材料成型与工艺.doc

第1章 绪论1.1概述1.1.1材料的分类按材料的发展历史可分为：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；按材料的化学结构可分为：金属材料、无机材料、有机材料；按材料的来源可分为：天然材料、加工材料、人造材料；按材料的成分可分为：有机材料、无机材料、复合材料、其他材料；1.1.2材料的特性物理特性，如：密度、熔点、比热容、热导率等；化学特性力学性能，如：强度、刚度、弹性、塑性、硬度等。感觉物性，如：触觉质感、视觉质感、自然质感、人为质感。成型工艺性，表面工艺性环境耐候性经济性环保性1.2产品设计与材料产品三要素：功能、形态、材料。1.3产品设计与成型工艺成型方法有：金属切削、铸造、注塑方法等。成型工艺具有时代性。1.4产品设计与表面处理进行表面处理的功效：保护产品，美化产品，强化产品功能，增强产品功能。1.5产品设计与选用材料的基本原则1.5.1使用性原则（如椅子的设计，如果是在固定的使用可选用带有软垫的木质椅子，如果在动态环境中使用，选用转移更为合适。1.5.2工艺性原则，产品质量手工艺影响最大，如果在设计中忽略了成型工艺性，轻则影响到美观，严重时会导致产品无法使用。1.5.3性价比原则，将实用、美观、经济师三者结合起来考虑产品的设计。1.5.4环保性原则1.6材料的发展趋势1.6.1新材料的界定与分类新材料可分为以下几个领域：电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工材料等。1.6.2新材料简介电子信息材料：是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。新能源材料：包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源及二次能源中的氢能。1.6.3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、纳米相分离液体。1.6.4先进复合材料按用途可分为：结构复合材料、功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由增强材料和基体材料构成。功能复合材料是具有力学、物理、化学、生物等性能的复合材料。1.6.5智能材料智能材料的特性：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。第2章 金属材料2.1金属材料的特性及分类2.1.1金属材料的特性优良的综合机械性能较高的强度 良好的弹性、良好的塑性、良好的韧性、良好的刚度、良好的硬度；独特的物理性能密度较大，优异的导电性、神奇的磁性、特有的色泽、优美的音质、抗氧化、抗腐蚀能力较差；特有的热处理性能金属材料在固态下通过适当的加热，保温和冷却，可以调整其内部的组织结构，从而改善材料性能；多样化的表面处理方式，防止金属的腐坏，可采用喷漆，喷塑、电镀、氧化等；优良的成型工艺性，可以切削加工，铸造、锻造、冲压、焊接等；丰富的人文特性历史悠久 色彩炫目高贵；成本高、材料的价格高、加工成本高；可持续性差。2.1.2常用金属材料的分类 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢（机械制造用钢）碳素钢 碳素工具钢 碳素铸钢 工程合金结构钢（低合金结构钢） 合金结构钢（1） 钢铁材料 机器合金结构钢 合金钢 合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢 不锈钢 特殊性能钢 耐磨钢 耐热钢 灰铸铁 可锻铸铁铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 合金铸铁 纯铝（2）铝及铝合金 铸造铝合金 铝合金 变形铝合金 纯铜（3）铜及铜合金 黄铜 铜合金 青铜 白铜2.1.3金属的力学性能强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度（s）和抗拉强度（b）。塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。2.1.4金属的工艺性能铸造性（可铸性）：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。锻造性能：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分。焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。切削加工性：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。第3章 金属的加工成型工艺3.1铸造工艺按铸型材料可分为：砂型铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造、熔模铸造、石膏型铸造、消失模铸造。3.1.1铸造工艺的特点适用性强，可铸造各种合金铸件，铸造的成本低廉；3.1.2常用的铸造金属 铸铁；铸铜；铸铝；其他（黄金、白银、白金）；3.1.3常用的铸造工艺（1）砂型铸造制造流程：模型制作；制作芯模；调制模砂；制作砂型；浇注；落砂清理、检验。（2） 熔模铸造熔模铸造工艺过程：压铸蜡模、组合蜡模、结壳脱蜡、浇注、落砂和清理。3.2压力加工工艺3.2.1锻造基本方法：自由锻、模锻、手工锻造。3.2.2冲压（1）特点：可冲压出形状复杂的零件，材料利用率高； 冲压件尺寸精度高，表面粗糙度低，互换性能好； 可获得强度高、刚性好、质量轻的冲压件； 冲压操作简单，工艺过程便于实现机械化、自动化，生产效率高； 冲压模制作复杂，要求高，成本高。（2）冲压设备：剪切下料设备，弯曲成型设备，压制设备。（3）冲压模具：简单模、连续模、复合模。（4）基本工序：分离工序：剪切、落料和冲孔、修整； 变形工序：弯曲、拉深、翻边、成型、缩口3.3切削加工工艺 钳工 金属切削加工 车削加工 机械加工 铣削加工 数控加工3.4快速成型技术3.4.1快速成型技术的特点：（1）先进技术集成度高；（2）全新的产品制造方法；（3）立竿见影；（4）成本低，生产投入少；（5）零件精度低，力学性能差，可用材料有限；（6）只适用于中小零件的制作。3.4.2快速成型技术的分类光固化成型法、叠层实体制造法、激光选区烧结法、熔融沉积法、第4章 塑料及其成型工艺4.1概述4.1.1塑料的组成合成树脂、添加剂（填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、固化剂）4.1.2塑料的分类 通用塑料按使用特性分类 工程塑料 特种塑料 热塑性塑料按热性能分类 热固性塑料按加工方法分类：模压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料、反应注射塑料等。4.1.3塑料的一般特性（1）塑料的优点： 质轻、比强度高； 电绝缘性、阻热性能好； 优良的化学稳定性能； 减摩、耐磨性能好； 多数塑料具有透光和保暖性能； 减震、消音性能好； 能着鲜艳色彩，并富有光泽；防水性、气密性好；成型加工方便，能大批量生产。（2）塑料的缺点： 塑料不耐高温，低温容易发脆； 塑料制品易变型； 机械性能易发生蠕变，损坏后不易修复； 塑料的“老化”现象是塑料制品的一个严重缺陷； 污染环境。4.2常用塑料的特性及应用4.2.1聚氯乙烯（1）聚氯乙烯的特性： 白色粉末状，具有良好的的化学稳定性和较好的力学性能，电器绝缘性能优良，价格低廉。其缺点有：不耐高温，硬质制品脆性大，在光和热的作用下易老化。（2）聚氯乙烯的应用 压延成型制品； 挤出成型制品；注射成型制品；其他方法成型制品。4.2.2聚乙烯 （1）聚乙烯的特性： 纯净的聚乙烯是乳白色的蜡状固体粉末，无味、无嗅、无毒。聚乙烯来源丰富，价格较低，具有优异的电绝缘行和化学稳定性，易于成型加工。 （2）聚乙烯的应用 低密度聚乙烯； 高密度聚乙烯； 超高分子量聚乙烯。4.2.3聚丙烯（1）聚丙烯的特性： 具有较高的抗张强度、刚度、硬度、耐应力开裂性、透明行和耐热性，突出的延伸性的抗弯曲疲劳性。（2）聚丙烯的应用： 大量用于打包带、困扎绳、编织袋的生产。还大量运用于汽车工业中。4.2.4聚苯乙烯（1）聚苯乙烯的特性： 质地坚硬，呈刚性，化学性能和电绝缘性能优良。（2）聚苯乙烯的应用通用级PS；冲击级PS；发泡PS。4.2.5 ABS树脂（1）ABS的特性： 具有较高的抗冲击强度，其他力学性能并不很高，但没有明显的力学缺陷。ABS能耐水、无机盐、碱及弱酸和稀酸。（2）ABS的应用： 通用型、挤出型、高流动型、耐热型、耐寒型、阻燃型和电镀型。4.2.6聚甲基丙烯酸甲酯（1）聚甲基丙烯酸甲酯的特性： 高度透明、无毒、无味、光滑的表面具有水晶感。（2）聚甲基丙烯酸甲酯的应用 本体法PMMA 悬浮法PMMA4.2.7聚酰胺（1）聚酰胺的特性： 具有优良的耐磨性能和良好的的耐疲劳性。（2）聚酰胺的应用： 可采用注射、挤出、吹塑、模压等方法成型。在齿轮方面广泛应用。4.2.8聚碳酸酯（1）聚碳酸酯的特性： 本身透明、具有优异的抗冲击强度和耐蠕变性、既具有良好的耐寒性、又有良好的耐热性。（2）聚碳酸酯的应用： 电子电器方面、机械方面、建筑装饰方面等。4.2.9聚甲醛（1）聚甲醛的特性：有较好的刚性、较高的硬度、优良的耐磨性能和较高的耐冲击性。（2）聚甲醛的应用： 汽车工业、机械制造、精密仪器、电子、电信、日用制品等方面。4.2.10酚醛树脂（1）酚醛树脂的特性： 原料易得，合成方便，价格低廉。（2）酚醛树脂的应用： 模压制品； 层压制品。4.2.11不饱和聚酯树脂 （1）不饱和聚酯树脂的特性： 有透明性，易着色，刚度、硬度和电性能均较好。 （2）不饱和聚酯树脂的应用 UP玻璃钢 浇铸制品4.2.12环氧树脂（1）环氧树脂的特性： 具有很高的粘合性，很好的化学性能，防水、防潮、防霉、耐热、耐磨。 （2）环氧树脂的应用： 主要用于制造玻璃钢制品和浇铸成型。4.2.13氨基树脂 （1）脲甲醛树脂 （2）三聚氰胺甲醛树脂4.2.14特种塑料 （1）高吸水性树脂 （2.）磁性塑料 （3）发光塑料4.3塑料的成型工艺4.3.1概述 （1）塑料成型加工的方法固态机械加工法；弹态塑料成型法。 （2）塑料成型加工的特点塑料的黏性流动；松弛现象和内应力；膨胀效应；吸湿性；收缩性；相溶性。 （3）塑料制品的一般生产过程配方设计；混炼；造粒；成型。4.3.2压制成型 （1）模压成型：将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的物料放在加热阴模槽中，合上阳模并加热加压，使塑料在密闭的模槽中塑化流动充满整个型腔。再将模具加热或冷却使塑料硬化脱模而取得产品。 （2）层压成型：在加热、加压条件下把相同或不同材料的两层或多层结合为整体的方法。4.3.3挤出成型挤出成型是在挤出成型机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。4.3.4 注塑成型 （1）概述 ：注塑成型是使热塑性塑料或热固性塑料先在加热机筒中均匀塑化，然后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的型腔中成型的一种方法。 （2）注塑机通常按合模部件与注射配件的型式不同可分为以下四类： 卧式注塑机 立式注塑机 角式注塑机 多磨转盘式注塑机4.3.5压延成型压延成型是将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，使其连续成型为薄膜或片材的一种成型方法。特点：加工能力大，生产速度快，产品质量好，生产连续，自动化程度高。4.3.6泡沫塑料成型泡沫塑料也称为微孔成型，它是指整体内含有无数微孔的塑料。泡沫塑料根据软硬程度不同，可分为软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料和硬质泡沫塑料。4.3.7其他成型 （1）热成型 差压成型 覆盖成型 柱塞助压成型 回吸成型 对模成型 双片热成型（2）铸塑 浇铸成型 搪塑（3）滚塑4.4塑料的二次成型 （1）塑料机械加工塑料机械加工包括锯、切、车、铣、磨、刨、钻、喷砂、抛光螺纹加工等。 （2）塑料热成型塑料热成型是指将塑料板材加热软化进行成型的方法根据使用的模具，可分为：无模成型、阳模成型、阴模成型和对模成型。第五章 橡胶及其成型工艺5.1 概述 （1）橡胶的组成 生胶。生胶是未加助剂、未经梳化的橡胶，也称胶料； 助剂。助剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。 （2）橡胶的分类 根据来源可分为两大类：天然橡胶和合成橡胶 （3）橡胶的性能及用途性能 ：橡胶材料经硫化处理后具有很高的弹性和耐寒、耐热、耐臭氧、耐油、耐溶剂、减震、耐磨、耐疲劳、密封和介电等重要特性。用途 ：不仅成为人们日常生活不可或缺的日用、医用等轻工橡胶产品，而且广泛用于工业、农业、交通、国防等部门。5.2橡胶制品的成型工艺工序为：塑炼工艺 生胶塑炼是通械应过机力、热、氧或加入某些化学试剂等方法，使生胶由强韧的弹性状态转变为柔软、便于加工的塑性状态的过程；混炼工艺（提高橡胶的物理机械性能和化学性能，也是为了改进其加工性能）；压延和挤出（将橡胶制成有规定断面厚度和宽度的片状聚合物和薄膜状材料）；浸渍（用于乳胶工业）；发泡；注射成型； 硫化。第六章 复合材料6.1概述6.1.1复合材料的概念 由两种或者两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法由人工复合而成的材料。6.1.2复合材料的特点（1）质量轻而强度大（2）抗疲劳性好（3）减震性好（4）耐磨性好（5）高温性能好（6）断裂安全性好（7）独特的成型工艺性能（8）综合性能优良6.2复合材料6.2.1复合材料的分类 结构复合材料按复合目的分类 功能复合材料 树脂基 金属基按复合材料的基体分类 陶瓷基 碳碳基 金属与金属按被复合材料的多相体系分类 金属与非金属 非金属与非金属 颗粒复合型按增强体特性分类 层叠复合型 纤维复合型6.2.2复合用原材料常用的增强型材料：玻璃纤维、碳纤维与石墨纤维、硼纤维、SiC纤维、晶须、天然纤维和高分子纤维。6.3复合软包装材料6.3.1复合软包装材料的优点功能丰富、货架效果极佳、包装形态及方式多样、经济性好。6.3.2复合软包装材料的分类 纸复合材料（1）按基体材料分类 铝复合材料 塑料膜复合材料 织物复合材料 干式复合膜（2）按生产工艺分类 挤出复合膜 无溶剂复合膜 涂覆膜（3） 按功能分类：高阻隔膜、蒸煮膜、抗静电膜、抗菌膜、真空包装膜、抗化学品膜、除氧包装膜、气调包装膜。6.4复合材料的成型工艺6.4.1树脂纤维复合材料的成型加工 加工方法：手糊法、模压法、缠绕法、喷射法。6.4.2金属-纤维复合材料的成型加工加工方法：液态金属浸铸法、扩散焊接法、喷涂法。第7章 陶瓷及其成型工艺7.1概述7.1.1陶瓷的概念 普通陶瓷的组分构成原料为粘土、石英和长石。其特点是坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。陶瓷是一种无机非金属材料，它有熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐磨蚀、耐磨擦、绝缘等优点。7.1.2陶瓷的分类 普通日用陶瓷（1）普通陶瓷（传统陶瓷） 普通工业陶瓷 压电陶瓷(2) 特种陶瓷 磁性陶瓷 电容器陶瓷 高温陶瓷 7.1.3陶瓷的性能特点（1）高硬度（2）高弹性模量与高脆性（3）优良的高温强度和低的抗热震性（4）低抗拉强度和较高的抗压强度7.2陶瓷的成型工艺工序：制粉、成型、烧结、表面装饰。7.2.1可塑成型法（1）旋压成型法（2）滚压成型法（3）雕塑、印坯与拉坯7.2.2注浆法成型（1）空心注浆法（2）实心注浆法7.3陶瓷制品介绍日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷、化工陶瓷、电子陶瓷7.4釉彩7.4.1釉彩的种类长石釉、石灰釉、滑石釉、混合釉、生料釉、熔块釉、透明釉、乳油釉、色釉、土釉、食盐釉。第8章 玻璃及其成型工艺8.1概述玻璃的化学成分：R2ORO6SiO2，相对密度随着温度升高而且减小，与化学组成有关。8.1.1玻璃的性质强度：理论上10,000MPa,实际上却很低。由其化学组成、杂质含量及分布等决定硬度：仅此于金刚石、碳化硅等材料，:硬度大。莫氏硬度在4-7之间。加工方法如雕刻,抛光,研磨,切割。 光学性质：高度透明电学性质：一般是绝缘体。有些是半导体。高温导电性升高。熔融为良导体,与成分有关。 化学稳定性：较稳定，耐蚀性好、耐酸性好、耐碱性差、高温水能侵蚀玻璃。 8.1.2玻璃的分类按化学成分分类：石英玻璃、钠钙玻璃、硼酸玻璃、高硅氧玻璃、铅玻璃、镁铝硅微晶玻璃、氧硫系。 按玻璃的特性分类：平板玻璃、容器玻璃、光学玻璃、建筑玻璃、电真空玻璃、工艺美术玻璃、照明器具玻璃、泡沫玻璃、特种玻璃。按玻璃的用途和使用环境分类：器皿玻璃、建筑用玻璃、技术用玻璃、玻璃纤维。按玻璃的制造方法分类：吹制玻璃、拉制玻璃、压制玻璃、铸造玻璃。8.1.3玻璃材料的艺术特征透明、透光、反射、多彩、光亮8.2玻璃的成型工艺压制成型、吹制成型、拉制成型、压延法成型、浇注法成型、烧结法成型、玻璃的热处理：退火处理、回火处理、化学回火、8.3玻璃的后期加工切割、腐蚀、粘合、雕刻、研磨与抛光、喷砂与钻孔、热加工。第9章 木材及其成型工艺9.1概述9.1.1木材的特性质轻；易加工和涂饰；木材对客气中的水分很敏感；导热、导电性能差；具有美丽的花纹和天然的色泽；有一定的可塑性；易变形、易燃；各有易性；成材缓慢、价格昂贵。9.1.2木材的分类与构造 外长树按成长状况分 内长树 软木材按树质分为 硬木材 针叶树（软木材）按树叶形状分为 阔叶树（硬木材）木材由树皮,木质部和髓心三部分组成9.1.3木材的应用制作木地板；日常用品；乐器；体