(产品造型材料与工艺)总述

《产品造型材料与工艺》综述

院系：机械工程学院 班级：工设####班

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在设计中，材料及加工工艺和设计是密切相关的。产品造型材料及工艺是产品设计的物质技术条件，是产品设计的基础和前提。设计通过造型材料及工艺转化为具体产品，而造型材料及工艺通过设计实现其自身价值。材料作为一个包括产品—人—环境的系统，以其自生的特性影响着产品设计，不仅保证了维持产品功能的形态，并通过材料自身的性能满足产品的功能需求，成为直接被产品使用者所视基础记得唯一对象。任何一个产品设计，只有与选用材料的性能特点及其加工工艺性能相一致，才能实现设计的目的和要求。每一种新材料、新工艺的出现都会为设计实施的可行性创造物质条件，并且对设计提出更高的要求，给设计带来新的飞跃，出现新的设计风格，产生新的物质功能、新的结构和新的形态。而新的设计构思也要求有相应的材料与加工工艺来实现，这就对材料及工艺提出了新的要求，同时也促进了科学的发展和工艺技术的改进与创新。

而对于工业设计专业而言，是一门集艺术、技术、人文、社会等科学于一体的交叉学科，是一门综合性很强的学科。

材料的定义：

1、材料(广义) ： 指人们思想意识及其之外的所有物质。可以是石、木、金属、水等有形物质，也可是光、影、空气、磁场、创意等无形物质。

2、材料(狭义) ： 指工业生产加工所使用的物质，即可以直接制造成品的物质或原料。（包括自然物与人造物），也可称为尚未定型的物。

材料分类

1、按材料历史发展分类。

第一代：天然材料。石器时代的木片、石器、骨器等天然材料

第二代：加工材料。陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料

第三代：合成材料。高分子材料，原料主要从石油、煤等矿物资源中来

第四代：复合材料。第一代到第三代材料都是各项同性的，复合材料各向异性为特征 第五代：智能材料或应变材料。材料的特征随环境和时间变化的复合材料

第六代：纳米材料。

2.. 按材料来源分类

（1）天然材料：是指不改变在自然界中所保持的自然特性或只施加低度加工的材料而言。

（2）加工材料：是指介于天然材料和人造材料之间，经过不同程度的人为加工的材料。

（3）人造材料：是指人工制造的材料。主要由两大部分：一是以天然材料为蓝本所制造的人工材料；其二是利用利用化学反应制造自然界不存在或几乎不存在的材料。

产品设计选用材料的基本原则

1、 使用性原则----性能：物理、化学、力学

2、 工艺性原则：工艺方法、工艺水平、新工艺

3、 性价比原则：实用、美观、经济

4、 环保性原则：选用生态环境材料

材料的表面处理

产品材料的表面主要解决产品的视觉与触觉的问题，具体包括色彩、光泽、纹理、质地等直接赋予视觉与触觉的一切表面造型要素。产品表面所需的色彩、光泽、肌理等，除少数材料固有的特性之外，大多数依靠各种表面处理工艺来得到。

根据产品的性能、使用环境、材料性质，正确选择表面处理工艺和面饰材料。

经过对整本书的整理与概括，以下是它的核心内容。

金属

金属材料

1、金属材料的工艺性能：各种金属材料只有经过一系列加工和工艺处理才能制成产品，材料适应各种加工和工艺处理要求的能力，称为金属材料的工艺性能。

2、钢材的品种（按外形分）：型材、板材、管材、钢丝

3、 型材：种类（按断面形状）：分为圆钢、方钢、扁钢、六角和八角钢、工字钢、槽钢、

等边和不等边角钢等。

规格：圆钢的规格用其直径（mm ），六角或八角钢的规格用多边形的内切圆直径（mm ）表示，工字钢的规格用其高x 腿宽x 腰厚（mm ）表示。

4、 板材的分类：按国家标准，以钢板厚度大于或小于4mm 为界，分为薄钢板和厚钢板两大

类，习惯上还把厚度在20mm 以下的厚板称为中板，超过60mm 的钢板称为特厚板。

5、 碳钢：又称碳素钢，是含碳量小于2.11％的铁碳合金。由于碳钢冶炼简便、加工容易、

价格低廉，在一般情况下能满足使用要求，所以，在工程中的应用非常普遍。（低碳钢、中碳钢、高碳钢）

6、合金钢：为了更好的改善碳素结构钢的性能，在钢的冶炼过程中，向钢液中加入某些合金元素，这种钢称为合金钢。

7、铝及铝合金：它在构成现代工业产品“小巧轻薄”及间洁平直、刚劲挺拔的造型风格方面，都有不容忽视的作用。

8、铝材：铝及铝合金经过压力加工具有一定的形状及尺寸后，可供直接使用或再加工使用的半成品，称之为铝材。

金属材料成型工艺

铸造工艺

1、铸造的基本概念：把熔化的金属熔液浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，

待熔液凝固并冷却后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造。

2、分类（按铸型不同）：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳模铸造及磁型铸造等

3、分类（按铸造工艺方法）：压力铸造、离心铸造及实心铸造等。

压力加工工艺（锻造、冲压）

切削加工工艺

特种加工工艺（电火花加工、激光加工）

快速成型技术（光固化成型工艺、叠层实体制造工艺、熔融沉积快速成型工艺）

塑料

塑料

1、塑料得到迅速发展的原因：原料广泛、性能优良（质轻，并具有电绝缘性、耐蚀性、耐药品性、绝热性等），加工成型方便，具有装饰性和近代质感。而且塑料品种繁多，价格比较低廉。

2、塑料的优点：1性能适用范围广，产品成本低；2质轻，耐振动与冲击，比强度高；3透明性好，富有光泽，能着鲜艳色彩；4耐腐蚀；5成型加工方便，能大批量生产；6电、热绝缘性好。

3、塑料的缺点：1、不耐高温，低温容易发脆；2、塑料属于化工原料，长时间使用或储藏过程中，受到周围环境如氧气、光、热、辐射、湿气、雨雪、工业腐蚀气体、溶剂和微生物等的作用，尤其是紫外光的光氧化作用，使得塑料的色泽改变，化学结构破坏，机械性能下降，变得硬脆或软黏而无法使用（老化现象）；3、产品设计的复杂性。

6、 塑料工艺方法分类：吹塑成型，压延成型，浇注成型，压制成型，挤出成型，注射成型，

传递模塑成型。（P50表格）

7、 塑料的分类（按其加工性能和化学构造的不同）：热塑性塑料、热固性塑料

1）、热塑性塑料：这类塑料是指受

热时软化，可以加工成一定的形状，能多次重复加热塑制而其性能不发生显著变化的高分子材料。热塑性塑料的化学构造为链状线型高分子。

2）、热固性塑料：这类塑料是指在加工成型后，加热不会再软化，或在溶剂中不再溶剂的高分子材料。

8、 塑料的分类（按应用）：通用塑料、工程塑料

通用塑料：一般指使用广泛，产量大，用途多，价格低廉的高分子材料。

工程塑料：是指具有某些金属性能，能承受一定外力作用和有较高的机械强度，适用作工程技术上的结构材料的塑料。

9、 塑料分述

（1）聚乙烯（PE ）：聚乙烯塑料味白色或浅白色蜡状半透明固体，薄膜状聚乙烯几乎是透明

的，有柔顺性、热塑性和弹性，透气性很强，透水性差，适合作防湿用的包装材料。

聚乙烯在所有塑料中密度最小，比水轻，能浮在水上。

（2）聚丙烯（PP ）：聚丙烯的各种性能与聚乙烯非常相似，密度在塑料中属于最小的一类，为0.9~0.92，外观比聚乙烯更透明，质地更轻。

（3）聚苯乙烯（PS ）：聚苯乙烯为无色透明、类似玻璃状的材料，可自由着鲜艳色彩，其密度比聚丙烯、聚乙烯小，具有优秀的电性能（高频特性），可用作雷达的绝缘材料。

（4）聚氯乙烯（PVC ）：聚氯乙烯树脂为白色粉末状，密度1.4，耐酸碱，耐水，无毒，难燃，电绝缘性能良好，能耐多种溶剂。

（5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ，有机玻璃）

（6）ABS

塑料成型工艺

1、注射成型：注射成型又称注塑成型。在现代各种塑料成型技术中，用注射成型法生产的

产品，比用任何其他方法生产的都多。此法不仅适用于全部热塑性塑料，而且也适用于部分流动性较好的热固性塑料制件的成型。

优点：能一次成型出外形复杂、尺寸精确的塑料制件；可以极方便地利用一套模具，成批地制得尺寸、形状、性能完全相同的产品，而且所得制件几乎无需进一步修饰加工；生产性能好，成型周期短，而且实现自动化或半自动化作业，具有较高的生产效率和技术经济指标。

缺点：成型设备和模具结构复杂，投资大，所以小批量生产的制品不宜采用此法成型加工。

普遍使用柱塞式注射机和螺杆式注射机。

2、压制成型

3、压注成型：压注成型又称传递成型。

压注成型是在克服压制成型缺点，吸收注射成型优点的基础上发展起来的。

特点：1、制品性能均匀密实，质量好；2、塑件的尺寸精度较高；3、成型周期较短，生产效率高；4、可以成型难以用压制法成型的塑件。

缺点：压注模比压制模结构复杂，成型压力也比压制成型时高，且成型后加料腔内留有余料，从而影响下一次成型

4、挤出成型

5、塑料制件的连接：1热熔粘接2溶剂粘接3胶接

6、塑料的其他成型方法简介：（1）压延成型、（2）吹塑成型（包括挤出吹塑和中空吹塑）、

（3）真空成型、（4）浇注成型

7、塑料制件的表面处理：涂漆、镀金属，以及修饰着色

陶瓷

陶瓷

1、传统陶瓷：现在一般将那些以黏土为主要原料，再加入其他天然矿物原料，经过拣选、粉碎、混炼、成型、煅烧等工序制作的产品，统称为传统陶瓷。

2、现代陶瓷：现代的陶瓷概念，应越过传统狭窄的含义，扩展到：无论是否使用黏土类原料，凡是经高温热处理工艺合成的无机非金属固体材料，均通称为陶瓷。

3、陶瓷的分类（按性能和用途分）：普通陶瓷，特种陶瓷。

普通陶瓷也称传统陶瓷。

特种陶瓷又称新型陶瓷、精细陶瓷、精密陶瓷、高性能陶瓷。

陶瓷的性质：1光学性质（白度、透光度、光泽度）；2力学性质；3热稳定性；4化学性质；5气孔率和吸水率。

陶瓷成型加工工艺

普通陶瓷制品与特种陶瓷制品的制造工艺基本相同，生产流程都比较复杂，但一般都包括原料配制、坯料成型和窑炉烧结三个主要工序。

坯料成型分类：可塑性成型，注浆法成型，压制成型。

玻璃

玻璃

玻璃的主要成分是二氧化硅，一般通过熔烧硅土加上碱而得到的，其中碱的作用是助溶剂，也可加入其他物质，例如：石灰（提高稳定性）、镁（去除杂质）、氧化铝（提高光洁度）或加入其它氧化物得到不同颜色。

按照化学成分分类;

碳酸钠石灰玻璃：主要用途平板玻璃、餐具、器皿。

碳酸钠石灰铝玻璃：啤酒瓶、酒瓶

铝玻璃：光学用玻璃、装饰用玻璃

钾石灰玻璃：光学用玻璃、人造宝石、化学用玻璃

硼酸硅玻璃：电真空管用玻璃、光学用玻璃、化学用玻璃安瓿玻璃

碳酸钡玻：光学玻璃

石英玻璃：石器玻璃、化学用玻璃

按照用途分类：

容器玻璃：具有与一定化学稳定性、抗热震性和一定的机械强度，能够经受装罐、杀菌、运输等过程；可用作盛放饮料、食品、药物、化妆品。

建筑玻璃：具有采光和防护功能，应该具有良好的隔音、隔热和艺术装饰效果；可用

作建筑的门、窗、屋面、墙体及室内外装饰。

光学玻璃：无杂质、无气泡，对光纤有严格的折射、反射数据；用作望远镜、显微镜、放大镜、照相机及其他光学测量仪器的镜头。

电真空玻璃：具有较高的电绝缘性和良好的加工、封接气密性能；可做灯泡、显像管、电子管等

泡沫玻璃：气孔占总体积的80%~90%，相对密度小，隔热、吸声、强度高等优点，可采用锯、钻、钉等机械加工；应用于建筑、车辆、船舶的保温、隔音、漂浮材料

光学纤维：直径小，工艺要求高；用于传输光能、图像、信息的光缆等

特种玻璃：具有特殊用途；如半导体玻璃、激光玻璃、微晶玻璃、防辐射玻璃、声光玻璃等 玻璃的热处理

（一）退火：消除制品的热应力，还可以使内部的结构均匀。

（二）淬火：在玻璃表面形成一个有规律，均匀分布的压力层，提高玻璃制品的机械强度及热稳定性。

二、玻璃成型加工工艺

基本上可分为配料、熔化和成型三个阶段。

机械成型方法：（1）压制法； （2）吹制法； （3）拉制法； （4）压延法； （5）浇铸法； （6）烧结

木材

木材特性

（一）易加工、易连接。木材可以除了用机械加工外还可以用手工加工；可以加工成各种型面，也可以加工成弯曲、压缩、施切等加工；可以以各种形式的榫结合，也可以用钉子、螺钉、各种连接件及胶黏剂结合。

（二）与钢材相比。导热性、导电性、声音传导性小，热胀冷缩性能不显著，这些性能都优于钢材。

（三）具有装饰性。具有天然的纹理和色泽，可以加工成美丽的花纹图案，是一种较好的装饰材料。

（1）颜色。木材的颜色是由于细胞腔内含有各种色素、树脂、树胶、其他氧化物等，这些物质渗透到细胞壁中呈现各种颜色。树木不同，木材所显示的颜色也有所区别。

（2）光泽。指树木对光线的反射或吸收的程度。在对木制品表面处理时，要求具有较好的光泽，以增加木制品的美观性。

（3）纹理。之母此案纵向组织的排列方向的表现情况。可以分为直纹理、斜纹理、波浪纹理、邹形纹理、交错纹理、螺旋纹理等。

（四）容易解离。木材可以用机械的方法打碎后再胶合。刨花板、纤维板的生产就利

用了木材的这种特性。

（五）容易腐朽和虫蛀。木材是一种有机物质，在生长和存储的过程中，易受菌、虫的侵蚀，是木材受到了一定程度的破坏，降低了使用性能。

（六）干缩湿胀。木材和其他材料不同，早大气中受环境的影响，当环境的湿度和温度发生变化时，常常引起木材的膨胀或收缩，严重时会发生变形和开裂，降低了木材的使用价值。

（七）各向异性。由于木材的构造在各个方向不同，木材在不同的方向上的物理机械性能也有所不同，在使用木材时应充分考虑到木材的这个缺点。

（八）具有天然缺陷。由于木材是一种天然材料，在生长过程中受到自然环境的影响，有许多天然的缺陷，如节子、弯曲等。这些天然缺陷会影响木材的使用。

常用木材

1、原木

伐倒的树干经过去枝去皮后按规格锯成的一定长度的木材。分为直接使用的原木和加工使用的原木两种。直接使用的原木一般用作桩木、坑木以及建筑工程所用的原木, 通常要求具有一定的长度, 较高的强度；加工使用的原木是作为原材料加工用的, 是将原木按一定规格尺寸锯切后的木材, 又称为锯材, 锯材按其宽度和厚度的比例关系又可分为板材、方材和薄木等。

板材——横断面宽度为厚度的3倍及3倍以上者

方材——横断面宽度不足厚度的3倍者

薄木——厚度小于1mm 的薄木片。厚度在0.05至0.2mm 的称为微薄木。

2、人造板材

利用原木、刨花、木屑、废材及其他植物纤维为原料，加入胶粘剂和其他添加剂而制成的板材。人造板材幅面大, 质地均匀, 表面平整光滑, 变形小, 美观耐用, 易于加工。人造板材种类很多, 常见的有胶合板、刨花板、纤维板、细木工板及各种轻质板等, 广泛用家具、建筑、车船等方面。

胶合板:

用三层或奇数多层刨制或旋切的单板，涂胶后经热压而成的人造板材，各单板之间的纤维方向相互垂直（或成一定角度）、对称，克服了木材的各向异性缺陷。

优点：幅面大而平整美观，不易干裂纵裂或翘曲；具有一定的隔火性、防蛀性和良好的隔音性

刨花板：

利用木材加工废料加工成一定规格的碎木、刨花后，在使用胶合剂经热压而成的板材。 优点：幅面大，表面平整，隔热、隔音性能好，纵横面强度一致，加工方便，表面还可以进行多种贴面和装饰 缺点：重量较大，握钉力较差

纤维板：

利用木材加工废料或植物纤维作原料，经过破碎、浸泡、制浆、成型、干燥和热压等工序制成的一种人造板材

优点：纤维板结构均匀、西魏、各向强度一致，耐磨、不易胀缩、开裂和翘曲

细木工板：

用短小木条拼接，两面再胶合两层表板。优点：坚固耐用、板面平整、结构稳定，不易变形等

空心板：

由空心的木框或带某种少量填充物的木框构成，两面再胶压上胶合板或纤维板。

木材的三切面及选用

（一）横切面。

自垂直于树木的生长方向锯开的切面称为横切面（或横断面）。木材在横切面上硬度大，耐磨损，但易折断，难刨削，加工后不易获得光洁的表面。

（二）径切面

沿树木生长的方向，通过髓心并于年轮垂直锯开的切面称径切面。在径切面上的木材纹理呈条状且相互平行。径切板收缩小，不易翘曲、木材挺直，牢度较好。

（三）弦切面

沿树木生长方向，但是不通过髓心锯开的切面称弦切面。在弦切面上形成山峰状或“V ”字形木纹纹理，花纹美观但易翘曲。

（四）木材的选用

1.木材选用的技术要求

（1）有一定的强度、刚度、弹性和硬度，密度适中，材质结构应细致。

（2）有美观的色泽和纹理

（3）干缩、湿胀性和翘曲变形小

（4）加工性能良好

（5）胶合、着色和涂饰性能良好

（6）弯曲性能良好

（7）有较强的抗气候和虫害性

2.木材选用质量管理

（1）体积计算

（2）含水率。木材中水分的质量占木材的全干质量的百分数为木材含水率

（3）力学性能

木材的成型工艺

木材在由制材品到制成品的过程中，常需要经过多种加工工艺，其中包括锯削、刨削、尺寸度量和划线、凿削、砍削、钻削、拼接，装配和成型后的表面修饰等。

主要工艺：

（1）木材的锯割（2）木材的刨削 （3）木材的凿削 （4）木材的铣削