第四章 材料工藝

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第四章材料的應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)教研室高京主要內(nèi)容材料的種類與性能1材料加工工藝3材料與設(shè)計(jì)24.1材料的種類與性能材料的分類1材料的性能與基本特征24.1.1.按材料的來(lái)源分類

1.按材料的來(lái)源分類第一代：天然材料第二代：加工材料第三代：合成材料第四代：復(fù)合材料第五代：智能材料天然材料——不改變?cè)谧匀唤缰兴３值臓顟B(tài)，或只施加低度加工的材料、如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等。4.1.1.材料的分類4.1.1.材料的分類加工材料——利用天然材料經(jīng)不同程度的加工而得到的材料，加工程度從低到高，有人造板、紙、水泥、金屬、陶瓷、玻璃等。4.1.1.材料的分類合成材料——利用化學(xué)合成方法將石油、天然氣和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡膠、纖維等。4.1.1.材料的分類復(fù)合材料——用有機(jī)、無(wú)機(jī)非金屬乃至金屬等各種原材料復(fù)合而成的材料。4.1.1.材料的分類智能材料或應(yīng)變材料——隨環(huán)境條件的變化具有應(yīng)變能力，擁有潛在功能的高級(jí)形式的復(fù)合材料。4.1.1材料的分類2.按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類4.1.1材料的分類天然材料加工材料（膠合板、紙張、粘膠纖維、玻璃紙）人造材料（人造大理石、人造象牙、人造水晶、人造革）3.按材料的加工度分類4.1.1材料的分類顆粒材料（粉末與顆粒狀等細(xì)小形狀物體）線狀材料（鋼管、鋼絲、金屬棒、塑料管、木條、藤條等）面狀材料（金屬板、塑料板、木板、金屬網(wǎng)版、皮革等）塊狀材料（木材、石材、混凝土、鑄鐵等）4.按材料的形態(tài)分類4.1.2材料的性能與基本特征材料的性能：材料的選擇是以性能為依據(jù)。選擇材料應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：化學(xué)性能：它是由材料的固有特性派生而來(lái)的，即材料的加工特性、材料的感覺(jué)特性和經(jīng)濟(jì)特性。這些特性的綜合效應(yīng)從某種角度講決定著產(chǎn)品的基本特點(diǎn)。物理性能：主要包括顏色、密度、熔點(diǎn)、折射率、膨脹率、熱變形溫度、吸水率、絕緣強(qiáng)度、電阻率、比熱容等。機(jī)械性能：機(jī)械性能在工業(yè)造型設(shè)計(jì)中是最重要的性能。它通常與材料的彈性和非彈性行為有關(guān)，在考慮選擇產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料時(shí)，材料的機(jī)械性能是頭等重要的。尺寸性能：一般指材料所能達(dá)到的尺寸、形狀和公差，常常是重要的選擇因素。4.1.2材料的性能與基本特征材料的固有特性：即材料的物理特性和化學(xué)特性、機(jī)械性能、尺寸性能等。又如力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能和防腐性能等。材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而來(lái)的，即材料的加工特性、材料的感覺(jué)特性和經(jīng)濟(jì)特性。這些特性的綜合效應(yīng)從某種角度講決定著產(chǎn)品的基本特點(diǎn)。4.1.2材料的性能與基本特征材料的基本特征除了材料的物理機(jī)械性能必須符合產(chǎn)品功能要求外，還需要具備工業(yè)設(shè)計(jì)特征的性能。工業(yè)造型材料的特征，與構(gòu)成產(chǎn)品或物體的形狀及外觀的特征有關(guān)，還與人們的生活習(xí)慣、工作環(huán)境以及與人們的生活水平、文化修養(yǎng)有關(guān)。為了更好的的在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用材料，我們可以從以下材料特性了解材料。材料的感覺(jué)物性、加工成型性、表面工藝性、環(huán)境耐候性、可變復(fù)合性及環(huán)保性等基本特性。4.1.2材料的性能與基本特征感覺(jué)物性

就是通過(guò)人的感覺(jué)器官感覺(jué)到的材料性能。感覺(jué)物性只能是相對(duì)的判斷，它對(duì)人作用是直接的，且影響很大。

如木材的溫暖度、金屬的冷涼度、合成皮革的柔軟度、沙發(fā)扶手的舒適、安定程度，衣料的清爽舒服程度等都屬于材料的感覺(jué)物性。木材的溫暖度金屬的冷涼度合成皮革的柔軟度沙發(fā)扶手的舒適、安定程度衣料的清爽舒服程度感覺(jué)物性三要素（肌理、反光、軟硬）4.1.2材料的性能與基本特征加工成型性

工業(yè)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品最終是通過(guò)對(duì)特定的材料進(jìn)行加工成型而付諸于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的，因此，工業(yè)產(chǎn)品材料必須具備優(yōu)異的加工成型性。所以，加工成型性是衡量工業(yè)產(chǎn)品材料的重要指標(biāo)之一。表面工藝性

作為工業(yè)產(chǎn)品材料必須具備優(yōu)良的表面工藝性或面飾工藝性，以獲得大方、美觀、理想的外觀。4.1.2材料的性能與基本特征環(huán)境耐候性

工業(yè)產(chǎn)品材料適應(yīng)于環(huán)境條件、經(jīng)的起環(huán)境因素變化的能力。即不受外界因素影響或侵襲而褪色、分化、腐朽以至破壞。公園里用瓷磚做的長(zhǎng)椅4.1.2材料的性能與基本特征可變復(fù)合性

作為工業(yè)材料，必須具備可變復(fù)合特點(diǎn)，即通過(guò)人工方法改變材料的性質(zhì)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

工程塑料之所以應(yīng)用廣泛這與它有較好的可變復(fù)合性有著重要的關(guān)系。4.1.2材料的性能與基本特征環(huán)保性

由于工業(yè)設(shè)計(jì)與人們的生活息息相關(guān)，工業(yè)設(shè)計(jì)材料以成為人們物質(zhì)生活的基本保證，工業(yè)產(chǎn)品除具備以上特性外，還應(yīng)具有無(wú)毒、低公害，易裝卸、可回收再生利用等環(huán)保特性。

4.2.材料與設(shè)計(jì)選擇合理的材料1選擇便利的加工工藝3經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素24.2.1.選擇合理的材料設(shè)計(jì)選材是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，選擇合適的材料、工藝作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品實(shí)物起著關(guān)鍵作用。4.2.1.選擇合理的材料依據(jù)材料的基本性質(zhì)選擇：

1.材料的物理選擇2.材料的水學(xué)性質(zhì)A.親水性與憎水性B.吸水性C.吸濕性D.耐水性E.抗?jié)B性4.2.1.選擇合理的材料

3.材料的熱工性質(zhì)A.導(dǎo)熱性B.熱容量4.材料的力學(xué)性質(zhì)A.材料的強(qiáng)度B.材料的彈性和塑性C.材料的脆性與韌性D.材料的硬度和耐磨性4.2.1.選擇合理的材料

5.材料的耐候性質(zhì)6.材料的裝飾性質(zhì)A.顏色、光澤、透明性B.材料的質(zhì)感C.耐玷污性、易潔性和耐擦性

4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素1.經(jīng)濟(jì)因素A.材料與工藝成本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用的材料相對(duì)價(jià)格隨著經(jīng)濟(jì)氣候和需求量的變化而漲落。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的加工工藝的選用應(yīng)該考慮成本和對(duì)材料的節(jié)約。例如壓力加工工藝，應(yīng)在排樣時(shí)把廢料降低到最少。B.使用壽命

如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其使用壽命是耐久性的，那么選用的材料就應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，或選擇具有對(duì)產(chǎn)品延長(zhǎng)壽命作用的其他性能的材料就是經(jīng)濟(jì)的。4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素例如圖中兩個(gè)零件比較外形難說(shuō)哪個(gè)更美，因?yàn)槊酪獜恼w考察，但從節(jié)約的角度考慮a比b更合理。（節(jié)約空間和節(jié)約原材料——用包裝設(shè)計(jì)中的術(shù)語(yǔ)講a可以套裁）4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素C.制造性能

指將工業(yè)造型加工成所需形狀難易程度的性能指標(biāo)。D.零部件的總成本

零部件選用的材料必須保證它的生產(chǎn)和使用的總成本最低。4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素2.環(huán)境因素(1)從材料影響環(huán)境的角度A.選用同類的材料，以便產(chǎn)品回收和再利用。

B.減少表面裝飾，便于回爐處理和再利用。4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素C.采用可降解的材料，便于自然界吸收。D.廢棄物的再利用，利于資源的再循環(huán)利用。4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素（2）從人與環(huán)境影響材料的角度A.沖擊與振動(dòng)。考慮材料經(jīng)受沖擊力的范圍。B.溫度與濕度?？紤]材料的濕度的極端值。

4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素C.人為破壞?？紤]被粗暴虐待的可能。D.火災(zāi)危害。材料的易燃性、易爆性、易揮發(fā)有害、抗高溫、火焰蔓延等。4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素E.生物危害?？紤]材料的蟲(chóng)蛀和鳥(niǎo)食等。F.污損。不易被弄臟、易清洗、不易被破壞表面等。

4.2.2.經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素G.氣候影響。紫外線、霜凍、雨水、日曬等對(duì)材料的影響。H.噪聲。材料遇到噪聲污染的抵抗力。4.2.3.選擇便利的加工工藝材料和加工工藝是密不可分的，有什么樣的材料就有什么樣的加工工藝，合理的選擇材料當(dāng)然就包括合理的選擇加工工藝。如不同種類的塑料，密度不同、使用環(huán)境要求不同，其成型加工工藝就不同。因此，在設(shè)計(jì)選材時(shí)，在不影響造型功能的前提下，應(yīng)盡可能的選擇加工工藝簡(jiǎn)單的材料。從經(jīng)濟(jì)上講也降低了成本。4.3.材料加工工藝材料加工工藝的種類1選擇合理的加工工藝3造型與工藝性問(wèn)題2材料加工工藝材料類型成型/加工工藝方法具體方法補(bǔ)充或備注金屬液態(tài)成型砂型鑄造砂型鑄造是把潮濕的沙子壓實(shí)在有木模樣或金屬兩半模的沙箱中。真空模塑定義、步驟、特點(diǎn)等等樹(shù)脂砂殼型

塑性成型

金屬快速成型

金屬切削加工工藝

金屬其他加工工藝

金屬連接加工工藝

作業(yè)：

按照以下表格內(nèi)容要求，總結(jié)材料加工工工藝4.3材料加工工藝的種類金屬材料的加工工藝1木材材料的加工工藝3塑料材料的加工工藝2復(fù)合材料的加工工藝44.3.1.1金屬材料加工工藝—鑄造鑄造生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，影響鑄件質(zhì)量的因素頗多，廢品率較高。作為一名工業(yè)設(shè)計(jì)師我們應(yīng)該在對(duì)鑄造工藝有一個(gè)基本了解的基礎(chǔ)上，主要掌握零件的造型、結(jié)構(gòu)對(duì)鑄件的成型和優(yōu)良品率產(chǎn)生的影響，以最大限度地降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

鑄件缺陷種類繁多，名稱也不盡統(tǒng)一。下表列出了鑄件缺陷名稱及分類。4.3.1.1金屬材料加工工藝—壓力1.軋制。

借助于旋轉(zhuǎn)的軋輥與金屬接觸摩擦，將金屬咬入軋輥縫隙間，再在軋輥的壓力作用下，使金屬在長(zhǎng)寬高三個(gè)方向上完成塑性變形過(guò)程。分為縱軋、斜軋、橫軋。4.3.1.1金屬材料加工工藝—壓力鍛造。（俗稱打鐵）

用鍛錘的往復(fù)沖擊力或壓力機(jī)的壓力是金屬進(jìn)行塑性變形的過(guò)程。4.3.1.1金屬材料加工工藝—壓力沖壓拉拔工業(yè)設(shè)計(jì)人員至少應(yīng)該了解鑄件質(zhì)量可以通過(guò)何種方法進(jìn)行避免。合理選定鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu)。合理制訂鑄件的技術(shù)要求。模樣質(zhì)量檢驗(yàn)。鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)。鑄件熱處理。4.3.1.1金屬材料加工工藝—壓力擠壓4.3.1.1金屬材料加工工藝—焊接影響焊接性的因素1.材料因素。2.工藝因素。3.結(jié)構(gòu)因素。4.使用條件。4.3.1.1金屬材料加工工藝—熱處理熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程相互銜接，不可間斷。4.3.1.1金屬材料加工工藝—切削硬度、強(qiáng)度、塑性與韌性及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削加工性能是有影響的。4.3.1.2塑料材料的加工工藝塑料是合成高分子材料中很重要的一類?，F(xiàn)在塑料在工業(yè)上的定義是：一類以合成樹(shù)脂為基本成分，加入一定量的不同添加劑的混合物，在一定溫度、壓力和時(shí)間下可制成規(guī)定形狀和尺寸且具有一定功能的制造品。4.3.1.2塑料材料的加工工藝塑料的基本特性

1.質(zhì)輕且強(qiáng)度高2.化學(xué)穩(wěn)定性好3.優(yōu)異的電絕能性4.優(yōu)良的耐磨性、減模性和自潤(rùn)滑性5.良好的吸聲性和吸震性6.光學(xué)性能好7.多種防護(hù)性能4.3.1.2塑料材料的加工工藝塑料在設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)塑料除了具有以上性能外，在設(shè)計(jì)運(yùn)用中還有良好的表現(xiàn)力：

1.具有優(yōu)美舒適的質(zhì)感2.獨(dú)特的造型工藝3.對(duì)傳統(tǒng)材料的替代4.3.1.2塑料材料的加工工藝1.注射模塑成型及工藝分為加料、塑化、注射入模、保壓、冷卻和脫模六個(gè)步驟。4.3.1.2塑料材料的加工工藝2.擠出成型及工藝具有以下特點(diǎn)：1.設(shè)備成本低，投資少2.生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，工藝易于控制3.占地面積小，生產(chǎn)環(huán)境清潔4.擠出成型的制品密實(shí)、均勻5.可以連續(xù)化生產(chǎn)6.可以一機(jī)多用7.可以進(jìn)行綜合性生產(chǎn)4.3.1.2塑料材料的加工工藝3.壓制模型成型及工藝

主要用于熱固性塑料成型。根據(jù)成型物料的性狀和加工設(shè)備及工藝特點(diǎn)，壓制成型可以分為模壓法和層壓法兩種。4.壓延成型

廣泛應(yīng)用于熱塑性塑料成型，使塑料通過(guò)一系列的加熱的壓輥，使其在擠壓和展延作用下連接成為薄膜或片材。5.吹塑成型及工藝

將從擠出機(jī)擠出的熔融的熱塑性樹(shù)脂坯料，夾入磨具，然后向坯料里吹入空氣，熔融的坯料在空氣壓力作用下膨脹向磨具性腔壁內(nèi)貼合，最好冷卻固化成為所需性質(zhì)產(chǎn)品。吹塑成型又分為薄膜吹塑和中空吹塑成型。制品主要為：瓶子、包裝桶、罐及玩具等。4.3.1.2塑料材料的加工工藝4.3.1.2塑料材料的加工工藝6.熱成型及工藝

熱成型是熱塑性塑料的片材的成型方法，是塑料的二次成型。方法主要包括：真空成型法、壓空成型法、塞頭成型法及沖壓成型法，最普遍采用的是真空成型法。主要用來(lái)生產(chǎn)薄殼制品，但一般多以形態(tài)簡(jiǎn)單的杯、盤、蓋、醫(yī)用器皿、儀器和儀表及兒童玩具等。4.3.1.3木材材料的加工工藝（1）木材的特性、分類與結(jié)構(gòu)木材的分類按樹(shù)木成長(zhǎng)狀況分類外長(zhǎng)樹(shù)，內(nèi)長(zhǎng)樹(shù)(如熱帶樹(shù))按材質(zhì)分類軟木材和硬木材；軟硬程度可分六級(jí)。按樹(shù)葉外觀形狀分類針葉、闊葉；4.3.1.3木材材料的加工工藝木材是一種優(yōu)良的造型材料，取材方便、分布廣，它有哪些特性？1質(zhì)輕而堅(jiān)韌，富有彈性2色澤悅目，紋理美觀3具有平衡和調(diào)節(jié)空氣濕氣的功能4具有可塑性5易于加工成型和涂飾

6具有良好的絕緣性能

7易變形、易燃8各向異性4.3.1.3木材材料的加工工藝（3）常用木材及其選用1、原木直接使用的原木一般用作樁木、坑木以及建筑工程所用的原木,通常要求具有一定的長(zhǎng)度,較高的強(qiáng)度；加工使用的原木是作為原材料加工用的,是將原木按一定規(guī)格尺寸鋸切后的木材,又稱為鋸材,鋸材按其寬度和厚度的比例關(guān)系又可分為板材、方材和薄木等。板材——橫斷面寬度為厚度的3倍及3倍以上者方材——橫斷面寬度不足厚度的3倍者薄木——厚度小于1mm的薄木片。厚度在0.05至0.2mm的稱為微薄木。2、人造板材利用原木、刨花、木屑、廢材及其他植物纖維為原料，加入膠粘劑和其他添加劑而制成的板材。人造板材幅面大,質(zhì)地均勻,表面平整光滑,變形小,美觀耐用,易于加工。人造板材種類很多,常見(jiàn)的有膠合板、刨花板、纖維板、細(xì)木工板及各種輕質(zhì)板等,廣泛用家具、建筑、車船等方面。

4.3.1.3木材材料的成型技術(shù)一、成型加工的基本知識(shí)

1.木材成型加工的基本操作木材在由制材品到制成品的過(guò)程中，常需要經(jīng)過(guò)多種加工工藝，其中包括鋸削、刨削、尺寸度量和劃線、鑿削、砍削、鉆削、拼接，裝配和成型后的表面修飾等。主要工藝：（1）木材的鋸割（2）木材的刨削（3）木材的鑿削（4）木材的銑削4.3.1.3木材制品的成型技術(shù)主要工藝：

1.榫結(jié)合（左上）

2.契形結(jié)合（右上）

3.圓形構(gòu)件結(jié)合（左下）

4.板形拼接形式（右下）

5.膠結(jié)合

6.鏍釘與圓釘結(jié)合

7.鋼環(huán)結(jié)合

4.3.1.3木材材料的加工工藝一、成型加工的基本知識(shí)

1.木材成型加工的基本操作木材在由制材品到制成品的過(guò)程中，常需要經(jīng)過(guò)多種加工工藝，其中包括鋸削、刨削、尺寸度量和劃線、鑿削、砍削、鉆削、拼接，裝配和成型后的表面修飾等。主要工藝：（1）木材的鋸割（2）木材的刨削（3）木材的鑿削（4）木材的銑削4.3.1.3木材材料的加工工藝現(xiàn)代生產(chǎn)方式——塑化木材新工藝

將新采伐的木材經(jīng)預(yù)熱處理后，在新設(shè)計(jì)的壓機(jī)上對(duì)其進(jìn)行加壓處理。這種塑性木材可以向各個(gè)方向扭曲和彎曲，此時(shí)木材的纖維不僅可以受擠壓，而且可以被拉長(zhǎng)，從而使其彎曲度提高，即具有很小的彎曲半徑，這是未經(jīng)塑化處理的木材所不能達(dá)到的。4.3.1.4復(fù)合材料的加工工藝復(fù)合材料是有兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料的特性

1.材料結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性2.結(jié)構(gòu)整體性能好3.抗疲勞性能好4.安全性好5.成型工藝簡(jiǎn)單、靈活4.3.1.4復(fù)合材料的加工工藝復(fù)合材料的成型工藝

現(xiàn)代材料技術(shù)高速