材料课件 产品造型材料与工艺.ppt

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1、,工程基础-1 （产品造型材料与工艺） 课件,第一章 概论,1-1 材料与设计,广义的讲材料是指人们的意识之外的所有物质；或者说是一种跨越人类时代的物质。具体而言材料是人们用以作为物品的物质，包括：衣食住行的各种产品。 何谓设计，具体而言设计是一种造型计划，造型行为或造型活动，是指人们在生产中有意识的运用工具和手段，将材料加工成可视的或可触及的具有一定形状的实体，使之成为实用价值或具有商品性的物质。由此可见，设计和材料是密不可分的。设计师应熟练掌握材料、加工技术和形体之间的配合，并合理有效的使用各种不同的材料，从经济、使用、美观的需要出发，设计出新产品，使材料被加工成人们真正用作物品的物质，给

2、人们以物质和精神上的享受。,总之，材料早已成为人们赖以生存的不可缺少的重要组成部分，人类社会的发展，科学和物质文化的进步也总与性材料的出现、使用和变动紧紧地联系在一起，并反映人类认识自然、改造自然及创造自然的能力。,1-2 材料的分类,一、按材料的发展分类 第一代的天然材料：石头、木材等。 第二代的加工材料：用矿物质通过冶炼、烧制，制成金属和陶瓷。 第三代的合成材料：用化学方法将石油、天然气制成高分子材料。 第四代的复合材料：拥有机、无机乃至金属材料复合而成的材料。 第五代的职能材料或应变材料：具有应变能力和潜在功能的复合材料。 二、按材料的物理状态、化学性质、用途分类 物理状态：气体、液体、

3、固体。 按材料的化学结构分：技术、有机物、无机物。 按用途分：按行业分。 三、按材料的来源：天然、加工、合成。（P6）,1-3 材料的一般性质,1、 密度密度是指在绝对密实状态下单位体积的质量， p=m/V 2、 熔点 3、 比热容：将1克质量的材料温度升高1度所需要的热量即为（焦耳每千克开） 。 4、 热导率 5、 热胀系数 6、 强度 7、 弹性与塑性 8、 脆性与韧性 9、 硬度,1-4 造型材料应具有的性质,感觉物性：感觉和视觉对材料作出的综合印象。 环境耐候性：材料的环境适应性及抵抗性 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 1-5 材料科学技术的发展,

4、第二章 金属材料,2-1 金属材料的基本知识 一. 金属材料的主要性能 1、机械性能力学性能 (1)静载荷下金属材料的力学性能：弹性、刚度、塑性、强度、硬度。,（2）动荷载下金属材料的力学性能,（3）交变载荷下金属材料的机械性能 材料或构件在无数次重复交变荷载下而不引起断裂的最大应力成为疲劳极限或疲劳强度。钢材106-107 次，有色金属107108。实验证明金属材料的疲劳强度与抗拉强度存在以下近似关系。,2. 金属材料的物理化学性质 物理性能：指金属材料对各种物理现象所引起的反应。主要包括：比重、导热性、导电性、热膨胀等； 化学性能：是指在常温或高温时抗腐蚀抗氧化的能力。 3. 工艺性能：是

5、指材料适应各种加工和工艺处理要求的能力，即易加工能力。,二.金属及合金的结构与结晶,1.金属的结构与结晶 （1）金属的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格。 体心立方晶格 材质硬、延展性差如铬钼钨钒等 面心立方晶格 质软、延展塑性好如铝铜镍铅等 密排立方晶格 与面心结构具有相同的性质,（2）金属的结晶过程 结晶的概念 ：金属及合金有液态转变为固态并形成晶体结构的过程。 理论温度Tm-实际温度Tn 过冷度 问题：为什么结晶过程温度 不变？ 过冷度与冷却速度 之间的关系？,结晶的过程 是由晶核的形成和成长这样两个并行的环节组成的。 由于晶核形成的次序不已，生长条件及长大的程度也各不相

6、同，因而最后形成的结晶组织为外形不规则、大小不等、排列不整的小颗粒。并形成晶粒交界面，使金属极易受到介质的腐蚀。晶粒的粗细对金属的性能有很大的影响。 注意：金属晶粒与性能之间的关系,（3）金属的同素异构转变 以纯铁为例,2.合金的结构,（1）合金的基本概念 以一种金属元素为基础，加入另外一种或几种金属或非金属元素而形成具有金属特性的材料成为合金。 （2）合金的结构 固溶体：具有与溶剂相同的晶格形式。 金属化合物：具有特殊晶格和明显金属特征 机械混合物 ：既不相溶又不形成化合物,3.铁碳合金的结构和状态图,（1）铁碳合金的基本组织 铁素体：碳在-Fe中形成的固溶体，用F表示。具有体心立方晶格，与

7、纯铁性质接近。 奥氏体：碳在-Fe中的固溶体，用A表示。有一定的强度、硬度，塑性好，适宜压力加工。 渗碳体：铁与6.67%的碳形成的金属化合物Fe3C,其特点是硬而脆。在一定条件下可分解为铁素体和石墨：Fe3C-Fe+C,即所谓的石墨化。 珠光体：F+Fe3C=P（二者机械混合物即珠光体）二者各自保持自己的晶格形式，因而具有较高的强度、硬度和一定的塑性与韧性。,（2）铁碳合金状态图（合金相图）,相线所表示的意义,ABCD-液相线 AHJECF-固相线 ECF-共晶线，C2.066.67%的合金冷却到1147度时发生共晶反应，结晶出莱氏体（奥氏体与渗碳体的混合物） GS-从奥氏体中析出铁素体的相

8、界线。 ES-碳在-Fe中的溶解度曲线，也是从奥氏体中析出二次渗碳体的曲线。 PQ-碳在铁素体中的溶解度曲线,三 钢的热处理,钢的热处理原理 （1）钢组织转变的临界温度：是指使钢发生奥氏体转变的温度。 （2）钢在加热使得组织转变：把铁素体与渗碳体转变为奥氏体。 （3）钢在冷却时的组织转变。把奥氏体发生共析反应分解为珠光体。,2. 钢的普通热处理,钢的热处理方式及过程图,（1）退火 完全退火：Ac3+20-60度 球化退火： 共析钢Ac1+2040度 去应力退火：A1以下 （2）正火 也称常化。Ac3+50100度 （3）淬火 Ac1或Ac3+3050度 （4）回火 淬火加热到A1以下在冷却。低

9、回150-250，中回350-500，高回500-650；淬火+高回=调质,3. 钢的表面热处理,（1） 表面淬火 感应加热+火焰加热 （2） 表面化学热处理 渗碳、渗氮、碳氮共 渗。,2-2 钢铁材料,一、钢铁材料的生产（炼铁、炼钢、轧钢） 1. 生铁的冶炼 生铁即含炭量大于2.11%的铁碳化合物 通过还原反应把氧化铁变为含炭量为3.5%的生铁。 炼钢 主要的反应是碳的氧化反应 Fe+O -FeO+Si/Mn/P/C-SiO2/MnO/P2O5/CO+Fe 轧钢 （1）方法：热轧、冷轧 （2）钢材的品种和用途 型材、板材、管材、钢丝,二. 碳钢,1.碳钢的成分对其性能的影响 （1）碳（2）硅

10、、锰（3）硫、磷；（4）氮、氢、氧 2.碳钢的分类、编号和用途 （1）分类 a 按含碳量分： 低碳钢、0.08-0.25；中碳钢0.30.6；高碳钢0.61.4； b 按质量分：普通碳素钢（硫、磷含量小于0.05%）、优质碳素钢（0.04%）、高级碳素钢（0.03-0.035%）； c 按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢。,（2）普通碳素结构钢 根据钢材出厂对其性能保证条件的不同，国家标准将其分为甲、乙、特三类，分别用A、B、C表示。 A类：含碳量无特殊要求的钢，不进行热处理，只标明机械性能，钢号为A1-A7。 B类：对含碳量有特殊要求，要进行热处理，只规定化学成分，钢号为B1-B7。 C类：既

11、要保证机械性能又要保证化学成分，钢号为C1-C5。 （3）优质碳素结构钢 杂质少 可热处理 重要零件 （4）碳素工具钢 含炭量0.651.35%，用T表示。,四. 铸铁,铸铁的成分和组织特点 含炭量2.5-4% 常用铸铁的种类、编号和用途 （1）灰口铸铁 片状石墨用HT*-*抗拉抗弯10% （2）球墨铸铁 用QT*-*抗拉强度10%及延伸率 （3）可锻铸铁 用KT 石墨以团絮状存在 （4）蠕墨铸铁 其性质与球墨铸铁相近,2-3 铝及铝合金,一. 铝的生产 从铝矿石中提取氧化铝；方法：电热法、酸法、碱法，其中最常用的方法是用氢氧化钠或碳酸钠把氧化铝从矿石中分离出来即碱法。 氧化铝电解得到纯铝。

12、二. 纯铝 铝的性质 比重小、导电热性好、塑性好、以成型、耐腐蚀。 分类：高纯铝L01-04升，工业铝L15降。,三.铝合金（铝铜、铝硅最常用） 1. 铝合金的组织结构及特点 铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金 2. 铸造铝合金ZL* 主要用来制造形状复杂、承载不大、 重量较轻且有一定耐蚀、 耐高温要 求的 铸件。 包括：铝硅、铝铜、铝镁、 铝锌合金 3. 变形铝合金 包括：防锈LF、硬铝LY、 超硬铝LC、锻铝LD,四. 铝材：板材、管材、棒材、型材、线材 2-4 其他金属材料 一、铜及铜合金 纯铜 用T1-4表示 数字越大，纯度越低。 铜合金 （1）黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金，用H表

13、示 HSn621为含铜62%，含锡1%的锡黄铜。 （2）青铜 铜锡合金，把铝、硅、铍、锰、铅等铜 基合金统称为青铜，用Q表示。 （3）白铜 以镍为主要合金元素的铜合金。,第三章 非金属材料,3-1 塑料 一、概述 （一）塑料与合成树脂 塑料是指具有可塑性的高分子材料。其主要特点有：质轻（耐震动和冲击、比强度高）、透明性、绝缘性、耐蚀性、耐药品性、隔热性，加工成型方便，具有装饰性，和近代质感。其缺点：不耐高温、低温脆性增大，易变形，塑料有老化现象。 合成树脂是指人工合成的高分子化合物，通过加入添加剂，经过加工变成塑性材料，或固化变成刚性材料，因此合成树脂是塑料的基本原料。,（二） 塑料的一般性质

14、,优点： 多数塑料有透明性、有光泽、能着鲜艳色彩 质轻、耐振动与冲击、比强度高 电绝缘性、热物理性好 耐化学药品性 塑料成型加工方便、能大批量生产 缺点： 不耐高温、低温发脆；燃烧有毒。 塑料制品易变形 易老化 （三） 塑料可分为：热塑性塑料、热固性塑料,（四）塑料的组成,1、合成树脂 人工合成的高分子化合物 2、填料 配方中相对呈惰性粉状或纤维材料 3、增塑剂 增加流动性、柔软性、易于加工成型 4、稳定剂 防止塑料变质、分解、延长寿命 5、润滑剂 防止脱模困难 6、着色剂 使塑料具有一定色彩，要稳定不挥发 7、固化剂 防止塑料受热变软 8、其它添加剂 （五） 塑料的鉴别方法：光谱法、燃烧法,

15、3-2 陶瓷,概述 凡是经高温热处理工艺合成的无机非金属固体 材料，统称为陶瓷制品。 二. 我国陶瓷发展的历史 三. 陶瓷的分类 普通陶瓷：利用天然硅酸盐矿物原料制成的陶瓷 特种陶瓷：利用纯度高的人工合成原料用传统的陶 瓷工艺方法制造的新型陶瓷。 陶瓷的性质 1、光学性质 （1）白度 陶瓷对白光的反射能力 （2）透光度 允许可见光透过的程度 （3）光泽度 陶瓷表面对可见光的反射能力，取决于 陶瓷表面的光洁程度。,.,2、力学性质 抵抗外界机械应力主用的能力，其材质硬而脆 因而抗压能力强而康拉能力差。 3、热稳定性 陶瓷材料称受外界温度的急剧变化而不破损 的能力。是陶瓷制品的一个重要的质量指标。

16、 4、化学性质 陶瓷耐酸碱的侵蚀及大气腐蚀的能力。 5、气孔率于吸水率 气孔率是指陶瓷制品的气孔体积与总体机之比 吸水率 反映陶瓷的致密程度,3-3 玻璃,一、概述 玻璃是指熔融物冷却凝固所得到的非晶态无机材料。 工业打粮食的玻璃是一石英为主要材料的硅酸盐玻璃。 其主要特点：坚硬、透明、气密、不透，脆性大。 二、玻璃的主要性质 1、机械强度：抗压、抗折、抗胀、抗冲击。 2、硬度：抵抗其他物体呀入其表面的能力，硬度大。 3、光学性质：透过光线的能力 4、电学性质：不两道题，可做绝缘材料。 5、热性质： 导热性差，无法经受温度的急剧变化。 6、化学稳定性：玻璃的化学性质稳定。,三. 玻璃的种类,3

17、-4 木材,一、概述 木材是在一定自然条件下生长起来的它具有较复杂的综合性能。 1、质轻 2、易加工和涂饰 3、对空气中的湿气有调节作用 4、热、电传导率低，电阻大 5、具有天然的色彩和美丽的花纹 6、具有可塑性 7、易变形、易燃 8、各向异性,二、木材的分类、构造,1、木材的分类 按树木成长的状况：外长树、内长树 安材质分：软木材、硬木材 按输液的外观形状：针叶树、阔叶树 2、木材的宏观构造：根、杆、枝、叶 3、木材的切面:,三、木材的缺陷,1、节子 2、变色、腐朽、虫害、裂纹、弯曲,四、木材的干燥及选用,木材的烘干方法 ：自然干燥、人工干燥 木材的选用 （一）技术条件 1、一定的强度、刚度

18、、韧性、硬度，重量适中 2、美丽的纹理、材质悦目 3、变形小 4、易加工 5、胶合、着色剂涂饰性好 6、耐候及耐虫。 （二）质量管理 1、体积计算 ； 2、含水率； 3、力学性质 。,五、常用的木材,（一）原木：板材、方木、薄木 （二）人造木： 1、胶合板：用3层或其数层的单半径热压胶合而成。 2、刨花板：利用木材废料加工成刨花，加胶热压而成 3、纤维板：木工废料或植物纤维经破碎、浸泡、制浆 成型、干燥和热压制造而成的板材。 4、细木工板：一中拼合结构的板材。 5、空心板： 6、塑料贴面板： 7、合成木材：,3-5 涂料,一、概述 何谓涂料：涂于产品或物体表面形成具有一定附着力和机械强度的有机

19、工程材料。 涂料的功能： 1、保护功能：不受腐蚀、不易老化。 2、装饰功能：色彩涂装、增加光亮程度、调整表面的材质感和材质机理、实现复色涂饰。 3、特殊功能：绝缘性、耐热性、防污性、放伪性、导电性、示温性、发光性,涂料的组成及应用,油料：植物油或动物油的总称，最常用的为干性植物油作为涂料中的粘接剂。 树脂：有机高分子化合物，有天然、人造、合成，其中合成树脂最为常用。 颜料：着色颜料、防锈颜料。 稀料：具有挥发性的有机液体。 助料：催干剂、固化剂、增塑剂、防潮济、乳化剂等。,涂料的选用与施工,选用原则 1、漆膜颜色、性能和机械强度应满足设计要求，在应用中有耐久性、稳定性。 2、漆膜对被涂表面应具

20、有良好的附着力。 3、良好的施工性能、干燥性要好。 4、经济性。 5、环保性，安全性。 施工 1、表面处理；2、调色；3、调整粘度；4、涂漆方式；5、干燥；6、涂底漆；7、刮腻子,3-6 胶粘剂,一、胶粘剂的特点与分类 特点 1、可以粘接不同性质的材料； 2、胶结速度快； 3、交接的表 面光滑。 分类,胶粘剂的组成,1、基料：胶粘剂的主要成分，高分子聚合物组成，常用基料有环氧树脂、酚醛树脂等 2、固化剂：它能使线型结构的树脂变成网状或立体结构，从而使胶粘剂固化。 3、增塑剂和增韧剂：改善胶粘剂的塑性和韧性。 4、稀释剂：降低胶粘剂的黏度，便于施工。 5、填料：填料能够增加胶粘剂的机械强度，改善

21、耐老化性能，降低成本。 常用胶粘剂：环氧、酚醛树脂,第四章 金属材料的成型工艺,4-1铸造工艺 一、铸造的基本概念 把熔化的金属溶液浇注到具有与零件形状相适应的铸型空间中，冷却后得到毛坯或零件的工艺过程叫铸造。根据铸型空间的不同可分为：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳模铸造、磁型铸造；根据铸造工艺的不同可分为：压力铸造、离心铸造、实心铸造。 二、铸造的常用金属 1.铸铁：广泛应用的一种以铁、碳、硅为主的铁基合金含炭量2.11%-4%。 2.铸钢：常用的铸钢有：ZG45、ZG35等。 3.铸铝： 4.铸铜：,三、铸造工艺过程,1、熔模铸造工艺 熔模铸造又称精密铸造或失腊铸造。其实质是：用易熔材

22、料制成模型，在模型表面涂挂耐火材料后硬化、反复多次，并将模型熔出，焙烧硬壳即可得到无分型面的铸型。 （1）压型 制造蜡模的特殊铸型。压型设计应结构合理使用方便。对精度要求高，批量大的铸件，可用碳钢、铝合金加工制成，必要时可镀铬抛光；批量一般精度要求不高的铸件或形状复杂，可用易熔合金铸造压型；对于单件、小批量或加工困难的压型可采用石膏或塑料。 （2）蜡模和蜡模组 常用材料时有50%石蜡和50%硬脂酸配成。将多个蜡模熔焊在同一个蜡制的浇铸系统上，组成蜡模组。 （3）涂料和型壳硬化 涂料是耐火材料和粘接剂配制成的悬浮液，分为面层涂料和加固层涂料，其中面层涂料要求有较高的耐火性和化学稳定性。 （4）熔

23、模铸件的结构工艺性 在熔模制造的基础上目前有发展了实型铸造，即用可挥发性聚苯乙烯加工成型，然后直接浇铸，而不需要取模。,2、压力铸造工艺,压力铸造简称压铸。压铸是在高压（5-150MPa）作用下,将液态合金压入高精度的型腔内，并在压力下迅速凝固而获得铸造的方法。 （1）压型和压铸机 压型：是指压铸零件所使用的铸型。他是采用优质合金钢为主体材料而制成的。一般由两个部分组成的即固定在压铸机定模座上的固定部分成为定模；固定在压铸机动模座上的可动部分成为动型。 压铸机 ：压铸使用的设备成为压铸机。按压室的特征可分为热压室（气压）、冷压室（液压）压铸机。,压铸机,4-2 压力加工技术,一、压力加工技术在

24、工业生产中的作用 影响冲压质量的因素很多，但主要有：冲压材料、冲压模具及冲压设备。 二、冲压材料 目前我国工业产品中的外观零件或人机部件所使用的材料主要是金属板材或塑料制品。冲压质量是以：冲压特性、化学成分、金相组织、厚度公差及表面质量来衡量。 1、冲压性质、化学成分、金相组织的影响 冷冲压是以金属的塑性变形为基础的加工方法。 冲压性能：延伸率大于40%；硬度小于45HRB；s/b不大于0.65；顶压深度符合规定；,2、钢板公差精度及表面状况的影响 （1）材料的厚度直接影响着冲压回弹和成型圆角的小； （2）材料厚度的不稳定，对拉延工序回导致不良效果； （3）材料厚度的不稳定性的影响； （4）材

25、料厚度的不稳定对制件平度的影响是显著的。 3、选择材料的原则 （1）根据产品设计和冲压工艺 （2）产品的批量、效率 （3）经济性 （4）零件的尺寸 4、常用冲压板材的规格、分类、尺寸、性质及用途 工业产品大量使用的黑色金属板材时4mm以下的薄板材（钢板、钢带）钢板又分为热轧钢板和冷轧钢板。,三、冲压工程与设备,1、冷冲压工艺的概念 常温下对板材施加外力使其变形并保证有一定外观和强度性能的零件的加工方法。 2、冷冲压工序的分类：分离工序、变形工序、符 合工序。 3、冷冲压设备及其选择方法 （1）剪切下料设备 a 手动剪切设备和工具：手剪刀、台剪； b 中型剪切设备：振动剪床、斜口剪床、板金铣 床

26、； c 大型剪切设备 （2）弯曲成型设备：板料折弯压力机、卷板机、拉 （3）压制设备 冷冲压设备的定义：常温下是模具产生相对运动对其内的材料施加压力而进行变形和分离的加工设备；压力机的分类及型号；压力及分类的方法与含义。,四、冲压设备的选择,1、选择设备的基本原则：零件的生产类型；零件的几何尺寸及结构形式；零件的材料性能及精度要求。 2、工件冲压加工压力计算 （1）冲裁力和功的计算 （2）压弯力的计算 （3）拉延力和压料力的计算 3、根据计算压力及压力机压力 -选择压力机,图例,五、模具,模具是指安装在特定设备上，并通过设备加温加压是材料得以成型的工具。模具俗称模子其形状为零件形状的反型。 1

27、、冷冲模具的定义：装在压力机上施加强大压力，是板料产生变形或分离的专用工具。 2、冷冲模具的分类 （1）按工序种类分：冲孔模、拉延模、落料莫、弯曲模和切边摸； （2）按完成工序内容的复杂程度分：简单模、连续模、复合模； （3）按导向方式分：开式模、导柱模、导板摸。 3、模具的基本组成及结构分析 4、模具的制作与材料,图例,4-3金属与金属之间的连接,一、利用机械性能和化学能的焊接方法 1.锻焊 2.冷压焊 3.爆炸焊 4.摩擦焊 5.超声波焊 二、利用化学能的焊接 1.气焊 2.原子氢能焊 三、利用电能的连接方法 1.手工电弧焊 四、钎焊 五、粘接,第五章 非金属材料的加工工艺,51 塑料成型

28、加工工艺 一、概述 塑料的加工方法：1、玻璃态可采用车、铣、钻、刨；2、高弹态可采用冲压、弯曲；3液态可采用注射、挤压、吹塑成型。 二、塑料成行工艺的基本知识 1、塑料成型加工的特点：粘性流动、松弛现象及内应力、膨胀效应、工艺性能（塑料的吸湿性、收缩性、相溶性、）。 2、塑料制品常用的主要原料：主要原料、辅助原料 3、塑料制品的一般生产过程：配方设计、混炼、造粒、成型,辅料表,塑料的成型工艺,三、注射成型及设备,注射成型的原理及特点 注射成型过程的工艺条件：温度、压力、成型周期。 注射成型机分类： 立式注射机、卧式注射机、 角式注射机、转盘式注射机。 结构：注射部分：螺杆、 机筒、喷嘴； 合模部分：注射机的规格 和型号。,四、挤出成型机设备,挤出成型的原理及特点（主要用于制作型材） 挤出成型的工艺控制要点：挤出温度、螺旋转速、机头的压力、牵引速度。 挤出成型设备：主机（挤出机）、辅助装置。,五、压制成型机设备,压制成型的原理及特点（热固性塑料）：模压和层压； 模压成型的工艺条件：温度、压力、模塑时间。 压制成型的设备。,六、塑料的其它成型方法简介,压延成型；吹塑成型：挤出吹塑、中空吹塑；真空成型；滚塑成型；浇注成型；缠绕成型,设计实例,木材设计实例130 塑料产品实例111 金属材料应用实例80 关于椅子13,