產品造型材料與工藝：壓力加工及連接技術2015

產品造型材料與工藝第四講第二章金屬材料及其加工技術第一節(jié)常用金屬材料及其特性第二節(jié)金屬材料成型與工藝性第三節(jié)金屬表面處理與裝飾技術2.2.1鑄造加工及其工藝性2.2.2壓力加工及其工藝性2.2.3連接技術及其工藝性2.2.4切削加工（機械加工）及其工藝性2.2.5特種加工及其工藝性2.2.6新成型工藝精密模鍛、超塑性成型、高能率成型、金屬半固態(tài)成型、快速成型第二節(jié)金屬材料成型與工藝性2.2.2壓力加工及其工藝性壓力加工

利用外力使坯料產生塑性變形,獲得所需尺寸,形狀和性能的產品（毛坯或零件）成型方法。作用在金屬坯料上的外力主要有兩種：沖擊力和壓力錘類設備產生沖擊力使金屬變形扎機與壓力機對金屬坯料施加靜壓力使之變形壓力加工的特點重要的塑性成型方法，要求金屬具有良好的塑性優(yōu)點：金屬塑性變形后，能壓合鑄坯的內部缺陷，提高金屬機械性能，保證強度和韌性，節(jié)省金屬材料和加工工時缺點：只適用于塑性金屬材料，不能加工脆性材料如鑄鐵、青銅，不能加工形狀太復雜的零件比如具有復雜外形和內腔的零件2005年首個囊括美國IDEA設計獎、德國IF設計獎以及德國紅點概念設計獎三大國際設計獎項的中國企業(yè)聯(lián)想創(chuàng)新設計中心CloudofPromise用橡膠漆噴涂包裹整個“祥云”，更好的柔軟度和溫和感，宛如在與同伴握手。橡膠漆曾用于藝術品和手工業(yè)制造，用于奧林匹克火炬還是有史以來第一次。外殼采用鋁合金，長72Omm、重量985克。經過人機工程學考慮的握柄，東方文化的特征——細致的人文關懷高品質鋁合金自由曲面整體延展成型,沖壓工藝模具設計制造應用逆向工程技術，實現(xiàn)輕薄鋁合金自由曲面塑性整體成形；立體蝕紋雕刻，雙色氧化著色，金屬表面高觸感橡膠漆噴涂保持色彩的純度、亮度及云紋線條精確度的基礎上，做到紅色和銀色并置卻不相互滲透打磨整個火炬覆上銀色用特別的膠水輕薄地覆蓋后，刻有云紋圖案的膠片利用光在涂底的火炬上刻蝕精美的云紋：光透過膠片的透明部分使膠水凝固在銀色涂層的表面，而膠片上刻有云紋的部分阻擋了光的進入，從而使云紋下的膠水避免凝結移去膠片并用水洗去膠水未凝結的部分，也就是呈云紋狀的部分利用復雜的化學技術將云紋部分的銀色涂層腐蝕掉并細化表面，然后再氧化著色，覆上中國傳統(tǒng)的漆紅色對傳統(tǒng)紋樣有較深研究的張建華，和常成、章駿一起組成云紋設計子團隊，負責推敲完善云紋設計圖樣。是采用古典風格，還是現(xiàn)代風格呢？云朵應該是怎樣的大??？云紋之間應該如何呼應？……每一個細節(jié)的問題，幾個人都反復推敲琢磨。從云頭紋、螺旋紋到蝌蚪紋，他們嘗試了很多不同的云紋設計圖案。調制了三輪共計十八塊色板，周蘭終于調出了十足中國味的漆紅效果。周蘭還建議把火炬手握部分噴上漆紅色的橡膠漆，這樣不僅增加了火炬手使用時的觸感，還使最終的祥云火炬上下都洋溢著東方文化細膩宜人的感受。調整到黃金分割比，火炬看起來似乎是更優(yōu)雅了一些；但是上下平分的比例更符合強調陰陽平衡、中正大氣的中國式審美。壓力加工的種類壓力加工的基本生產方式有軋制、擠壓、拉撥、鍛造(自由鍛和模鍛)和板料沖壓軋制、擠壓、拉撥用于金屬型材、板材、管材和線材制造板料沖壓和鍛造用于毛胚和零件鍛造加工先將材料預熱，使其塑性增強，然后用汽錘、壓力使金屬材料成型的加工方法。最原始如鐵匠的小火爐、手錘等。鍛造對材料的性能要求可鍛性。即承受住重錘的鍛打、沖擊而不易碎裂，具有良好的韌性。定型性好，彈性要適度。彈性過大，材料在外力撤出之后恢復原型，難以成型。預熱升溫，可強化定型性能鍛造使金屬產生的加工硬化是強化金屬的重要手段之一,對于純金屬和奧氏體不銹鋼等不能采用熱處理強化的合金尤為重要鍛造加工可鍛造的固體坯料可以是鐵碳合金、鋁合金、銅合金等。鍛造時金屬需加熱到的溫度鐵碳合金（鋼）約為1150℃——1250℃鋁合金約為430℃——500℃銅合金約為800℃——900℃自由鍛將近坯料放在上下地鐵之間，以沖擊力或壓力使其變形的加工方法模鍛金屬坯料在具有一定形狀的鍛模模膛內受沖擊力或壓力的加工方法

自由鍛模鍛鍛造產品的適用材料從化學成分看：一般純金屬鍛造性好。碳鋼鍛造性隨其含碳量的增高而降低。合金鋼鍛造性低于相同含碳量的碳鋼。合金鋼中合金元素含量愈高,雜質愈多,鍛造性愈差。合金中含有可形成碳化物的元素（如鉻、鎢、錫、釩、鐵等）,其鍛造性顯著下降。從合金的組織結構看：純金屬和固溶體（奧氏體）鍛造性能一般較好。鑄態(tài)組織和粗晶組織塑性較差，鍛造性能不如鍛軋組織和細晶組織。產品設計中如何運用鍛造工藝？藝術造型上較少應用，一般從功能出發(fā)構成產品外形，如汽車發(fā)動機連桿、日用品小鎖頭自由鍛不能加工形狀復雜的鍛件；外形復雜的零件需要用模鍛獲得；加工后零件表面光滑、內部組織致密均勻，機械強度高；可直接形成產品外形，尺寸比鑄造精確，一般只需少量切削加工手錘鍛造法蘭盤優(yōu)點--鍛造鋁輪轂具有強度高、抗蝕性好、尺寸精確、加工量小等優(yōu)點，一般情況其重量僅相當于同尺寸鋼輪的1/2或更低一些。鍛造鋁輪轂的晶粒流向與受力的方向一致，其強度、韌性與疲勞強度均顯著優(yōu)于鑄造鋁輪轂。同時，性能具有很好地再現(xiàn)性，幾乎每個輪轂具有同樣的力學性能，具有很好的表面處理能力，缺點--生產工序多，生產成本比鑄造的高得多，沖壓加工加工工藝：采用沖壓加工材料：不銹鋼壓產品尺寸精確，表面光潔度好，一般沖壓后不再或很少進行機械加工.選用材料的理由：1.不銹鋼具有良好的加工性能，有良好的表面效果2.不銹鋼的干凈時尚已經成為廚房的流行3.不銹鋼有良好的穩(wěn)定性，抗腐蝕性強，耐高溫，強度大。價格相對低廉。焊接——點焊通過壓力加工形成的金屬裝飾花邊壓力加工形成的洗衣機內桶沖壓加工利用沖模使板材產生分離或變形的加工方法。通常在常溫下進行，又叫冷沖壓。是外形零件的主要加工手段之一，對大批量生產很有意義，由于產品需要頻繁的變換造型，在這種競爭的形勢下，采用冷沖壓工藝具有特殊的意義坯料厚度一般小于4mm.板料沖壓特點：（1）可沖壓出形狀復雜的零件，廢料較少。（2）具有足夠高的精度和較低的表面粗糙度，互換性能好。（3）能獲得質量輕，材料消耗少，強度和剛度較高的零件。（4）沖壓操作簡單，工藝過程便于機械化和自動化，成品率很高，故零件成本低。板料沖壓沖壓成品需進行很多工序，基本工序有分離工序和變形工序兩大類：分離工序使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序，如落料、沖孔、切斷、修整等。變形工序使坯料的一部分相對于另一部分產生位移而不破裂的工序。如拉深、彎曲、翻轉、成型等。沖壓材料的合理選擇（1）適用的板材厚度一般不超過6mm厚。一般用塑性較高的低碳鋼、銅、鋁、及其合金，此外非金屬材料也常用于沖壓加工，如膠木、云母、石棉板、皮革等等。（2)保證工藝的前提下，盡量以廉價材料代替貴重材料，以薄料代替厚料，以黑色金屬代替有色金屬，這樣，可使占制品成本60％－80％的材料費用大大降低。（3）設計零件的外廓尺寸盡量考慮板材的尺寸規(guī)格標準，使毛坯排樣時廢料浪費最少。材料尺寸應盡量為毛坯尺寸的整數(shù)倍為好。沖壓設備1.剪切下料設備準備工序使用的設備，手工制作模型時使用更多。手工剪刀設備和工具小剪刀中小型剪刀設備：振動剪刀、斜口剪刀、鈑金銑床；大型剪切設備2、彎曲成型設備板料折彎壓力機、卷板機、拉型機3、壓制設備現(xiàn)代數(shù)控沖壓機床、折彎機沖壓產品的設計特點1形狀簡單、對稱，盡可能采用圓形或矩形，受力均勻

產品表面均由上下模具切、拉、擠而成，故形狀設計應符合模具的一端（型腔）或兩端（通模）的開放式特點。2為保證模具強度和壽命，盡量避免長槽或長懸臂的結構設計形成產品表面的沖壓深度不能過長，過長時分幾次壓成，產品的拉、擠成型表面不應設計過長。（如：氧氣瓶）在型腔內可設計符合型腔特點的形貌（孔窩、凸臺等）以及通孔等。如：汽車車身SIGG水瓶是由選用純度為99.5%的純鋁制造的。由于鋁質量輕的特點，SIGG水瓶的重量從110克到200克之間。瓶身整體無縫，完全環(huán)保、整體100%回收。SIGG水瓶的金屬材料對于鋁這種有延展性的金屬，設計師采用了沖壓這個冷加工工藝。利用高科技的加工工藝，在600噸的壓力下將整塊鋁整體一次沖壓成型，并經過26道工序完成，整體無縫。SIGG水瓶的金屬材料的成型與工藝性

沖壓成形模擬分析軟件

SheetForm(1.0)沖壓產品的設計特點3既充分利用沖壓件有薄、勻、輕、強的特點，又要滿足沖壓產品需要較強剛度的要求靈活設計加強筋、肋、起伏或翻邊（如：盆、鍋等）等以提高剛性，這些在制造時可一次成型，其他方法難以做到。4對拉伸件，盡量設計成回轉體，尤其是柱形最好一般不設計成空間曲面如汽車覆蓋件；工件結構特別復雜需多次沖才能壓完成時，可以分解沖壓后焊接，降低模具費用和加工周期5注意最小拐角、折彎等與板厚有關的設計（查手冊\準則）。如：小支撐板等以殼體類零件居多,沖壓產品尺寸精確，表面光潔度好，一般沖壓后不再或很少進行機械加工.沖壓成型產品舉例既能制造尺寸很小的儀表零件，又能夠制造像壓力容器一類的大型零件。尺寸和形狀精度可滿足一般要求，也可制造精度在微米級、形狀復雜的零件在汽車（車身、底盤、油箱、散熱器片等）、機械、家用電器、日用品（水壺、鋁鍋、廚具等）、電機、儀表（支架、擋板、殼體等）、航空航天、兵器制造中具有十分重要的地位。在罐裝食品、飲品的封裝等方面應用廣泛。藝術造型上，常做標牌、鎖具、燈具、筆、服裝上的裝飾品等。沖壓殼體沖壓（拉伸）件軋制、板料沖壓幾何形態(tài)的餐具選材:不銹鋼工藝：壓力加工造型結構：金屬本身的剛毅特質與餐具本身的精細很好的結合,簡潔流暢,力度感強流線型餐具選材:不銹鋼工藝：壓力加工造型結構：流線型形象的造型設計大大增加了餐具的親和力沖壓工藝適用于可塑性強的金屬薄板的加工，具有質量輕、強度高、剛性好的特點。沖壓件的尺寸精確、表面光潔、質量穩(wěn)定、互換性好，一般不需要再進行機械加工。沖壓生產操作簡單、生產效率高，易于實現(xiàn)機械化和自動化。此沖壓成型的書架造型簡潔、獨特，有強烈的現(xiàn)代感書架回轉型容器選材：鋁合金工藝：壓力加工連接工藝：折彎、配合、焊接造型結構：回轉型容器，造型整體性強。斯德哥爾摩水果盤的固體材質一般均選擇不銹鋼因為不銹鋼可鍛性定型性好，彈性適度并且加重產品分量，增強穩(wěn)定性冷沖壓。冷沖壓適用的板材厚度一般不超過6mm厚實際生產現(xiàn)場寶馬汽車沖壓生產過程2.2.1鑄造加工及其工藝性2.2.2壓力加工及其工藝性2.2.3連接技術及其工藝性2.2.4切削加工（機械加工）及其工藝性2.2.5特種加工及其工藝性2.2.6新成型工藝第二節(jié)金屬材料成型與工藝性2.2.3連接技術及其工藝性連接分為機械連接、冶金學的連接、化學的連接三種。機械連接：用螺紋連接、配合連接或者用鉚釘、鉚接、鉸鏈、卷邊等方法把連接件固定起來。冶金學的連接：熔化金屬進行接合，即焊接。化學的接合：是最近急速發(fā)展起來的，是用粘合劑粘接。2.2.3連接技術及其工藝性（一）機械連接：

機械連接分為可拆卸連接和永久性連接兩種可拆卸連接螺栓與螺母連接，雙頭螺柱連接，螺釘連接，銷連接等。永久性連接鉚釘連接，壓擴、卷邊，咬縫等接合方法

鉚接通過鉚釘和加壓，使兩部分分離的金屬形體形成不可拆連接的連接方法。鉚釘必須是塑、韌性好，強度高的材料，如鋁及其合金（最常用）、銅等。使用時應計算鉚釘所承受的剪切力，使其不超過許用值。鉚接的特點：接頭處可見明顯的鉚釘頭突起，不適合需要連接后表面平滑的外形。接頭處是緊密壓合，密氣和密水性能不好，不適合密閉容器的連接。日用品:鋁鍋把和鍋體的連接；工業(yè):橋梁行架發(fā)射塔2.2.3連接技術及其工藝性鉸鏈連接:可拆連接形式：（能使兩個相互連接的物體轉動一定角度的連接零件）連接方式：用鉸鏈和螺釘用于經常開啟的連接，如機床儀表箱的外蓋、箱體的外蓋、鐵門、工藝品的外蓋、家具等。2.2.3連接技術及其工藝性螺紋連接，可拆連接。有過孔螺紋連接,全螺紋孔連接特點：可拆連接、拆裝方便，連接件相對位置固定，連接強度高。螺孔的設置：距離和高度應能使用工具。2.2.3連接技術及其工藝性配合連接形式：一般用在需有相對轉動或運動的兩個零件之間。特點：一般可拆，連接強度大，轉動效果好。應用方面：軸和軸承、固定物體和回轉物體的連接、組合部件的連接等。2.2.3連接技術及其工藝性（二）焊接通過加熱、加壓,或兩者共同作用(用或不用填充材料)使兩部分分離的金屬形體形成原子結合的一種永久性連接方法。一般情況，低碳鋼的焊接性能較好，焊接過程中不出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等，焊后接頭強度與母材相近，高碳鋼，鑄鐵等較差。在燈飾，金屬家具等產品的加工過程中，都會用到。熔焊、壓焊、釬焊2.2.3連接技術及其工藝性焊接方法的分類：熔焊：將工件需要焊接的部位加熱至熔化狀態(tài)，一般須填充金屬并形成共同的熔池，待冷卻凝固后，使分離工件連接成整體。最常用有電弧焊、氣焊、電子束焊、激光焊。特點：是金屬的熔化與結晶，類似于小型鑄造過程，焊接時填充金屬的目的是使焊接接頭符合標準尺寸、外形，滲入有益元素以加強強度，熔焊的能量可以是電能、化學能和機械能。熔化極氬弧焊熔焊電弧焊：電弧是在電極與工件間的氣體介質中長時間而有力的放電現(xiàn)象，即在局部氣體介質中有大量電子流通過的導電現(xiàn)象。手工電弧焊：利用焊條與工件間產生的電弧熱，將工件和焊條熔化而進行焊接的．特點：只適合較大的焊縫，焊接表面有明顯的疤痕，要美化效果需再進行表面處理。焊縫密氣、密水性能好，機械強度，力學性能不低于母材。主要用在毛坯生產和制造各種金屬結構件（如高爐爐殼、鍋爐與受壓容器、汽車車身、礦山機械、缸體等）焊接過程壓焊在壓力（或同時加熱）作用下，被焊的分離金屬結合面處產生塑性變形（有的伴隨有熔化結晶過程）而使金屬連接成整體。常見的如電阻焊（點焊、縫焊、對焊）。特點：金屬待焊部位發(fā)生塑性變形，擠碎或擠掉結合面的氧化物及其他雜質純凈的金屬緊密接觸，形成原子間的引力而牢固結合。加熱的目的：增加原子的動能，以提高塑性和降低頂鍛力壓焊電阻焊原理：四個階段，加壓同時加熱、焊接、維持、停止。特點：焊接面積很小，牢固（兩材料熔合），表面不容易看見,外觀好。設備簡單，經濟，成本低。大部分用于焊接金屬沖壓件。釬焊熔點低于被焊金屬的釬料熔化后，填充到被焊金屬結合面的空隙之中，釬料凝固而將兩部分金屬連接成整體。如錫焊、銅焊、銀焊。特點：被焊金屬不熔化，釬料熔化，依靠熔化的釬料對被焊金屬的潤濕性（浸潤與附著能力）和毛細作用與被焊金屬形成結合，從而將分離的金屬連接。熱源：火、電加熱。例如錫焊，用比被連接金屬熔點低的釬料錫，使其加熱時熔化流入接頭縫中，使焊縫實現(xiàn)原子級的結合。為使焊縫結實，事先用打磨、酸洗、或鈉、鉀、鋰、及硼化物、氟化物、硼酸等處理表面。設備簡單（電烙鐵），工業(yè)生產（焊機）。焊接溫度不高，主要用于電子元器件焊接，銅器焊接。焊接新工藝電子束焊利用聚焦后的電子束流加熱，熔合金屬激光焊接用于窄而深的焊縫，如25mm厚的材料摩擦焊在軸向壓力與扭矩作用下，利用接觸端面間的相對運動及塑性流動所產成的摩擦熱及塑性變形熱，使接觸面及近區(qū)達到粘塑性狀態(tài)并產生適當變形，然后迅速頂鍛完成焊接。用于難焊材料如鋁合金等，焊縫質量高、成本低、環(huán)保焊接件的結構工藝性

1．焊縫位置應便于施焊，有利于保證焊縫質量

焊縫可分為平焊縫、橫焊縫、立焊縫和仰焊縫四種型式a）合理b）不合理手工電弧焊對操作空間的要求應盡量使焊縫能在水平位置進行焊接電阻點焊和縫焊時的焊縫布置a）合理b）不合理2．焊縫布置應有利于減少焊接應力和變形（1）盡量減少焊縫數(shù)量

采用型材、管材、沖壓件、鍛件和鑄鋼件等作為被焊材料。不僅能減小焊接應力和變形，還能減少焊接材料消耗，提高生產率。焊接件的結構工藝性

箱體構件，如采用型材或沖壓件（b）焊接，可較板材（a）減少兩條焊縫。（2）盡可能分散布置焊縫焊縫集中分布容易使接頭過熱，材料的力學性能降低。兩條焊縫的間距一般要求大于三倍或五倍的板厚。

a）不合理b）合理

（3）盡可能對稱分布焊縫

對稱布置可以使各條焊縫的焊接變形相抵銷，可減小結構的焊接變形

2．焊縫布置應有利于減少焊接應力和變形焊接件的結構工藝性

a）不合理b）合理

3．焊縫應盡量避開最大應力和應力集中部位4．焊縫應盡量避開機械加工面a）不合理b）合理

不可避免時，應附加剛性支承，以減小焊縫承受的應力。

一般，焊接工序應在機加工工序之前，以防止焊接損壞機加工表面。因為焊縫的機加工性不好，且焊接殘余應力會影響加工精度。如焊接結構上某一部位加工精度要求較高，又必須在機加工后進行焊接時，應將焊縫布置遠離加工處,避免焊接應力和變形對已加工表面精度的影響a）不合理b）合理

鈦鋁合金太空椅工藝：壓力加工、特種加工連接工藝：特種焊接造型設計:太空感極強——流線型外觀、金屬材質，偏偏配上最鮮麗的色彩，紅色的熱情、黃色的溫暖、綠色的寧靜，看上一眼就忘不掉的經典設計粘合劑粘接(膠接)

粘接金屬材料是近幾年隨著化學工業(yè)的高速發(fā)展起來的一種新方法，常用合成樹脂類粘接劑。粘接劑的粘接力極大，粘接方便易行，在任何位置都可以粘接，所以應用越來越多。粘接的外觀質量更理想，但是在受熱條件下不能使用.2.2.3連接技術及其工藝性膠接的主要特點：能連接材質、形狀、厚度、大小等相同或不同的材料，特別適用于連接異型、異質、薄壁、復雜、微小、硬脆或熱敏制件。接頭應力分布均勻，避免了因焊接熱影響區(qū)相變、焊接殘余應力和變形等對接頭的不良影響?？梢垣@得剛度好、重