第五章 第三節(jié) 材料與制造工藝

第五章制訂設計方案第三節(jié)

材料與制造工藝一、材料的分類天然材料加工材料復合材料常見材料

天然材料是指不改變自然界中保持的狀態(tài)，或只施加低度加工的材料，如木材、石材、棉、毛、皮革等。木材石材棉1、天然材料(naturalmaterials)

加工材料又稱作人造材料，是人為加工或合成后才能使用的材料，其特質(zhì)與原料不同，如塑料、玻璃、金屬等。塑料玻璃金屬2、加工材料（processedmaterials）3、復合材料(compositematerials)復合材料是指運用先進的材料制備技術，將兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料優(yōu)化組合而成的具有綜合性能的新材料。膠合板導電橡膠膠合板是由木段旋切成單板或由木方刨切成薄木，再用膠粘劑膠合而成的三層或多層的板狀材料，通常用奇數(shù)層單板，并使相鄰層單板的纖維方向互相垂直膠合而成。膠合板是家具常用材料之一，為人造板三大板之一，亦可供飛機、船舶、火車、汽車、建筑和包裝箱等作用材。一組單板通常按相鄰層木紋方向互相垂直組坯膠合而成，通常其表板和內(nèi)層板對稱地配置在中心層或板芯的兩側。用涂膠后的單板按木紋方向縱橫交錯配成的板坯，在加熱或不加熱的條件下壓制而成。層數(shù)一般為奇數(shù)，少數(shù)也有偶數(shù)?？v橫方向的物理、機械性質(zhì)差異較小。常用的膠合板類型有三合板、五合板等。膠合板能提高木材利用率，是節(jié)約木材的一個主要途徑。斑馬條硅膠斑馬條是最基本的硅膠導電膠條之一，它通過絕緣膠片與導電膠片的交替結合，四面均可形成特殊的導電特性，可以滿足PCB與LCD之間的四方向連接要求。成為弱導領域中必不可少的連接器之一。因為產(chǎn)品的圖案顏色類似于斑馬條紋，故叫做“硅膠斑馬條”。導電膠條俗稱為斑馬條，由導電硅膠和絕緣硅膠交替分層疊加后硫化成型。導電橡膠連接器性能穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)裝配簡便高效。廣泛用于游戲機、電話、電子表、計算器、儀表等產(chǎn)品的液晶顯示器與電路板的連接。二、材料的性能材料的性能分為物理性能化學性能加工性能與設計工作關系十分密切1、強度：指材料承受外力而不被破壞（不可恢復的變形也屬于破壞）的能力。幾種基本物理性能：FFFF效果（抗拉力示意圖）FF效果根據(jù)材料外部受力種類的不同，強度可分為以下幾種：（1）抗拉強度——材料承受拉伸變形的能力。（抗壓力示意圖）FFFFFF效果效果（2）抗壓強度——材料承受擠壓變形的能力。（1）（2）FF最先受破壞斷裂處（抗彎力示意圖）效果效果F'F'（3）抗彎強度——材料對致彎外力的承受能力（抗剪力示意圖）FF（4）抗剪強度——材料承受剪切變形的能力效果FF剪切力的兩個作用力的距離d要很近d

剪力，又稱剪切力：“剪切”是在一對相距很近，大小相同，指向相反的橫向外力（即垂直于作用面的力）作用下，材料的橫截面沿該外力作用方向發(fā)生的相對錯動變形現(xiàn)象。能夠使材料產(chǎn)生剪切變形的力稱為剪力或剪切力。發(fā)生剪切變形的截面稱為剪切面。判斷是否“剪切”的關鍵是材料的橫截面是否發(fā)生相對錯動。（5）抗扭強度——材料承受扭轉變形的能力。五種外力拉力：物體所承受的拉拽力（構件有被拉長（拉拽）的效果；

壓力：擠壓物體的力

剪切力：兩個距離很近,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力

扭轉力：反方向向物體兩端均勻施力,使物體發(fā)生扭轉形變的力

彎曲力：作用于物體,使它產(chǎn)生彎曲的力

構件的五種基本受力形式受拉受剪切受彎曲受扭轉受壓拉力壓力扭轉力彎曲力剪切力a、很多材料如塑料、金屬、木材等都具有一定的彈性；2、彈性指材料受外力作用時改變了形狀，當外力消失后又能恢復原來形狀的能力。b、改變材料形狀結構也可獲得較好的彈性。保持記憶的秦劍經(jīng)過了2000多年的時間，這些秦劍仍然非常鋒利。有一把青銅劍被陶俑壓在了地下，劍已經(jīng)完全被壓彎，能夠達到45°。當工作人員把陶俑搬走時，他們發(fā)現(xiàn)這把劍有“記憶功能”，很快就自己伸直了回來，變成原來筆直的樣子。經(jīng)過檢測，在這把青銅秦劍當中，有一種物質(zhì)叫做“鉻”，讓該劍保持了良好的韌性。鉻涂技術是現(xiàn)代技術，在90年代時才出現(xiàn)。然而，早在2000多年前“鉻”的技術就已經(jīng)被古人領先使用了。3、韌性指材料抗沖擊振動的性能。玻璃的韌性較差，受到撞擊易碎橡膠的韌性好，常被用來制造減震零件4、硬度指材料抵抗刮削、切割或磨損的能力。1、用刀子削木棍和鐵絲哪個容易被刮削？2、粉筆在黑板上寫出字來，這說明什么？5、延展性：金屬的延展性良好，其中金、鉑、銅、銀、鎢、鋁都富于延展性。非金屬材料延展性就不太好。當用小刀刻劃具有延展性的礦物時，礦物表面被刻之處立即留下光亮的溝痕，而不出現(xiàn)粉末或碎粒，據(jù)此可區(qū)別于延展性良好與否。指材料接受折、鍛、壓等外力，被改變形狀或被延伸，而材料沒有遭受破壞的能力。小知識【試一試】請按要求把生活中的物品填在對應的圖表內(nèi)。材料性能物品名稱需要較高的抗壓強度需要較高的抗拉強度需要較高的抗彎強度

需要較高的抗剪強度

需要較好的彈性

需要較好的韌性

需要較好的硬度

汽車底盤、房屋立柱、橋墩、鐵軌、虎鉗自行車軸承中的滾珠

自行車車條梁吊車鋼絲繩尼龍鋼材木材電線電纜、光纖光纜、安全帶、皮革皮帶防盜鎖蹦蹦床橡皮筋籃球皮球頭盔切割工具一、木材及其加工工藝1、天然木材杉木介紹：質(zhì)地較軟，木紋順直、較疏，容易加工且不易開裂，變形小。用途：廣泛應用于建筑和家具制作，如做房屋的門、窗、桌椅的面板等。缺點：強度相對較差，不宜用來做經(jīng)常受摩擦和強度要求較高的構件(如家具的腿)松木介紹：質(zhì)地較軟，品種繁多，其中有的性能較好、易加工、變形小，如紅松、白松等用途：廣泛用于建筑、家具、樂器制造等行業(yè)

。缺點：木質(zhì)軟，易開裂變形，還易析出油脂。樟木介紹：木質(zhì)比杉木硬，強度比杉木高。木紋變化多樣，美觀

。用途：紋理結構較細密，韌性好，容易加工;有一股樟腦香氣，能防蛀。缺點：易變形梓木介紹：質(zhì)地軟硬適中，紋順直，

紋理均勻。用途：變形極小，是上等的中硬度木材，在要求較精致的木制品中常被采用。缺點：加工成本高。2、人造板材人造板材包括膠合板、刨花板、纖維板、飾面板等。優(yōu)點：

使用面積大、不易彎曲開裂、厚薄均勻、表明光潔平整、價格便宜、美觀實用等。應用：

家具制造、房屋裝修、車船制造等行業(yè)。1、天然性：木材是種天然材料，在人類常用的鋼、木、水泥、塑料四大主材中只有它直接取自自然，這使得木材具有生產(chǎn)成本低、耗能小、無毒害、無污染等特點。2、質(zhì)感好：木材具有易為人接受的良好觸覺特性，遠遠優(yōu)于金屬和玻璃等材料。3、強重比高：木材的某些強度與重量的比值比一般金屬的比值都高，是一種質(zhì)輕而強度高的材料。4、保溫性：木材的導熱系數(shù)很小，同其它材料相比，鋁的導熱性是它的2000倍，塑料的導熱性是它的30倍。因此，木材具有良好的保溫性能。5、電絕緣性：木材的點傳導性差，是較好的電絕緣材料6、可加工性：木材軟硬程度適中，容易加工。7、裝飾性：木材本身具有天然美麗的花紋，作為家具和裝飾材料，具有很好的裝飾性。由于木材上述的一些獨有特性。3、木材加工工藝（1）鋸割圓鋸：用來縱切、橫切和挖槽。帶鋸：用來縱切和橫切。1.（按用途分）橫鋸、豎鋸、挖據(jù)橫鋸豎鋸挖鋸2.（鋸齒大?。┐铸X鋸、中齒鋸、細齒鋸粗齒鋸中齒鋸細齒鋸3.（按鋸形分）框鋸、板鋸框鋸板鋸作用：對木材表面進行刨削，使之平整、光滑（2）刨削長刨短刨中刨最常用的是平刨，它是刨平面用的，按刨長短可分為長刨、中刨、短刨，越長的能將材料刨得越平直，通常用得最多的是中刨。另外還有些刨削各種異形的小刨子。（3）軸銑作用：在已刨削過的木材上，對一個面或一條邊進行加工的工藝。（4）表面處理

打磨后，可以用油、清漆、油漆和蠟拋光等多種方法進行表面處理。拋光拋光是指利用機械、化學或電化學的作用，使工件表面粗糙度降低，以獲得光亮、平整表面的加工方法。是利用拋光工具和磨料顆粒或其他拋光介質(zhì)對工件表面進行的修飾加工。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，有時也用以消除光澤(消光)。通常以拋光輪作為拋光工具。拋光輪一般用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側用金屬圓板夾緊，其輪緣涂敷由微粉磨料和油脂等均勻混合而成的拋光劑。（5）打磨作用：通過打磨使產(chǎn)品表面光滑。分類：盤式打磨機、輥筒打磨機、帶式打磨機塑料塑料提取

用石油為原料；把開采出來的原油運到石油加工廠，進行脫水、脫鹽處理，然后分餾制成各種燃料油，如汽油、煤油、柴油等等。而制取塑料的原料則把石油進行一種叫做石油的裂化加工，先制取乙烯、丙烯等原料氣，然后再進行加工聚合，就制成了聚乙烯、聚丙烯這樣的物質(zhì)，叫做樹脂。再進行熱加工制成各種物品才叫做聚乙烯塑料和聚丙烯塑料。塑料構成塑料主要成分是合成樹脂，會根據(jù)需要，添加適當?shù)暮铣晌锪希龀捎猛静煌乃芰?。塑料生產(chǎn)塑料經(jīng)過對原材料的繼續(xù)加工，通過模具成型擠壓、吹塑等工藝，最終形成我們常見的塑料制品。聚乙烯（無毒，易燃）：指取材于大自然且保持著原本特質(zhì)的材料聚氯乙烯（有毒、不易燃）塑料及其加工工藝1、塑料的種類塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料的物態(tài)變化是可循環(huán)的。加熱時，固態(tài)塑料會軟化、熔解而變?yōu)橐簯B(tài);冷卻時，又會形成固態(tài)并恢復到原來的硬度。熱塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等應用：瓶類包裝材料、水管等。熱固性塑料的物態(tài)變化不可循環(huán)，原料加熱后變?yōu)橐后w，可倒入模具成型，冷卻后凝固成一定的形狀，不能恢復到原來的狀態(tài)。熱固性塑料有酚醛塑料(電木)和尿素甲醛等應用：制作機械零件、座椅、工具手柄、

電器殼體等。熱固性塑料塑料加工一般包括塑料的配料、成型、接合、裝配、機械加工和表面處理等塑料加工工藝(1)塑材配料:塑料加工所用的原料，除聚合物外，還要加入各種塑料助劑(如穩(wěn)定利、增塑劑、著色劑、潤滑劑、增強劑和填科等)，以改善制品的使用性能并降低制品成本。(2)塑料成型:將各種形態(tài)的塑料(粉、粒、溶液或分散體)制成所需形狀的制品或坯件。加工熱塑性塑料常用的方法有擠出或注射成型、吹塑和熱成型等。加工熱固性塑料一般采用模壓、注射成型等。塑料加工配料聚合物+穩(wěn)定劑、增塑劑、著色劑、潤滑劑、填料等等。塑料成型：將各種形態(tài)的塑料（粉、粒、溶液或分散體）制成所需形狀的制品。注射成型注射成型工藝注射成型(InjectionMolding)：是指有一定形狀的模型，通過壓力將融熔狀態(tài)的膠體注入模腔而成型，工藝原理是：將固態(tài)的塑膠按照一定的熔點融化，通過注射機器的壓力，用一定的速度注入模具內(nèi)，模具通過水道冷卻將塑膠固化而得到與設計模腔一樣的產(chǎn)品。主要用于熱塑性塑料的成型，也可用于熱固性塑料的成型。

吹塑成型（blowmolding）

熱塑性樹脂經(jīng)擠出或注射成型得到的管狀塑料型坯，趁熱（或加熱到軟化狀態(tài)），置于對開模中，閉模后立即在型坯內(nèi)通入壓縮空氣，使塑料型坯吹脹而緊貼在模具內(nèi)壁上，經(jīng)冷卻脫模，即得到各種中空制品。吹塑薄膜的制造工藝在原理上和中空制品吹塑十分相似，但它不使用模具，從塑料加工技術分類的角度，吹塑薄膜的成型工藝通常列入擠出中。熱成型（thermoformmold）熱成型加工是將片材夾在框架上加熱到軟化狀態(tài)，在外力作用下，使其緊貼模具型面，冷卻定型后即得制品，此法也用于橡膠加工。使用的塑料主要有聚苯乙烯。聚氯乙烯、聚烯烴等，成型方法有多種，都是以真空、氣壓或機械壓力三種方法為基礎加以組合或改進而成的。熱成型可以生產(chǎn)最小的制件是藥片的包裝或手表的電池，也可以生產(chǎn)非常大的制品，比如3~5m長的花園水池。成型材料的厚度可以從0.05~15mm，對于發(fā)泡材料，厚度可以達到60mm。熱成型(3)塑件接合及裝配:用黏合、焊接以及機械連接等方法，將制成的塑料件組裝成完整制品。把塑料件接合起來的方法有焊接和粘接等。(4)

機械加工:用于制造尺寸精確或教量不多的塑料制品。也作為成型的塑料加工輔助工序。(5)表面處理:進行表面處理的常用技術有溶劑清洗(脫脂）、電暈處理、短波紫外光輻射處理、砂紙?zhí)幚?、噴砂處理、等離子蝕刻、化學蝕刻、加熱處理等。塑料接合及裝配（二次加工）（焊接、粘接、機械連接）粘接塑料機械加工

用于制造尺寸精確或數(shù)量不多的塑料制品、也可作為成型的塑料加工輔助工序。加工工序有：鋸、剪、沖、刨、鉆、拋光等表面處理溶劑清洗電暈處理電暈處理電暈處理機：是一種硅橡膠、塑膠和其他材料的表面前處理的設備。通過電擊處理，使承印物的表面具有更高的附著性。原理：利用高頻率高電壓在被處理的塑料表面電暈放電，而產(chǎn)生低溫等離子體，使塑料表面產(chǎn)生游離基反應而使聚合物發(fā)生交聯(lián)．表面變粗糙并增加其對極性溶劑的潤濕性-這些離子體由電擊和滲透進入被印體的表面破壞其分子結構，進而將被處理的表面分子氧化和極化，離子電擊侵蝕表面，以致增加承印物表面的附著能力。短波紫外光輻射處理

噴砂處理塑料的焊接有焊接熱板，超聲波焊接、振動焊接、熱塑性塑料摩擦焊接、植入焊接、激光焊接

焊接熱板：熱板焊接是塑料接頭最簡單的批量生產(chǎn)技術

超聲波焊接方法通過機械高頻振動形成接縫。交替高頻應力在接頭界面產(chǎn)生熱量，形成高質(zhì)量的焊接。

振動焊接：兩個熱塑性部件在適當?shù)膲毫?、頻率和振幅下相互摩擦，直到產(chǎn)生足夠的熱量熔化聚合物。

熱塑性塑料摩擦焊接：固定一個基板，另一個基板以控制的角度旋轉。當零件壓在一起時，摩擦熱導致聚合物熔化，冷卻后形成焊接。

植入焊接：首先將金屬嵌件夾在待接頭的部件之間，然后通過感應或電阻進行加熱。

激光焊接：焊接牢固，美觀，整個焊接過程采用非接觸焊接方式，塑料激光焊接過程更環(huán)保、更安全

所以可以選擇用激光來焊接塑料三、金屬及其加工工藝1、金屬材料金屬材料黑色金屬：鐵及其合金有色金屬：不含鐵元素有色金屬輕金屬：鋁、鎂、鋰等重金屬：銅、鋅、鎳等貴金屬：金、銀、鉑等稀有金屬：鎢、鉬、鈦等黑色金屬按用途：結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼按成分：碳素鋼、合金鋼按質(zhì)量：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼2、金屬加工工藝金屬加工工藝金屬的表面處理金屬的成型加工鑄造塑性加工焊接切削加工

塑性加工的種類金屬塑性加工的種類很多，根據(jù)加工時工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造，軋制，擠壓，拉拔，拉深，彎曲，剪切等幾類。鍛造——靠鍛壓機的鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形的一種加工方法，有自由鍛和模鍛兩種方式。自由鍛不需專用模具，靠平錘和平砧間工件的壓縮變形，使工件鐓粗或拔長，其加工精度低，生產(chǎn)率也不高，主要用于軸類，曲柄和連桿等單件的小批生產(chǎn)。模鍛通過上，下鍛模模腔拉制工作的變形，可加工形狀復雜和尺寸精度較高的零件，適于大批量的生產(chǎn)，生產(chǎn)率也較高，是機械零件制造上實現(xiàn)少切削或無切削加工的重要途徑。軋制——使通過兩個或兩個以上旋轉軋輥間的軋件產(chǎn)生壓縮變形，使其橫斷面面積減小與形狀改變，而縱向長度增加的一種加工方法。根據(jù)軋輥與軋件的運動關系，軋制有縱軋，橫軋和斜軋三種方式。擠壓——使裝入擠壓筒內(nèi)的坯料，在擠壓筒后端擠壓軸的推力作用下，使金屬從擠壓筒前端的?？琢鞒?，而獲得與擠壓?？仔螤?，尺寸相同的產(chǎn)品的一種加工方法。擠壓有正擠壓和反擠壓兩種基本方式。正擠壓時擠壓軸的運動方向與從模孔中擠出的金屬流動方向一致；反擠壓時，擠壓軸的運動方向與從?？字袛D出的金屬流動方向相反。擠壓法可加工各種復雜斷面實心型材，棒材，空心型材和管材。它是有色金屬型材，管材的主要生產(chǎn)方法。拉拔——靠拉拔機的鉗口夾住穿過拉拔?？椎慕饘倥髁希瑥哪？字欣?。而獲得與模孔形狀，尺寸相同的產(chǎn)品的一種加工方法。拉拔一般在冷態(tài)下進行?？衫螖嗝娉叽绾苄〉木€材和管材。如直徑為0.015mm的金屬線，直徑為0.25mm管材。拉拔制品的尺寸精度高，表面光潔度極高，金屬的強度高（因冷加工硬化強烈）?？缮a(chǎn)各種斷面的線材，管材和型材，廣泛