第四章 材料工藝

產(chǎn)品造型設(shè)計基礎(chǔ)

第四章材料的應(yīng)用工業(yè)設(shè)計教研室高京主要內(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.按材料的來源分類

1.按材料的來源分類第一代：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——不改變在自然界中所保持的狀態(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)考慮以下幾個方面：化學(xué)性能：它是由材料的固有特性派生而來的，即材料的加工特性、材料的感覺特性和經(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。物理性能：主要包括顏色、密度、熔點、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，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的，即材料的加工特性、材料的感覺特性和經(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。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物性

就是通過人的感覺器官感覺到的材料性能。感覺物性只能是相對的判斷，它對人作用是直接的，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)計師設(shè)計的產(chǎn)品最終是通過對特定的材料進(jìn)行加工成型而付諸于產(chǎn)品實現(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，即通過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)計與人們的生活息息相關(guān)，工業(yè)設(shè)計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)計選材是產(chǎn)品設(shè)計的起點，選擇合適的材料、工藝作為產(chǎn)品設(shè)計的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，對設(shè)計概念轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品實物起著關(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)計中使用的材料相對價格隨著經(jīng)濟(jì)氣候和需求量的變化而漲落。產(chǎn)品設(shè)計中的加工工藝的選用應(yīng)該考慮成本和對材料的節(jié)約。例如壓力加工工藝，應(yīng)在排樣時把廢料降低到最少。B.使用壽命

如果設(shè)計的產(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，或選擇具有對產(chǎn)品延長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零件比較外形難說哪個更美，因為美要從整體考察，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)計中的術(shù)語講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。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。考慮被粗暴虐待的可能。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]材料的蟲蛀和鳥食等。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)計選材時，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、特點等等樹脂砂殼型

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)計師我們應(yīng)該在對鑄造工藝有一個基本了解的基礎(chǔ)上，主要掌握零件的造型、結(jié)構(gòu)對鑄件的成型和優(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，使金屬在長寬高三個方向上完成塑性變形過程。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)計人員至少應(yīng)該了解鑄件質(zhì)量可以通過何種方法進(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。鑄件質(zhì)量檢驗。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、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程相互銜接，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)計中的表現(xiàn)塑料除了具有以上性能外，在設(shè)計運(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：1.設(shè)備成本低，投資少2.生產(chǎn)操作簡單，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、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，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。主要用來生產(chǎn)薄殼制品，但一般多以形態(tài)簡單的杯、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)木材的分類按樹木成長狀況分類外長樹，內(nèi)長樹(如熱帶樹)按材質(zhì)分類軟木材和硬木材；軟硬程度可分六級。按樹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

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程中，常需要經(jīng)過多種加工工藝，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

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程中，常需要經(jīng)過多種加工工藝，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)計的壓機(jī)上對其進(jìn)行加壓處理。這種塑性木材可以向各個方向扭曲和彎曲，此時木材的纖維不僅可以受擠壓，而且可以被拉長，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