产品成型与工艺

成型工艺知识点

第二章 材料基础

第一节 认识材料
1．材料是构成设计对象的所有组成物质。
2．材料的分类
1、）按材料的化学结构分类：金属材料、无机材料、有机材料、复合材料。
2、）按材料的形态分类：一次元材料、二次元材料、三次元材料。
3、）按材料的发展历史分类:天然材料、加工材料、合成材料、复合材料、智能材料或应变材料、纳米材料。
3.材料特性
物理特性、化学特性、力学特性、加工工艺特性、人文特性、经济特性、环境协调性。
4.把握和挖掘利用材料的方法:
1.）从材料宏观和微观结构入手，从根本上把握材料特性产生的因由。
2.）从材料基本特性入手，系统的学习和研究材料如物理、化学、力学、人文等特性。
3.）从材料的合成与加工方法人手，学习和研究材料的加工成型方法，为恰当选用或创造性地运用其成型方法打下坚实的基础。
4.）从应用需求入手，研究和分析材料的未来发展方向，为前瞻性产品设计提供理论依据。

第二节：材料与创新技术
一、构成材料的基本要素
1、色彩。
材料色彩的应用必须遵循以下原则：
1.）尽量运用材料的天然颜色。（其色彩本身对材料具有最合理的表达。一方面，材料的天然色彩本身就有极强的美感，没有比天然色更符合材料特性的颜色，另一方面，改变材料天然色会增加制造成本，带来资源、能源的浪费，环境的污染，妨碍可回收材料的有效再利用。)
2.）尽量通过较少的颜色种类来构成。（单构件产品尽量用少量的颜色构成。这样做一方面容易达到变化统一的美学效果，另一方面由于材料的附加色彩与加工工艺有关，表面每增加一种颜色便可能增加一道工序）。
2、形态。
材料的形态构成与立体构成不同之处在于（形态设计的要点）：
1.）应注重发挥材料特性。
2.）应注意形态结构的强度及稳定性。
3、透明度。
4、纹理。
纹理应用与设计主要具有一下作用：
1.）发掘材料天然纹理美感。
2.）模仿天然材料纹理，赋予人工材料天然材料的质感，满足人们对天然材料的心理或视觉需求。
3.）具有韵律美的人工纹理，可增强产品的美感。
4.）起到防滑、心理暗示等功能。
5、光洁度（什么是光洁度：光洁度主要指材料表面的光洁程度）
6、冷暖。7、软硬。8、轻重。9、状态。（气、液、固）。

第三节：新材料的发展方向
1、什么是新材料：新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。

2、电子信息材料的总体发展趋势：是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展的。
3、纳米材料按物理形态可分为：纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体五大类）
4、智能材料主要具有以下重要特征：传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力、自调节能力。记忆金属、电流变液、感光镜片都是智能材料。
5、生态环境材料的特点：消耗的资源和能源少，对生态和环境的污染小，再生利用率高，而且从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调）。


第三章 金属

一、金属的基本特性
1.优良的力学性能
①较高的强度，②良好的弹性，③良好的塑性，④良好的韧性，⑤良好的刚度，⑥较高的硬度。
2.独特的物理性能
①密度较大，②优异的导电、导热性，③神奇的磁性，（按磁性大小可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料）④特有的色泽（将钢铁材料称为黑金属，其他金属称为有色金属），⑤优美的音质。
3、抗氧化、抗腐蚀能力差。
4、热处理性能。
5、多种表面加工工艺（主要有喷漆、电镀、氧化、磷化等涂镀方法）。
6、优良的成型性
（金属的加工方法主要有铸造、锻造、冲压、焊接、切削加工等）。
7、丰富的人文特性。
8、成本高。原因？
1.）材料价格高。2.）加工成本高。3.）表面处理为成本画上加号。
9、可持续性较差。（缺点）

第二节：常用金属材料特性
一、钢铁（是最广泛使用的金属材料，其产量占金属材料总量的99%）
1、种类：
纯钢、碳钢｛根据含碳量多少可分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢；根据碳钢中残留有害杂质的多少可分为：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢；根据用途可分为：碳素结构钢、碳素工具钢｝、合金钢｛按其用途可分为构造用强韧钢、高强度钢等｝、铸铁（铸铁可分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等）
2、钢铁材料的供应状态：
刚才主要以钢坯、钢锭、板材、管材、钢丝及其制品等半成品形式供应。
二、铝及其合金（是工业中用量最大的有色金属）
1、种类：纯铝（按纯度可将铝分为高纯铝及工业纯铝两大类.）
铝合金（分为铸造用铝合金｛按合金元素的不同分为：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金｝和延展用铝合金｛根据性能和使用特点，可分为：防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金｝两大类。
以煅坯、型材、板材等形式供应的铝合金都属于延展性铝合金。
2、什么叫铝材：

是铝及铝合金经过压力加工具有一定的形状及尺寸后，可供直接使用或在加工使用的半成品。
3、型材：是指具有一定长度和连续断面形状的条形材。
4、箔材的用途：广泛用作药品、食品等的包装材料。
三、铜及其合金（是人类应用最久的一种有色金属）
其色泽美观，装饰性强，具有优良的导电、导热性、耐腐蚀性、有一定的机械强度和良好的加工工艺性。
种类：纯铜（玫瑰红色，又称紫铜，化学稳定性好，但不宜做结构材料).
铜合金（根据合金元素的不同，分为黄铜｛主要合金元素为锌｝、青铜｛以锡为主要合金元素，适宜铸造成型｝和白铜｛以镍为主要合金元素，分结构白铜和电工白铜，可用来做金属餐具和乐器等｝）
四、锡及其合金（抗大气腐蚀性能极强，但受浓酸侵蚀。）
1、锡的用途：
主要用作钢铁的镀锡以及制造合金，典型用途是制作装饰品及餐具、玩具、风琴管等。
2、锡箔的用途：主要用于生产封壳以及用于镜面的镀银。
五、镁及其合金
1、镁的优点：低密度、熔点极低、其合金比强度高于铝合金和钢、具有良好的铸造性和尺寸稳定性、具有良好的阻尼系数、镁合金导热性、抗电磁屏蔽性好、易于再生利用，被誉为21世纪绿色工程材料。
2、镁合金的分类：可分为为铸造类和锻造类。
六、钛及其合金
1、钛的力学性能及用途举例
比强度在金属材料中最高，且在高温及低温下也能保持其强度，因此成为黑鸟等超音速飞机机身的首选材料。此外其在许多工业介质中具有优异的耐腐蚀性能，超乎寻常的耐海水侵蚀性使它成为未来深水载人工具的重要材料，具有高延展性，易于锻造和切削加工。
2、钛成本过高的原因？
一是利用目前技术手段，从矿石中分离高纯度的钛十分困难，成本极高；二是钛在高温下易与其他材料发生化学反应，迫使钛合金需发展非传统的精炼、熔融和铸造技术，苛刻的加工要求导致钛合金加工成本高居不下。

第三节 金属材料成型工艺
一、铸造
1、什么叫铸造：把熔化的金属液体浇注到与产品零件形状相适应的铸型空腔中，待溶液凝固并冷却后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。
2、常用的铸造工艺（分类）
按铸型材料分主要为砂型铸造、石膏型铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造、熔模铸造等。
按浇铸方法分主要为压力铸造、离心铸造、实心铸造、蘸铸等。
3、砂型铸造的工艺流程主要有以下几个步骤：
①模样制作②制作芯模③调制模砂④制作砂型⑤浇注⑥取件清理。
4、什么是分型面：比较复杂的模型，为方便取模，则用两件或两件以上制成复合模型，复

合模间的分割面称为分型面。
5、什么是拔模斜度和铸造圆角？为什么要设计??????？
由于模样最终要从砂箱中取出，为了避免最终模型自砂型取出过程中对砂型的破坏，模型要有拔模斜度，即各部分截面尺寸应有一个从大到小的变化趋势，同时尽可能避免尖锐的内角，如需有内角的出现，则应设计成圆角。
6、分型线：由于分箱面的存在，导致铸件上出现一条突起线，称为分型线。
7、什么是熔模铸造：
其又称为精密铸造或失蜡铸造，它的实质是用易熔材料制作模型，在模型表面涂挂耐火涂料后硬化，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，用这种铸型浇注所得铸件尺寸精确，图案、文字细腻，表面光洁，铸件形态可以非常复杂。
8、熔模铸造法的铸造步骤：
①制作压型②铸造蜡膜③铸型制作④浇铸⑤检验。
9、铸造工艺的特点？
①多样的材料选择②自由的设计空间③丰富的表面肌理④大小厚薄随意⑤批量可大可小⑥材料利用率高⑦减少组装工序⑧成本低容易实现⑨铸造缺陷—缩孔与缩松⑩铸件机械强度较低11.）铸件结构要求。
10、铸件设计应注意的问题？
①使各部分壁厚尽可能均匀。
②形状尽量对称。
③选用收缩率小的合金。
④拔模斜度与铸造圆角。
二、塑性加工
1、定义：塑性加工又称压力加工，利用金属材料良好的塑性，通过施加一定的压力使金属材料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的金属制品或毛坯的加工方法。
2、常用的塑性成型的方法有：锻造、冲压、挤压、拔制、旋压等。
3、什么是锻造：是一种使用冲击压力使经过加热处理的金属产生塑性变形而形成的工艺。
4、锻造工艺的基本方法（分类）：分为手工锻造（现代主要用于金属工艺品的制作）与机械锻造，机械锻造又分为自由锻（加工精度低，金属材料利用率低）和模锻。
5、锻造工艺的特点：
①手工锻造成本低，简便易行，造型灵活，是工艺设计师常用的艺术表达手段。
②自由锻造精度低，材料利用率低，成本相对较低，主要用于坯料成型。
③模锻成本极高，精度较高，生产周期长，适于大批量生产。
④锻造件机械性能优良，多用于受力结构件的成型，如轴、刀具等。
6、什么是冲压：冲压是一种现代机械金属塑性加工的方法，其坯料主要是板、带、管及其它型材，利用冲压设备产生的压力，通过模具的作用使金属坯料分离或变形，从而获得所需要的零件形状和尺寸。
7、冲压的分类：按照冲压时坯料是否需要加热，将其分为冷冲压和热冲压两种。
8、冲压工艺的工序分为分离工序（主要

有剪裁、落料、冲孔、修边等)和变形工序两大类。
9、金属冲压变形的工序举例：主要有弯曲、拉伸翻边、卷边、缩口、胀形等。
11、对拉伸件的设计要考虑的问题：
a、）毛坯材料 拉伸加工的板要求具有极好的塑性及拉伸强度。
b、）拉伸圆角设计
c、）拉伸系数与冲伸次数及成本。（拉伸后制件的直径与拉伸前毛坯直径之比称为拉伸系数，系数愈小，则变形愈大）
7、切削加工：又称为机械加工，是从加大尺寸的毛坯材料上有控制地切除材料，以得到所需工件形状、尺寸精度及表面光洁度。
8、切削加工的基本动作有：
1、车削2、钻削、扩削、铰削3、镗削4铣削5、刨削、插削6、拉削7、磨削。
9、焊接：
①定义：焊接是利用金属在高温作用下熔化的特性实现金属与金属有效连接的现代连接工艺，是成型的重要辅助手段。
②优点：焊接接头具有与金属材料相同的强度，并可获得优良的表面光洁度；使被连接部分真正成为一体。
③焊接的分类：
焊接按原理不同分为：熔焊、压焊、钎焊。
④几种常见的接焊方法介绍：
1、）锻焊、2、）爆炸焊3、）磨擦焊4、）超声波焊5、）手工电弧焊6、）埋弧焊与气体保护焊7、）点焊与缝焊8、）激光焊
第四节 金属材料的表面处理工艺
1、表面处理的作用：保护作用、装饰作用。
2、主要分为三大类：表面精加工、表面层改质以及表面被覆。
3、表面层改质处理的分类：1、）化成处理。2、）阳极氧化。
4、表面被覆处理的分类：
依据材料与被覆处理方式的不同，可分为镀层被覆，有机涂层被覆，搪瓷和景泰蓝被覆。
5、什么是涂装：是在金属制品表面覆盖以有机物为主体的涂料层的工艺方法称为涂装。
6、涂装的优缺点：最大优点是赋于制品丰富色彩和机理，主要缺点是涂层会随着时间的推移而出现劣化、浸蚀和磨损，表面硬度低易划伤，从而导致保护膜破损，底层金属锈蚀。

第四章 塑料

第一节 认识塑料
1、什么是塑料？
塑料是以高分子合成树脂为主要成分的具有良好的可塑性的有机材料。
2、什么是合成树脂？
合成树脂是一种以原油或天然气为原料的人工合成的高分子聚合物，由于其在很多方面都与天然树脂相似，故被称为合成树脂。
3、塑料的分类：
1、）根据构成聚合物的元素及其排列和化学构型，塑料被分为70-80族。
2、）根据热性能的不同，被分为热塑性塑料和热固性塑料。
3、）按其应用分为通用塑料和工程塑料。
4、塑料的一般特性：①制品重量轻（主要有三方面因素：密度低、强度高、加之能够通过注塑或挤塑等工艺成型薄壁制品。）②良

好的缓冲韧性（具有非常好的减震及吸收能量的特性）③塑性好（易于成型，加工成本低，制品价格低廉。）④无限着色性。⑤透明性⑥电绝缘性、阻热性（如保温泡沫塑料结构、冰箱保温内芯、各种炊具的塑料把手、塑料制冰盘等）⑦一定的耐化学药品性及腐蚀性(聚氟乙烯，又称特福龙，几乎耐所有化学试剂。）⑧出色的表面加工工艺性⑨防水性、气密性（可用制造浴室用具、雨衣、水管、帐篷等。）
5、缺陷：
①热塑性塑料大多不能耐受高温，高温下分解或软化。
②低温脆性。
③可燃性。
④连续负荷下的蠕变性。
⑤静电聚集。
⑥与金属相比，塑料制品损坏后的修复特别是外观恢复困难。
⑦塑料的“老化”现象。
⑧塑料制品对环境的污染是目前塑料使用的严重后果。
6、塑料的应用，在包装领域应用最为广泛。

第二节 常用塑料特性及应用举例
1、HDPE 高密度聚乙烯（半透明，白蜡色）
2、LDPE 低密度聚乙烯（透气性强，防水性好，良好的韧性，耐候性好）
3、PP 聚丙烯（表面质量优异，透气性高于PE塑料，优异的抗弯曲疲劳性及韧性，耐候性差）
4、PVC 聚氯乙烯（透明至不透明）
5、PS 聚苯乙烯
6、PMMA 聚丙烯酸甲酯（透明度极高，光泽好，俗称有机玻璃）
7、PA 尼龙（其最大的缺点是吸湿性，随着尼龙湿度的增加，它的抗冲击强度和柔韧性会随之增强，而在玻璃变异温度以下的强度和硬度则会随之减少。
应用：尼龙可以通过注塑，旋转，挤压成型的加工手段制成薄膜和纤维，被用于成产纺织品，钓鱼线和地毯。尼龙材料多被用于生产金属零部件的替代品。
8、PC 聚碳酸酯（一流的热塑性工程塑料，透明度高，表面质量优异，抗冲击性最为突出，耐热耐寒。
9、ABS 树脂（应用最为广泛的热塑性工程塑料，质硬，不透明，表面坚硬而有光泽，应用，电话听筒等。
10、PTFE,FEP 氟塑料（表面具有非粘附性,对所有粘附物质不发生粘连，吸水率及渗透性几乎为零，缺点是机械性能一般，硬度低，易划伤，易蠕变。）
应用:十分广泛，俗称“塑料王”
11、TPE,TPR,TPV 热塑性人造橡胶
12、CA,CAB,CAP,CN 纤维素（韧性好）
应用：眼镜框，牙刷柄，工具手柄。
13、UP 不饱和聚酯树脂（若加入碳纤维或玻璃纤维等纤维材料进行加强，可得比强度非常高的复合材料——玻璃钢FRP或GRP。
UP树脂复合材料具有良好的阻燃性、耐化学药品性和耐候性，出色的空间稳定性及刚性，最突出的特点就是比强度非常高。（可非常方便的实现单件手糊成型、缠绕成型或大批量注射成型。）
应用：非加强UP树脂主要用于浇铸成型、油漆、纽扣、工作平台

等。前卫加强UP树脂主要用于建筑结构部件及卫生器具，保险杠等。
14、PU 聚氨酯（富有弹性、具有惊人的伸长比）
应用：在汽车制造领域，安全气囊。PU弹性纤维制成的粉扑、连裤袜、滑雪衫、游泳衣等。聚氨酯人造革、合成革、发泡体等制成包和鞋等。在建筑、土木领域聚氨酯硬质泡沫为最佳的隔热材料。
15、POM 聚甲醛（耐疲劳性在热塑性塑料中最佳，还具有极佳的耐溶剂性，几乎不溶于任何溶剂。

第三节 塑料成型加工工艺
1、塑料的成型工艺方法分类：
按成型加工时聚合物所处状态的不同可分为三类：
1、）对熔融态的塑料采用注射成型、挤出成型、吹塑成型、旋转成型等流动、塑变、固化成型方法。
2、）对处于高弹态即软化状态下的塑料主要采用加工方法有：热冲压、弯曲、真空成型等压力塑性成型方法。
3、）对处于玻璃态的塑料主要加工方法有：车、铣、钻、刨等机械切削加工方法以及冷压成型。
2、成型缺陷：
塑料材料成型的主要缺陷是开裂、翘曲、尺寸不稳定、表面脱模划伤、拉痕及形状和尺寸偏离设计等。
3、塑料制品的一般生产过程
分为四个阶段：①配方设计。②混炼③造粒④成型。
4、常用塑料成型工艺
①注射成型（每一成型周期包括：定量加料-熔融塑化-施压注射-充模冷却-起模取件等五个主要步骤）
注射成型的特点：
1、）主要成型薄壁制品，制品各处厚度均匀。
2、）生产效率高、适于大批量生产。
3、）由于注射成型依靠模具成型，因此制品尺寸精度高，表面质量好，互换性好，致密度好，强度高。
4、）可成型带嵌件的制品。
5、）受模具及最大注射量限制，注塑制品尺寸一般不会太大。
6、）成本随着加工量的增加而下降。
②挤出成型
挤出成型的特点：
1、）成本低，生产效率高。
2、）产品质量均匀、致密。
3、）利用共挤出工艺可生产复合管或彩色管。
③吹塑成型
为什么注射吹塑的成本比挤出吹塑高？
挤出吹塑模具一般采用铝制，成本比注射吹塑的钢模要低三分之一，加之注射吹塑还需要预制坯模及芯模，因此高。
④真空成型（主要用来制作简单的大型薄壁制品，如船体、雪橇、车身部件等,或大量生产的小型制品，如杯子、快餐盒）
为什么真空成型较注射成型生产周期短，成本低，生产效率高？
真空成型有阴模成型法、阳模成型法、快速回吸法及模塞式压缩成型法。无论是哪一种成型法其成型压力均较低，所以模具可以用石膏、木材、热固性塑料或成本较低的金属模具制作，因此较注射成型生产周期短，成本低，生产效率高。
⑤模压成型
模压成型的缺点：

1、）不能成型结构和外形过于复杂、壁厚相差较大的制件。
2、）制件尺寸特别是壁厚尺寸精度低。
3、）生产周期长、成产效率低、 不易实现自动化。
⑥层压成型⑦搪塑成型和蘸浸成型⑧粉末成型⑨浇铸成型⑩发泡成型

第四节 塑料的二次加工
1、控制切削量和操作方法等方面应注意的问题：
1、）塑料的导热性很差，加工中应注意散热，否则会导致塑料制件软化、发粘甚至分解烧。
2、）制件回弹性大，易变形，加工表面较粗糙，尺寸误差大。
3、）加工有方向性的层状塑料制件时易开裂，分层、起毛或崩落。
2、塑料的接合常用接合方法有：
机械连接、焊接、溶剂粘接、胶粘剂粘接、力学接合等。
3、塑料制品的装饰方法分为两大类：一类是在成型的同时完成的塑料着色和表面肌理装饰，另一类是在制品成型后进行的表面装饰。
4、几种重要的塑料装饰工艺方法：a、着色b、热烫印c、贴膜法d、镀覆f、涂饰与印刷。
5、什么是热烫印：是利用热的具有文字及图案的模版将专用箔在一定的温度及压力下压印到塑料制品的表面，从而得到精美的文字及图案的方法。
6、镀膜主要方法有真空镀与化学湿度法。真空镀又分为真空蒸镀法、阴极喷镀法、离子镀等。
7、喷镀法的原理：喷镀是让加速离子与金属发生碰撞，在反作用力的作用下释放出金属原子负载树脂的表面上。