料，因此合成樹脂是塑料的基本原料。（二） 塑料的一般性質 優(yōu)點： 多數(shù)塑料有透明性、有光澤、能著鮮艷色彩 質輕、耐振動與沖擊、比強度高 電絕緣性、熱物理性好 耐化學藥品性 塑料成型加工方便、能大批量生產 缺點： 不耐高溫、低溫發(fā)脆；燃燒有毒。 塑料制品易變形 易老化（三）（三） 塑料可分為：熱塑性塑料、熱固性塑料塑料可分為：熱塑性塑料、熱固性塑料（四）塑料的組成1、合成樹脂 人工合成的高分子化合物2、填料

15、配方中相對呈惰性粉狀或纖維材料3、增塑劑 增加流動性、柔軟性、易于加工成型4、穩(wěn)定劑 防止塑料變質、分解、延長壽命5、潤滑劑 防止脫模困難6、著色劑 使塑料具有一定色彩，要穩(wěn)定不揮發(fā)7、固化劑 防止塑料受熱變軟8、其它添加劑 （五） 塑料的鑒別方法：光譜法、燃燒法3-2 陶瓷1概述 凡是經高溫熱處理工藝合成的無機非金屬固體 材料，統(tǒng)稱為陶瓷制品。二. 我國陶瓷發(fā)展的歷史三. 陶瓷的分類 普通陶瓷：利用天然硅酸鹽礦物原料制成的陶瓷 特種陶瓷：利用純度高的人工合成原料用傳統(tǒng)的陶 瓷工藝方法制造的新型陶瓷。4陶瓷的性質 1、光學性質 （1）白度 陶瓷對白光的反射能力 （2）透光度 允許可見光透過的程

16、度 （3）光澤度 陶瓷表面對可見光的反射能力，取決于 陶瓷表面的光潔程度。 .2、力學性質 抵抗外界機械應力主用的能力，其材質硬而脆 因而抗壓能力強而康拉能力差。3、熱穩(wěn)定性 陶瓷材料稱受外界溫度的急劇變化而不破損 的能力。是陶瓷制品的一個重要的質量指標。4、化學性質 陶瓷耐酸堿的侵蝕及大氣腐蝕的能力。5、氣孔率于吸水率 氣孔率是指陶瓷制品的氣孔體積與總體機之比 吸水率 反映陶瓷的致密程度 3-3 玻璃一、概述 玻璃是指熔融物冷卻凝固所得到的非晶態(tài)無機材料。 工業(yè)打糧食的玻璃是一石英為主要材料的硅酸鹽玻璃。 其主要特點：堅硬、透明、氣密、不透，脆性大。二、玻璃的主要性質 1、機械強度：抗壓、抗

17、折、抗脹、抗沖擊。 2、硬度：抵抗其他物體呀入其表面的能力，硬度大。 3、光學性質：透過光線的能力 4、電學性質：不兩道題，可做絕緣材料。 5、熱性質： 導熱性差，無法經受溫度的急劇變化。 6、化學穩(wěn)定性：玻璃的化學性質穩(wěn)定。三. 玻璃的種類3-4 木材 一、概述 木材是在一定自然條件下生長起來的它具有較復雜的綜合性能。1、質輕2、易加工和涂飾3、對空氣中的濕氣有調節(jié)作用4、熱、電傳導率低，電阻大5、具有天然的色彩和美麗的花紋6、具有可塑性 7、易變形、易燃8、各向異性二、木材的分類、構造1、木材的分類 按樹木成長的狀況：外長樹、內長樹 安材質分：軟木材、硬木材 按輸液的外觀形狀：針葉樹、闊葉

18、樹2、木材的宏觀構造：根、桿、枝、葉3、木材的切面:三、木材的缺陷1、節(jié)子2、變色、腐朽、蟲害、裂紋、彎曲四、木材的干燥及選用木材的烘干方法 ：自然干燥、人工干燥木材的選用（一）技術條件1、一定的強度、剛度、韌性、硬度，重量適中2、美麗的紋理、材質悅目3、變形小4、易加工5、膠合、著色劑涂飾性好6、耐候及耐蟲。（二）質量管理 1、體積計算 ； 2、含水率； 3、力學性質 。 五、常用的木材（一）原木：板材、方木、薄木（二）人造木：1、膠合板：用3層或其數(shù)層的單半徑熱壓膠合而成。2、刨花板：利用木材廢料加工成刨花，加膠熱壓而成3、纖維板：木工廢料或植物纖維經破碎、浸泡、制漿 成型、干燥和熱壓制造

19、而成的板材。4、細木工板：一中拼合結構的板材。5、空心板：6、塑料貼面板： 7、合成木材：3-5 涂料一、概述u 何謂涂料：涂于產品或物體表面形成具有一定附著力和機械強度的有機工程材料。 u 涂料的功能：1、保護功能：不受腐蝕、不易老化。2、裝飾功能：色彩涂裝、增加光亮程度、調整表面的材質感和材質機理、實現(xiàn)復色涂飾。3、特殊功能：絕緣性、耐熱性、防污性、放偽性、導電性、示溫性、發(fā)光性 u涂料的組成及應用油料：植物油或動物油的總稱，最常用的為干性植物油作為涂料中的粘接劑。樹脂：有機高分子化合物，有天然、人造、合成，其中合成樹脂最為常用。顏料：著色顏料、防銹顏料。稀料：具有揮發(fā)性的有機液體。助料：

20、催干劑、固化劑、增塑劑、防潮濟、乳化劑等。u涂料的選用與施工l選用原則1、漆膜顏色、性能和機械強度應滿足設計要求，在應用中有耐久性、穩(wěn)定性。2、漆膜對被涂表面應具有良好的附著力。3、良好的施工性能、干燥性要好。4、經濟性。5、環(huán)保性，安全性。l施工1、表面處理；2、調色；3、調整粘度；4、涂漆方式；5、干燥；6、涂底漆；7、刮膩子3-6 膠粘劑一、膠粘劑的特點與分類l特點1、可以粘接不同性質的材料；2、膠結速度快；3、交接的表 面光滑。l分類l膠粘劑的組成1、基料：膠粘劑的主要成分，高分子聚合物組成，常用基料有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等2、固化劑：它能使線型結構的樹脂變成網(wǎng)狀或立體結構，從而使膠粘劑

21、固化。3、增塑劑和增韌劑：改善膠粘劑的塑性和韌性。4、稀釋劑：降低膠粘劑的黏度，便于施工。5、填料：填料能夠增加膠粘劑的機械強度，改善耐老化性能，降低成本。l 常用膠粘劑：環(huán)氧、酚醛樹脂第四章第四章 金屬材料的成型工藝金屬材料的成型工藝4-1鑄造工藝一、鑄造的基本概念 把熔化的金屬溶液澆注到具有與零件形狀相適應的鑄型空間中，冷卻后得到毛坯或零件的工藝過程叫鑄造。根據(jù)鑄型空間的不同可分為：砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼模鑄造、磁型鑄造；根據(jù)鑄造工藝的不同可分為：壓力鑄造、離心鑄造、實心鑄造。二、鑄造的常用金屬1.鑄鐵：廣泛應用的一種以鐵、碳、硅為主的鐵基合金含炭量2.11%-4%。2.鑄鋼：

22、常用的鑄鋼有：ZG45、ZG35等。3.鑄鋁：4.鑄銅：三、鑄造工藝過程1、熔模鑄造工藝 熔模鑄造又稱精密鑄造或失臘鑄造。其實質是：用易熔材料制成模型，在模型表面涂掛耐火材料后硬化、反復多次，并將模型熔出，焙燒硬殼即可得到無分型面的鑄型。（1）壓型 制造蠟模的特殊鑄型。壓型設計應結構合理使用方便。對精度要求高，批量大的鑄件，可用碳鋼、鋁合金加工制成，必要時可鍍鉻拋光；批量一般精度要求不高的鑄件或形狀復雜，可用易熔合金鑄造壓型；對于單件、小批量或加工困難的壓型可采用石膏或塑料。（2）蠟模和蠟模組 常用材料時有50%石蠟和50%硬脂酸配成。將多個蠟模熔焊在同一個蠟制的澆鑄系統(tǒng)上，組成蠟模組。（3）

23、涂料和型殼硬化 涂料是耐火材料和粘接劑配制成的懸浮液，分為面層涂料和加固層涂料，其中面層涂料要求有較高的耐火性和化學穩(wěn)定性。（4）熔模鑄件的結構工藝性 在熔模制造的基礎上目前有發(fā)展了實型鑄造實型鑄造，即用可揮發(fā)性聚苯乙烯加工成型，然后直接澆鑄，而不需要取模。2、壓力鑄造工藝 壓力鑄造簡稱壓鑄。壓鑄是在高壓（5-150MPa）作用下,將液態(tài)合金壓入高精度的型腔內，并在壓力下迅速凝固而獲得鑄造的方法。（1）壓型和壓鑄機 壓型：是指壓鑄零件所使用的鑄型。他是采用優(yōu)質合金鋼為主體材料而制成的。一般由兩個部分組成的即固定在壓鑄機定模座上的固定部分成為定模；固定在壓鑄機動模座上的可動部分成為動型。 壓鑄機

24、 ：壓鑄使用的設備成為壓鑄機。按壓室的特征可分為熱壓室（氣壓）、冷壓室（液壓）壓鑄機。壓鑄機4-2 壓力加工技術 一、壓力加工技術在工業(yè)生產中的作用 影響沖壓質量的因素很多，但主要有：沖壓材料、沖壓模具及沖壓設備。 二、沖壓材料 目前我國工業(yè)產品中的外觀零件或人機部件所使用的材料主要是金屬板材或塑料制品。沖壓質量是以：沖壓特性、化學成分、金相組織、厚度公差及表面質量來衡量。 1、沖壓性質、化學成分、金相組織的影響 冷沖壓是以金屬的塑性變形為基礎的加工方法。 沖壓性能：延伸率大于40%；硬度小于45HRB；s/b不大于0.65；頂壓深度符合規(guī)定；2、鋼板公差精度及表面狀況的影響 （1）材料的厚度

25、直接影響著沖壓回彈和成型圓角的小； （2）材料厚度的不穩(wěn)定，對拉延工序回導致不良效果； （3）材料厚度的不穩(wěn)定性的影響； （4）材料厚度的不穩(wěn)定對制件平度的影響是顯著的。3、選擇材料的原則 （1）根據(jù)產品設計和沖壓工藝 （2）產品的批量、效率 （3）經濟性 （4）零件的尺寸4、常用沖壓板材的規(guī)格、分類、尺寸、性質及用途 工業(yè)產品大量使用的黑色金屬板材時4mm以下的薄板材（鋼板、鋼帶）鋼板又分為熱軋鋼板和冷軋鋼板。三、沖壓工程與設備 1、冷沖壓工藝的概念 常溫下對板材施加外力使其變形并保證有一定外觀和強度性能的零件的加工方法。 2、冷沖壓工序的分類：分離工序、變形工序、符 合工序。 3、冷沖壓設

26、備及其選擇方法（1）剪切下料設備 a 手動剪切設備和工具：手剪刀、臺剪； b 中型剪切設備：振動剪床、斜口剪床、板金銑 床； c 大型剪切設備（2）彎曲成型設備：板料折彎壓力機、卷板機、拉（3）壓制設備 冷沖壓設備的定義：常溫下是模具產生相對運動對其內的材料施加壓力而進行變形和分離的加工設備；壓力機的分類及型號；壓力及分類的方法與含義。四、沖壓設備的選擇1、選擇設備的基本原則：零件的生產類型；零件的幾何尺寸及結構形式；零件的材料性能及精度要求。2、工件沖壓加工壓力計算（1）沖裁力和功的計算（2）壓彎力的計算 （3）拉延力和壓料力的計算3、根據(jù)計算壓力及壓力機壓力 -選擇壓力機 圖例五、模具 模具是指安裝在特定設備上，并通過設備加溫加壓是材料得以成型的工具。模具俗稱模子其形狀為零件形狀的反型。1、冷沖模具的定義：裝在壓力機上施