工业设计工程基础材料及加工工艺

1、工业设计工程基础 一 玻璃材质 图片欣赏 （一）力学性质v 玻璃的力学性质决定于化学组成、制品形状、表面性质和加工方法。凡含有未熔杂物、结石、节瘤或具有微细裂纹的制品，都会造成应力集中，从而急剧降低其机械强度。 在建筑中玻璃经常承受弯曲、拉伸、冲击和震动，很少受压，所以玻璃的力学性质的主要指标是抗拉强度和脆性指标。玻璃的实际抗拉强度为3060MPa。普通玻璃的脆性指标(弹性模量与抗拉强度之比ER拉)为13001500(橡胶为0.40.6)。脆性指标越大，说明脆性越大。 (二)热物理性质 v 1)玻璃的导热性很差，在常温时其导热系数仅为铜的1400，但随着温度的升高将增大。另外，它还受玻璃的颜色

2、和化学组成的影响。 (2)玻璃的热膨胀性决定于化学组成及其纯度，纯度越高热膨胀系数越小。 (3)玻璃的热稳定性决定于玻璃在温度剧变时抵抗破裂的能力。玻璃的热膨胀系数越小，其热稳定性越高。玻璃制品越厚、体积越大，热稳定性越差。因此须用热处理方法提高制品的热稳定性。 (三)化学稳定性和玻璃的光学性能 v 玻璃具有较高的化学稳定性，但长期遭受侵蚀性介质的腐蚀，也能导致变质和破坏。v 玻璃既能透过光线，又能反射光线和吸收光线，所以厚玻璃和多层重叠玻璃，往往是不易透光的：玻璃反射光能与投射光能之比称为反射系数。反射系数的大小决定于反射面的光滑程度、折射率、投射光线入射角的大小、玻璃表面是否镀膜及膜层的种

3、类等因素。 玻璃吸收光能与投射光能之比称为吸收系数；透射光能与投射光能之比称为透射系数。反射系数、透射系数和吸收系数之和为l00。普通3mm厚的窗玻璃在太阳光垂直投射的情况下，反射系数为7%，吸收系数为8透射系数为85%。 将透过3mm厚标准透明玻璃的太阳辐射能量作为1.0，其它玻璃在同样条件下透过太阳辐射能的相对值称为遮蔽系数。遮蔽系数越小说明通过玻璃进入室内的太阳辐射能越少，冷房效果越好，光线越柔和。 （4）玻璃成型 实例一v 玻璃杯的人工吹制v人工吹制玻璃杯v最原始应该是人工吹制玻璃杯，用一个不锈钢的空心管挑适量的高温熔化的玻璃水，象吹气球一样先吹成一个球形，然后再放进事先准备好的模具中

4、继续吹成与模具贴合的形状，然后把模具打开，用夹子把杯子夹进退火窑炉退去玻璃杯的应力，出来后再经过切割，磨边，安装(脚或者手柄)，抛光，才是成品玻璃杯。v机器吹制玻璃杯和人工的原理一样，只不过由人吹变成吹泡机来吹。 吹制的四个工艺步骤v 1、挑料：先将长度约1200-1500毫米左右的铁管或者是不锈钢管的一端放在炉中加热至适当温度，以便于粘住玻璃液，分级此蘸取坩埚里的熔融玻璃。v 2、吹泡：将挑出的料，在滚料板或滚料碗中滚压成玻璃料团，在特殊制作台上从吹杆的一端吹气于软化状态的玻璃内，使它成为中空的厚壁小泡，然后或者把它吹大成料泡，或者利用玻璃本身的流动性来正形成料泡。v 3、塑型：在不停的转动

5、和吹气下，使料泡不断胀大，操作时仅使用钳子、剪子、镊子、夹板和样板等特制的手工工具塑造或用剪刀修剪。v 4、整理：制品退火后应在进行割口、烘口等加工整理。 图例欣赏 实例二v 机器压制玻璃杯v 压制玻璃杯机器象左轮手枪一样，模具是一个个固定在转盘上的，转盘一圈一般8个或者10个模具，上方悬着1个冲头是固定的，通过一个料筒把玻璃水滴进模具内，然后转到冲头下方的时候冲头落下把玻璃杯压制成形，然后人工取出玻璃杯放进退火窑炉，出来的才是成品玻璃杯。 实例三v 人工拉制成型玻璃管v 主要工序和吹制法类似。做成料泡后，粘结在顶盘上，一边吹气一边拉制成玻璃管。 图片赏析 实例四v 压花玻璃又称花纹玻璃或滚花

6、玻璃，压花玻璃是采用压延方法制造的一种平板玻璃，制造工艺分为单辊法和双辊法。v 单辊法是将玻璃液浇注到压延成型台上，台面可以用铸铁或铸钢制成，台面或轧辊刻有花纹，轧辊在玻璃液面碾压，制成的压花玻璃再送入退火窑。v 双辊法生产压花玻璃又分为半连续压延和连续压延两种工艺，玻璃液通过水冷的一对轧辊，随辊子转动向前拉引至退火窑，一般下辊表面有凹凸花纹，上辊是抛光辊，从而制成单面有图案的压花玻璃。 压花玻璃v 压花玻璃的理化性能基本与普通透明平板玻璃相同，仅在光学上具有透光不透明的特点，可使光线柔和，并具有陷私的屏护作用和一定的装饰效果。压花玻璃适用于建筑的室内间隔，卫生间门窗及需要要又需要阻断视线的各

7、种场合. 实例五v 浮法玻璃亦称退火玻璃，世界上约9成的平面玻璃都是使用于1950年代由皮尔金顿玻璃公司 (Pilkington) 的阿士达皮尔金顿爵士所发明的浮法玻璃制成；方法是将玻璃溶液倒进一缸溶解的锡内，玻璃浮上锡面后自然形成两边平滑的表面，慢慢冷却及成长带状离开锡缸。之后经过火打磨便成为接近完全平的玻璃。通常玻璃会以标准的厚度生产，分为2、3、4、5、6、8、10、12、15、19和22毫米。 浮法玻璃制作工艺v 浮法玻璃生产的成型过程是在通入保护气体（N2及H2）的锡槽中完成的 。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下 ，玻璃液在锡液面上铺开

8、、摊平、形成上下表面平整、硬化、冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动 ，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到平板玻璃产品 。 金属材料v 金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。金属之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属延展性良好的原因。相对分子质量较大的被称为重金属。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例

9、如金、银、铂、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物，其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。v 属于金属的物质有金、银、铜、铁、锰、锌等。在一大气压及25摄氏度的常温下，除汞（液态）外，其他金属都是固体。大部分的纯金属是银白（灰）色，只有少数不是，如金为黄赤色，铜为暗红色。 金属的化学性能 v 耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。 碳钢、铸铁耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢耐腐蚀性好 抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。加入铬、硅等合金元素，可提高 抗氧化性。 金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下化学稳定性称为热稳定性。

10、 金属材料的力学性能v金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。 v金属材料的力学性能包括强度、塑性、刚度、硬度、冲击韧度、弹性变形、塑性变形和疲劳等项目。v强度:是指材料在静载荷作用下抵抗变形可断裂的能力,v塑性:是指材料在外力作下产生塑性变形面不断裂的能力v硬度:是指材料表面抵抗比它自身更硬的物体压入的能力v韧度：指材料抵抗塑性变形而不破裂的能力。v刚度：是材料在受力时抵抗弹性变形的能力。v弹性变形：指材料在产生变形后，取消应力，然后恢复到原来形状的能力。v塑性变形：指材料在较低压力条件下容易发生永久性变

11、形的能力。 性能指标 金属材料的工艺性能v 铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。用流动性、收缩性和偏析来衡量。 流动性熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属易充满铸、其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂。 偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件 的质量。 v 锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的能力称为锻造性。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性越好。 v 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性。在机械行业中，焊接的主要对象

12、是钢材。碳质量分数是焊接好坏的主要因素。碳 质量分数和合金元素质量分数越高，焊接性能越差。 v 切削加工性能 切削加工性能一般用切削后的表面质量（以表面粗糙度高低衡量）和刀具寿命来表示。金属具有适当的硬度（170HBS230HBS） 和足够的脆性时切削性能良好。改变钢的化学成分（加入少量的铅、磷元素）和进行适当的热处理（低碳钢正火、高碳钢球 化退火）可提高钢的切削加工性能。 v 热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性比较差。 金属铸造成型工艺v 离心铸造v 离心铸造是将熔融金属浇入旋转的铸型中，是液

13、态金属在离心的作用下充填铸型并凝固成型。离心铸造的铸型分为金属型和砂型两种。 实例一v 双法兰铜合金轴瓦加工工艺：v 冷模撞砂离心铸造工艺，其工艺流程是：工艺设计设计工装制造工装加工工装做排气孔撞砂造型扎排气孔装模烘烤熔炼铜水启动离心机控制转速浇注脱模取出轴瓦粗加工检验发货。该冷模撞砂离心铸造工艺质量稳定，可消除铜合金轴瓦的卷皮、裂纹、气孔和夹渣，有着广泛的应用前景。 v （双法兰铜合金轴瓦） 砂型铸造v 砂型铸造最基本的铸造方法，其工艺过程主要包括：制造模型和芯盒配置型砂及芯砂、造型制芯、合箱、熔化金属、浇注、落纱、清理及检验等。 （法恩莎水龙头） 法恩莎水龙头加工工艺流程v 铜锭溶解浇铸（

14、低档的用翻砂浇铸、高品质水龙头用重力铸造）铸后清理铸品检验机械加工公差检验试漏研磨表面检验电镀电镀检验组装试水试漏成品检验包装出厂。v 浇铸：低档的用翻砂浇铸，高品质水龙头用重力铸造、比较新的技术是压铸，一次压磨成型类似现在的锌合金压铸工艺一样。 熔模铸造v 熔模铸造是在易熔模表面包覆若干曾耐火材料，待其硬化后，将模熔去除制成中空型壳，经浇注而获得铸件的成型方法。 压力铸造v 压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型（压铸模具）型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。v 当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径

15、为 0.7mm；最小螺距为0.75mm。 制作工艺过程v 金属液先低速或高速铸造充型进模具的型腔内，模具有活动的型腔面，它随着金属液的冷却过程加压锻造，既消除毛坯的缩孔缩松缺陷，也使毛坯的内部组织达到锻态的破碎晶粒。毛坯的综合机械性能得到显著的提高。另外，该工艺生产出来的毛坯，外表面光洁度达到7级（Ra1.6），如冷挤压工艺或机加工出来的表面一样，有金属光泽。 金属切削加工工艺v 车削一般在车床上进行，用以加工工件的内外圆 车削柱面、端面、圆锥面、成形面和螺纹等。 车削内外圆柱面时，车刀沿平行于工件旋转轴线的方向运动。车削端面或切断工件时，车刀沿垂直于工件旋转轴线的方向水平运动。 金属压力加工

16、成型工艺v 金属压力加工利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为金属压力加工，又称金属塑性加工。v 金属压力加工基本方法有：锻造、冲压、轧制、挤压、和拉拔等 实例v 制作过程： 板材按要求裁剪好的，经过冲压工序制造出各种车身零件，经过焊装车间把各种零件组合焊接在一起这就是车身的流程，车门比较特殊，需要把内外板再次压合在一起，经过涂胶，烘干的程序流程才算是车门的完成品。 木材v 红松：材质轻软，强度适中，干燥性好，耐水、耐腐，加工、涂饰、着色、胶结性好。v 花梨木：材质坚硬，纹理余，结构中等，耐腐配，不易干燥，切削面光滑，涂饰、

17、胶合性较好。v 紫檀（红木）：材质坚硬，纹理余，结构粗，耐久性强，有光泽，切削面光滑。v 人造板，常用的有三合板、五合板、纤维板、刨花板、空心板等。因各种人造板的组合结构不同，可克服木材的胀缩、翘曲、开裂等缺点，故在家具中使用，具有很多的优越性。 图例 红松 紫檀木 花梨木 人造板 黄花梨太师椅v 用材介绍：黄花梨木的木性极为稳定，不管寒暑都不变形、不开裂、不弯曲，有一定的韧性，适合做各种异形家具，如三弯腿，其弯曲度很大，惟黄花梨木才能制作，其他木材较难胜任。v 制作流程：选木材开料雕刻打磨上蜡 注：v 1，原木开料有横切，弦切，径切。v 2，水分的自然蒸发会导致木材出现干缩、开裂、弯曲变形、

18、霉变等缺陷，严重影响木材制品的品质，因此木材在制成各类木制品之前必须进行强制（受控制）干燥处理。此椅木材是使用贵重木材真空低温干燥设备进行干燥。v 3，此椅使用的是传统明清家具的连接方式：抱肩榫,夹头榫,夹头榫,楔钉榫,长短榫,托角榫,走马销，霸王枨等榫卯结构。v 4，打磨是涂装过程中的重要步骤，打磨的第一条规则就是要顺着木纹进行打磨，因为若逆着纹理进行打磨，就会留下很明显的永久性划痕。第二条规则是要使用磨块，因为如果不使用磨块，便不能保证均匀的打磨力度。v 5.最后的工序应使用调匀底色，然后烫蜡的方法，千万不能使用普通硬木的做法-用漆。 胶合板储物柜v 用材介绍：胶合板是将椴木、水曲柳、桦木

19、、榆木、杨木等木材切成薄板，经干燥处理后，用粘结剂将若干张薄板粘合，加压、加热而成的一种木质人造板。其相邻层单板纹理通常互成90角。结构多为奇数层，特殊情况下也有制成4层、6层等偶数层的。胶合板具有变形小、幅面大、施工方便、不易翘曲、横纹抗拉强度大等特点，改善天然木材各向异性的特性，使胶合板特性均匀、形状稳定。v 制作流程：制作胶合板（切薄板-干燥处理-粘合-加压加热）按尺寸裁板结构连接（胶结合）上漆v 注：一般胶合板在结构上都要遵守两个基本原则：一是对称；二是相邻层单板纤维互相垂直。 胶合板储物柜 刨花板鞋柜v 用材介绍：刨花板是利用木材或木材加工剩余物作原料，加工成刨花（或碎料），再加入一

20、定数量的胶粘剂，在一定的温度和压力作用下压制而成的一种人造板材，简称刨花板，又称碎料板。在刨花板的生产中，由于生产方法、原料的类型、板的结构及密度等不同，其性能差异较大，用途也有所不同，但主要用作家用和建筑用材。由于它的成本低，许多性能比成材好，所以刨花板作为芯板材料比木材更受欢迎。用刨花板作为家具部件可以利用单板、薄木片、浸渍纸、装饰纸等贴面，板边、板端可用木条或塑料等封边，或后成型封边，这些刨花板经过装饰处理后，可以用在各种家具的部件上。 制作工艺v 制作流程：制作刨花板（原木碎片-干燥-加胶粘剂,防水剂,硬化剂-定温下加压）粘贴面板按尺寸裁板结构连接（螺钉，合页连接）v 注：1,刨花板边

21、缘粗糙，容易吸湿，所以用刨花板制作的家具封边工艺就显得特别重要。另外由于刨花板容积较大，用它制作的家具，相对于其他板材来说，也比较重。v 2,制版加压工艺要求为：适当的含水率。适当的热压压力。适当的温度。适当的加压时间.v 3,在裁板时容易造成暴齿的现象，所以部份工艺对加工设备要求较高；不宜现场制作。 图例 纤维板楼梯v 用材介绍：纤维板又名密度板，是以木质纤维或其他植物素纤维为原料，施加茑醛树脂或其他适用的胶粘剂制成的人造板。制造过程中可以施加胶粘剂和（或）添加剂。纤维板具有材质均匀、纵横强度差小、不易开裂等优点，用途广泛。 制作流程v 制作纤维板（纤维分离浆料处理板坯成型热压后期处理）按尺

22、寸裁板结构连接（胶结合）v 注：1,制取纤维的原料主要来自森林采伐剩余物，如枝桠、梢头、小径材等；以及木材加工剩余物，如板边、刨花、锯末等。v 2,硬质板材表面坚硬，钉钉困难，耐水性差。因此一般使用胶结合。v 3,板坯成型有湿法成型与干法成型两大类，干法纤维板各方面性能较好但成本较高。 细木工板衣柜v 用材介绍：细木工板俗称大芯板，是由两片单板中间胶压拼接木板而成。细木工板的两面胶粘单板的总厚度不得小于3mm。 各类细木工板的边角缺损，在一公分幅面以内的宽度不得超过5mm，长度不得大于20mm。中间木板是由优质自然的木板方经热处理（即烘干室烘干）以后，加工成一定规格的木条，由拼板机拼接而成。拼

23、接后的木板两面覆盖1-2层优质单板，再经冷、热压机胶压后制成。品板面平整性好，板材不易变形，重量较轻，有利于使用。 制作流程v 制作细木工板（木条拼芯板-两面板材胶贴-加压）按尺寸裁板结构连接（胶结合）表面处理v 注：1,制造芯条的树种最好采用材质较软，木材结构均匀、变形小、干缩率小，而且木材弦向和径向干缩率差异较小的树种，易加工、芯条的尺寸、形状较精确，则成品板面平整性好，板材不易变形，重量较轻，有利于使用。v 2,芯条的生产流程:干板材=双面刨=多片锯=横截锯=芯条。v 3,表面处理可以根据个人喜好及需要进行贴面。 塑料v 什么是塑料？v 塑料是在一定条件下，一类具有可塑性的高分子材料的通

24、称，一般按照它的热熔性把它们分成：热固性塑料和热塑性塑料。它是世界三大有机高分子材料之一（三大高分子材料是塑料，橡胶，纤维）。v 塑料的英文名是plastic，俗称：塑胶。v 塑料的种类繁多，工艺繁多，本材料只介绍一点注塑用的塑料材料。 塑料的优点v A 质轻，比重小，最小为TPX，只有0.83；最大的为聚氟乙烯，为2.2v B 比强度高，有很多种塑料的比强度超过钢材v C 不溶于水，耐化学腐蚀，耐酸，耐碱。v D 不导电，是优良的绝缘材料；不导热，是优良的隔热材料，也能隔音。v E 比较耐磨，有独特的自润滑性能，有些材料的耐疲劳性能好过钢材。如POM 塑料材料的分类v 按照分子结构分：v 1

25、聚烯烃塑料,如：LDPE HDPE LLDPE PP EEA EVA PB-1 TPXv 2聚苯乙烯类塑料(它也是聚烯烃塑料,因种类多,重要,单列)，如：PS HIPS ABS AAS ACS MBS AS v 3乙烯基塑料，如：PVCv 4丙烯酸塑料，如：PMMAv 5尼龙(聚酰胺)，如：透明尼龙，MC尼龙，PA（66 6 610 ），等v 6聚苯醚酯，如：POM PPO NORYL PPS PSF PC PET PBT 聚芳酯 聚芳砜v 7纤维素塑料如：CN CA CAP CAB EC CEC HEC v 8聚胺酯，如：TPU 塑料桶v 塑料桶的材料多采用聚乙烯、聚丙烯等塑料吹塑、注塑而成

26、，上海塑胶制品化工、农药、医药、食品、五金电子、机电等行业液体、固体物品的外包装。生产原料v 生产塑料桶的主要原料是聚乙烯（Polyethylene,PE），简称PE，是乙烯进行加聚而成的高分子有机化合物。聚乙烯是世界上公认的接触食品最佳材料，无毒、无味、无臭，符合食品包装卫生标准。聚乙烯薄膜，轻盈透明，具有防潮、抗氧、耐酸、耐碱、气密性一般，热封性优异等性能，素有“塑料之花”的美称，是塑料包装印刷用量最多、最重要的材料。 制桶工序v 原料配制、吹塑、注塑、脱模修边、废料破碎、干燥、组装、终检入库 塑料瓶v 塑料瓶主要是由聚乙烯或聚丙烯等材料并添加了多种有机溶剂后制成的。塑料瓶广泛在华北地区华

27、南地区上海泰青兰包装材料使用聚酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）为原料，添加了相应的有机溶剂后，经过高温加热后，通过塑料模具经过吹塑、挤吹、或者注塑成型的塑料容器。主要用于饮料、食品、酱菜、蜂蜜、干果、食用油、农兽药等液体或者固体一次性塑料包装容器。塑料瓶具有不易破碎、成本低廉、透明度高、食品级原料等特点。 成型原理v 塑料瓶是由枪模的填充经过一定温度压强下吹塑成型，可以由瓶坯加工形成，也可以直接由注塑吹塑一台机器加工形成。v 吹塑，这里主要指中空吹塑(又称吹塑模塑)是借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法，是第三种最常用的塑料加工方法，同时也是发展较快的一种塑

28、料成型方法。吹塑用的模具只有阴模(凹模)，与注塑成型相比，设备造价较低，适应性较强，可成型性能好(如低应力)、可成型具有复杂起伏曲线(形状)的制品。 绝缘插排v 外壳是插排的重要组成部件之一，它要求有阻燃性、绝缘性、抗摔性、耐腐蚀性，国家规定转换器外壳阻燃温度要达到650，先锋电工本着做优质产品、防火为大众的态度，统一为外壳做850的灼热丝试验，并且耐老化试验，冲击试验，低温试验都要求要在超过国家标准的情况下通过才算合格。先锋电工的五大系列产品中，大众型、超值型和数码型的外壳采用优质阻燃ABS合金材料；时尚型和领袖型全部采用优质进口PC合金工程塑料，850灼热丝灼烧不燃烧，热变形温度大于130，阻燃级均达到V-0级 。具备优异的绝缘性、耐腐蚀性、抗摔性。 塑料薄膜v 用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他树脂制成的薄膜，用于包装,以及用作覆膜层。 塑料包装及塑料包装产品在市场上所占的份额越来越大，特别是复合塑料软包装，已经广泛地应用于食品、医药、化工等领域，其中又以食品包装所占比例最大，比如饮料包装、速冻食品包装、蒸煮食品包装、快餐食品包装等，这些产品都给人们生活带来了极大的