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1、工业设计工程基础第四章 产品造型材料成型及加工工艺,引 言,目 录,4.1 金属材料成型,金属材料成型加工行业是制造业的重要组成部分，金属材料成型加工技术是汽车、电力、石化、造船及机械等支柱产业的基础制造技术。金属液态成型、塑性成型、连接成型以及切削加工等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工成型，45%的金属结构用连接得以成型。例如汽车中65%以上结构仍由钢材、铝合金、铸铁等材料通过以上几种加工方法成型的。,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等。铸造成型工艺的特点：优点：灵活性大，适应性强。不受零件大
2、小、形状和结构复杂程度的限制，在大件的生产中，铸造的优越性尤为显著。成本低廉。铸造使用的原材材料成本低，单件小批量成产时，设备投资少。缺点：容易出现铸造缺陷（缩孔、疏松、气孔、砂眼等），工序繁多，废品率较高。,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）蜡模 b）蜡模组 c）壳型 d）铸件,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）合型 b）压铸 c）开型,4.1 金属材料成型,1-件1 2-件2 3-注道 4-压板 5-压块,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）自由锻 b）模锻 c）板料冲压 d）挤压 e
3、）轧制 f）拉拔,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）弯曲过程一 b）弯曲过程二 c）弯曲过程三 d）弯曲过程四,4.1 金属材料成型,1-凸模 2-毛坯 3-凹模 4-工件,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同，常用的焊接方法可以分为三大类。,4.1 金属材料成型,1-焊接小车 2-控制盘 3-焊丝盘 4-焊剂漏斗 5-焊接机头 6-焊剂7-渣壳 8-焊缝 9-焊接电缆 10-焊接电源 11-控制箱,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）
4、点焊 b）缝焊 c）电阻对焊 d）闪光对焊1-电极 2-焊件 3-变压器,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）螺栓连接 b）铆钉连接,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）车削 b）钻削 c）铣削 d）刨削 e）滚齿,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）钻孔 b）扩孔 c）铰孔,4.1 金属材料成型,a）镗孔 b）镗大孔 c）镗组合孔,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,a）圆柱铣刀铣平面 b）面铣刀铣平面 c）角度铣刀铣角度槽 d）立铣刀加工垂直面 e）立铣刀加工沟槽或平面,4.1 金
5、属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.1 金属材料成型,4.2 有机高分子材料成型,目前的有机高分子材料从原料树脂制成种类繁多、用途各异的最终产品，已形成规模庞大的加工体系，而且塑料、橡胶、纤维、木材等材料各具特点，又形成各自的加工体系。塑料、橡胶、木材等工业生产中常用的材料通过成型工艺可以直接生产出零件或产品，而纤维的成型往往不能直接生产出产品，因此下面主要介绍塑料、橡胶和木材的成型工艺。,4.2 有机高分子材料成型,
6、4.2 有机高分子材料成型,塑料的特点：塑料品种多、发展快、产量大、应用广；塑料制品在很多方面逐步取代多种金属材料制品；在造型设计中可收到良好的艺术效果和经济效果；工艺简单、一道工序可实现复杂构型，很少需要进一 步加工和表面处理；利用塑料制品本身的色彩效果和肌理效果，可提高塑料产品的外观造型的整体感和艺术质量。,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,塑料的应用范围：塑料品种多、发展快、产量大、应用广；塑料制品在很多方面逐步取代多种金属材料制品；在造型设计中可收到良好的艺术效果和经济效果；工艺简单、一道工序可实现复杂构型，很少需要进一 步加工和表面处理；利用塑料制品本身的色彩效果
7、和肌理效果，可提高塑料产品的外观造型的整体感和艺术质量。,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,塑料的应用范围：农业、渔业 包装交通运输电气工业化学工业仪器仪表建筑工业航空工业国防和尖端工业家具体育用具日用品医疗,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,塑料原料的生产和塑料制品的生产,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,（1）注塑成型 注塑的主要设备是注塑机。注塑成型是将粉粒状的塑料原料先在加热料筒中均匀塑化（塑化指塑料在料筒内经加热达到
8、流动状态并具有良好的可塑性的全过程），然后由柱塞或移动螺杆将粘流态塑料用较高的压力和速度注入到预先合模的模具中，经冷却固化后，得到制品的一种加工方法。该方法适用于形状复杂部件的批量生产，是重要的加工方法之一。,4.2.1 塑料成型工艺,4.2 有机高分子材料成型,4.2.1 塑料成型工艺,a）预塑 b）注塑 c）冷却定型1-模具 2-喷嘴 3-加热器 4-注射料筒 5-螺杆 6-加料斗 7-注射液压缸 8-电机及传动系统 9-工件,（1）注塑成型 注塑成型是一个循环过程，注塑过程一般有预塑、注塑、冷却定型三个阶段。,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,1-挤出料筒 2-机头
9、 3-定径装置 4-冷却装置 5-牵引装置 6-塑料管 7-切割装置,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,1-工作液压缸 2-上横梁 3-活动横梁 4-立柱 5、7-机座 6-推出缸 8-工件,4.2 有机高分子材料成型,1-柱塞 2-加料室 3-上模座 4-凹模 5-凸模 6-凸模固定板 7-下模座 8-浇注系统 9-制品,4.2 有机高分子材料成型,中空吹塑产品,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高
10、分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,1-喷嘴 2-料筒 3-螺杆 4-加热圈 5-热电偶 6-料斗 7-螺杆转动传动装置 8-预塑电机 9-注射油缸 10-压力表 11-背压阀 12-注射机座,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,1-螺杆 2-支架 3-蒸汽加热腔 4-调节口型螺钉 5-口型模 6-外套螺母 7-型芯 8-滑石粉入口腔,4.2 有机高分子材料成型,1-工作台 2-下热板 3-上热板 4-压铸塞 5-料腔 6-料道 7-制品 8-压机活塞,4.2 有机高分子材料成型,4.
11、2 有机高分子材料成型,木制品,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,a）指楔榫 b）斜角榫结合,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.2 有机高分子材料成型,4.3 无机非金属材料成型,无机非金属材料是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称，应用范围广，种类多，并具有许多优良的独特性能，已在工程材料中占据重要地位，它的应用遍及国民经济的各个领域。由于无
12、机非金属材料种类繁多，其成型工艺也不尽相同，下面选取工业设计中常用的两类材料（陶瓷和玻璃）简要介绍其常用的成型工艺。,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物，经过成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。基本原料是石英、长石、粘土三大类和其他一些化工原料。陶瓷成型，就是将坯料制成具有一定形状、强度的坯体（生坯）的过程。主要步骤为原料配制、坯料成型、窑炉烧结。陶瓷成型过程取决于坯料的成型性能及工艺方法。坯料在加入（或含有）液体（一般是水）后，可形成一种特殊状态，具有了所需要的工艺性能。加入大量的水（2835）可使坯料
13、颗粒形成稠厚的悬浮液，成为注浆坯料；加入少量的水时，则形成能捏成团的粉料，在8l5时为水量干压坯料；37之间为干压坯料；水量适中时（1625）则形成可塑坯料。根据坯料（可塑泥料、粉料、浆料）的不同，成型的方法主要有以下几种：注浆成型、可塑成型、干压成型、注射成型、热压成型等。,4.3.1 陶瓷成型工艺,陶瓷原材料的压碎方法,陶瓷灌浆铸造方法,滚压法的操作顺序,4.3 无机非金属材料成型,制作瓷器十步骤：练泥：从矿区采取瓷石，经水碓舂细，淘洗，除去杂质，沉淀后制成砖状的泥块。然后再用水调和泥块，去掉渣质，用手搓揉，或用脚踩踏，把泥团中的空气挤压出来，并使泥中的水分均匀。拉坯：将泥团摔掷在辘轳车的
14、转盘中心，随着手法的屈伸收放拉制出坯体的大致模样。印坯：印模的外型是按坯体内弧线旋削，将晾至半干的坯覆放在模种上，均匀按拍坯体外壁，然后脱模。,4.3.1 陶瓷成型工艺,4.3 无机非金属材料成型,利坯：将坯覆放于辘轳车的利桶上，转动车盘，用刀旋削，目的使坯体厚度适当，表里光洁，这是一道技术要求很高的工序。晒坯：将加工成型的坯摆放在木架上晾晒。刻花：用竹、骨或铁制的刀具在已干或半干的坯体上刻画出花纹。,4.3.1 陶瓷成型工艺,4.3 无机非金属材料成型,施釉：普通圆口采用蘸釉(将坯浸入釉盆里，当口沿与釉面平齐时立即提出)或荡釉（将釉浆注入坯内晃动，使上下左右均匀上釉，然后迅速倒掉过剩的釉浆）
15、，琢器（相对“圆器”而言，圆器指通过拉坯方法成型的圆形器皿，如碗、盘、碟等。而成型工艺较为复杂的器皿如瓶、尊、壶、罐等，则称琢器。）或大型圆器用吹釉（方法是将竹筒蒙上细纱，蘸釉后用嘴吹喷，如此反复多次，坯面可得厚度均匀的釉层）。烧窑：时间过程约一昼夜，温度在1300左右。先砌窑门，点火烧窑，燃料是松柴，把桩工技术指导，测看火侯，掌握窑温变化，决定停火时间。,4.3.1 陶瓷成型工艺,4.3 无机非金属材料成型,彩釉：釉上彩如五彩、粉彩等，是在已烧成瓷的釉面上描绘纹样、填彩，再入红炉以低温烧烘，温度约700-800。此外，烧窑前即在坯体素胎上绘画，如青花、釉里红等，则称为釉里红，其特点是彩在高温
16、釉下，永不褪色。色彩：瓷器的彩绘与一般绘画不同，因为画工在坯体素胎上施釉和作画时所见的颜料色在经过高温烧制和烘烤后会发生很大变化。为瓷器作画是需要特殊经验和想象力的，一件件颜色暗淡、貌不惊人的半成品，经过炉火的烧炼竞会呈现出如此绚丽夺目的色彩，这本身是奇妙的。,4.3.1 陶瓷成型工艺,4.3 无机非金属材料成型,陶瓷的衣裳釉 釉是附着于陶瓷坯体表面的一种连续的玻璃质层，或者是一种玻璃体与晶体的混合层。现代日用陶瓷生产所用的釉分为石灰釉和长石釉。石灰釉是用釉果（类似瓷石的一种天然矿物原料）和灰釉（主要成份氧化钙）配制而成；长石釉主要由石英、长石、大理石、高岭土等组成。在石灰釉和长石釉中加入金属
17、氧化物，或渗进其它化学成份，就会成为各种各样的釉色。一般釉的厚度只有坯体厚度的1%-3%，但经过窑火焙烧后，就紧紧附着在瓷胎上，使瓷器致密化、光泽柔和，又不透水和气，给人明亮如镜的感觉。同时可以提高使用强度，起到防止污染、便于清洗等作用。,4.3.1 陶瓷成型工艺,4.3 无机非金属材料成型,a）空石膏体 b）注浆 c）放浆 d）坯体,4.3 无机非金属材料成型,a）空石膏体 b）注浆 c）吸浆 d）坯体,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料
18、成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,1-雏形模 2-成型模 3-冲头 4-口模5-口模铰链 6-吹气头 7-模底 8-制品,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,1-流槽 2-玻璃液 3-碹顶 4-玻璃带 5-锡液 6-槽底 7-保护气体管道 8-拉边器 9-过渡辊台 10-闸板,4.3 无机非金属材料成型,a）平面压延 b）辊间压延 c）连续压延 d）夹丝压延,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.3 无机非金属材料成型,4.4 复合材料成型,复合材料中基体材料与增强材料的综合优越性只有通过成型工序
19、才能体现出来，复合材料具有的可设计性以及材料和制品一致性的特点，都是由不同的成型工艺赋予的，因此应当根据制品的结构形状和性能要求来选择成型方法。在三大类复合材料中，树脂基复合材料是应用最广泛的，其次是金属基复合材料和陶瓷基复合材料。,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,工艺简单，操作方便；生产成本低；制品形状和尺寸不受限制，适用于小批量、多品种及大中型制件。生产率低，劳动强度大，质量不易控制。,4.4 复合材料成型,1-树脂罐与泵 2-纤维 3-喷枪 4-模具,节省原材料，降低成本，生产率比手糊成型高24倍；制品整体性高，无接缝，层间剪切强度高；树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好；制品形状
20、、尺寸不受限制；适用于船体、车身、容器外罩、大型板等制件。,4.4 复合材料成型,a）真空袋法 b）压力袋法 c）热压罐法,4.4 复合材料成型,（1）热固性树脂复合材料成型铺层成型可与手糊成型和喷射成型配套使用，用于配件的固化成型：1）真空袋法手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋抽真空固化2）加压袋法手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋加压加热固化制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高；适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大件制品。,4.4.1 树脂基复合材料成型工艺,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,（1）热固性树脂复合材料成型缠绕成型 树脂配制纤维预浸胶处理（烘干、排列好
21、）浸胶胶纱烘干缠绕固化检验、加工制品 制品质量稳定，生产率高，易实现自动化生产；但投资大，层间剪切强度低；,4.4.1 树脂基复合材料成型工艺,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,a）金属箔复合法 b）金属无纬带重叠法,a）压力渗透法 b）真空吸铸法,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,4.4 复合材料成型,产品名称：带塞子的抛光不锈钢容器设计师：斯蒂芬.纽拜设计讲解：这些视觉效果柔
22、和的枕头造型与其坚硬的钢质地形成了强烈的对比。抛光研磨工艺的应用使得这些枕头看起来并不如我们想象的那样坚硬，外观柔和而灵活，简直就像我们平常见到的普通枕头。,产品名称：麦克诺.曼的房子设计师：山姆.布克斯顿设计讲解：酸蚀工艺的应用，使得在不锈钢片上加工制作图形不再需要将整片金属全部剪开。该工艺相对于激光切割而言具有相同的加工复杂图形的能力，但成本却低廉的多。,产品名称：功能瓶设计师：SIGG瑞士AG设计讲解：SIGG在德语国家中享有70%知名度，其结实耐用的铝质饮料瓶产品已经成为不着设计痕迹的典范作品。针对铝这种有延展性的金属，设计师采用了冲压这个冷加工工艺。瓶的内壁喷涂一层搪瓷，既保证饮料存
23、储的安全，又防止了饮料中的酸对瓶身的腐蚀。最后，对瓶身进行了独具个性的磨砂效果涂层。使得这个功能瓶更加精制和高档次。,产品名称：水壶 设计讲解：设计师对产品采用的铝材料应用了阳极氧化工艺处理，使得水壶得到新鲜氧化膜，具有多孔状结构，使膜层具有极好的吸附性，对各种染料表现出极强的吸附能力，因而再经过涂料或涂装工艺处理，就可染上鲜艳的色彩。阳极氧化工艺的应用，使得水壶本身不仅得到了保护，还得到了装饰，增加了产品的附加值。,产品名称：餐具设计设计讲解：产品采用了表面蚀刻的工艺，使得餐具的表面具有斑驳、沧桑的肌理效果。丰富了设计的细节，使得勺子在满足人们使用的同时，也满足了大家的日益挑剔的视觉要求。加
24、工过程：首先在金属表面涂上一层沥青。接着将设计好的纹饰在沥青上刻画，将需要腐蚀的部分露出来。下面就可以进行腐蚀了。小型作品一般选择浸入化学酸溶液中进行腐蚀。由于化学酸具有极强的腐蚀性，在操作中一定要注意安全。,抛光研磨,酸蚀工艺,磨砂涂层,喷涂搪瓷,阳极氧化工艺,涂料涂装工艺,表面蚀刻,刻画纹饰,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,表面处理是表面经预处理后，通过表面涂覆金属或非金属，以改善表面性能的系统工程。其目的是在物体表面获得高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩（摩擦因数）、耐磨（磨损）、抗疲劳性能及光、电、磁等多种表面特殊功能。热处理是将材料在固态下进行加热、保温和
25、冷却以获得所需组织与性能的工艺。热处理通过改变金属材料的组织和性能来满足工程中对材料性能的要求，所以，选择正确的热处理工艺对于挖掘金属材料的性能潜力、改善零件使用性能、提高产品质量、延长零件的使用寿命、节约材料具有重要意义。,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,阴极：主反应 Zn2+2e-Zn副反应 2H+2e-H2阳极：主反应 Zn-Zn2+2e副反应 4OH-2H2O+O2+4e,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5
26、表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.5 表面处理与热处理技术,4.6 材料成型新技术与新工艺,新技术是指产品生产过程中采用的新技术原理、新设计构思及新工艺装备等，对提高生产效率、降低生产成本、改善生产环境、提高产品质量以及节能降耗等某一方面较原技术有明显改进，并对提高经济效益具有一定作用的技术。它是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理技术的最新成果。现代制造技术中的数控加工技术、特种加工技术和快速成型技术等就是新技术。,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料
27、成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,a）电火花加工原理示意 b）c）电火花加工表面局部放大图1-工件 2-脉冲电源 3-自动进给调节装置 4-工具5-工作液 6-过滤器 7-工作液泵 8-被蚀除的材料,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-绝缘底板 2-工件 3-脉冲电源4-电极丝 5-导向轮 6-支架 7-贮丝,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-金属版 2-感光膜 3-照相底片 4-成像
28、胶膜 5-腐蚀深度,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-成型零件 2-紫外激光 3-光敏树脂 4-刮平器 5-升降台 6-液面,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-收料轴 2-升降台 3-加工平面 4-CO2激光器 5-热压辊 6-控制计算机 7-料带 8-供料轴,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-激光束 2-扫描镜 3-平整辊 4-激光器 5-粉末,4.6 材料成型新技术与新工艺,1-丝 2-喷头 3-快速原型 4-丝轮,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,4.6 材料成型新技术与新工艺,Thank You!,
