设计材料与加工工艺+答案

2014设计材料及加工工艺期末总结

第一章概论

1.产品造型设计的三个要素及相互关系。

产品设计的三要素：产品的功能、产品的形态、材料与工艺

功能与形态建立在材料与工艺基础上，各种材料的的特性因加工特性不同而体现出不同的材质美，从而影响产品造型设计。

2.材料的特性有哪些？

固有特性：

物理特性：(1)物理性能：密度、硬度 (2)(力学)机械性能：强度、弹性和塑性、脆性和韧性、刚度、耐磨性等 (3)热性能：导热性、耐热性、热胀性、耐燃性、耐火性 (4)电性能：导电性、电绝缘性 (5)磁性能：铁磁性、顺磁性、抗磁性 (6)光性能：对光的反射、折射、透射

化学特性：(1)抗氧化性 (2)耐腐蚀性 (3)耐候性

派生特性：（1）加工特性（2）感觉特性（3）环境特性（4）经济性

第二章材料的工艺特性

1 什么是材料的工艺性？

材料适应各种工艺处理要求的能力。

材料的工艺性包括成型加工工艺、连接工艺、表面处理工艺

2 材料成型加工工艺的选择。

（1）去除成形（减法成形）

在坯料成形过程中，将多余部分去除而获得所需形态，如车削、铣削、刨削、磨削等。（2）堆积成形（加法成形）

通过原料堆积获得所需形态。如铸造、焙烧、压制、注射成型。

（3）塑性成形

坯料在成形过程中不发生重量变化，只有形状的变化，如弯曲、压制、压延等。

3 材料表面处理的目的、工艺类型及选择。

表面处理的目的:（1）保护产品（2) 赋予产品一定的感觉特性

工艺类型及选择

A 表面精加工

工艺技术：研磨、抛光、喷砂、蚀刻效果：平滑、光亮、肌理

B 表面层改质

工艺技术：化学处理、阳极氧化效果：特定的色彩、光泽

C 表面被覆

技术：镀层、涂层（PVD、CVD）、珐琅、表面覆贴

效果：覆盖产品材料，表面呈现覆贴材料的效果。

4 快速成型的原理及特点，了解几种快速成型技术。

快速成型的原理：是基于离散、堆积原理而实现快速加工原型或零件的加工技术。

过程：1）利用计算机辅助设计（CAD）技术，建立零件的三维模型；

2）对该三维（3D）模型进行分层离散处理，将三维模型数据变成二维(2D)平面数据。把3D 模型离散为沿某一方向的多个平面，将3D模型变成2D截面轮廓信息。（相当于把立体切成一层层薄片）。

3）将二维平面数据传输给快速成型系统中的工作执行部件。

4）该执行部件按特定的成型方法，按截面轮廓形状信息进行逐点扫描，将薄板材料逐层进行加工，逐层堆积形成三维实体。

5）后处理成为实体原型/零件。

快速成型的特点：

实体加工→层片加工，不用刀具、模具，加工难度降低，成型速度提高。

（1）实现了设计与制造一体化

（2）设计易达性

（3）快速性。缩短产品开发周期。

（4）产品材料的广泛性。

了解几种快速成型技术：

（1）光固化成型（又称SLA成型工艺）

目前RP领域中最普遍的制作方法，利用液态光敏树脂聚合物进行选择性固化成型，成型机为立体平板印刷机。

原理：按特定的路径，数控激光扫描液态光敏树脂，每扫描一层就固化生成零件的一个截面，平台下降一个液面……，3D实体

应用：制作塑料件

1）中、小型零件

2）中空的立体树脂模，可代替蜡膜，作为铸造浇注用模具，制作各种精密合金铸件。（2）选择性激光烧结成型（又称SLS成型工艺）

在激光照射下，利用各种固态烧结粉末（金属、陶瓷、树脂）进行选择性烧结成型。

成型原理：按特定的路径，数控激光扫描粉末，每扫描一层就烧结固化生成零件的一个截面层，平台下降一层，覆盖一层粉末，……，3D实体

应用：1）直接做商品样件

2）作为铸造浇注用陶瓷/金属模具和其他模具。

（3）熔丝沉积成型（又称FDM成型工艺）

原理：利用电加热方式，使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金），将丝材在喷头中加热至略高于熔点，使丝材成熔融状态。在数控状态下喷头做X-Y平面扫描，将熔融的材料从喷嘴喷射出来，涂敷在工作台上，冷却后生成零件的一个截面层，平台上移一层，……，3D实体。

应用：制作中、小型塑料零件

（4）分层实体成型（又称LOM成型工艺）

层叠成型法laminated object manufacturing--LOM

原理：以薄片材（纸、塑料薄膜、复合材料，片材背面涂有热熔胶，）为原材料，在数控状态下，激光按实体截面轮廓切割薄片材，切割完一层利用热碾压装置是该层与下层粘合在

一起，然后下层切割，……，进层层叠加形成3D实体。

应用：制作尺寸较大的零件

第三章材料的感觉特性

1 材料的感觉特性包含的内容

1）触觉质感 2）视觉质感 3）自然质感 4）人为质感

2 质感设计及其作用

材料的质感是设计材料的一个重要特征，质感设计是工业产品造型设计中一个重要的方面，是对工业产品造型设计的技术性和艺术性的先期规划。

质感设计的形式美法则：调和与对比法则，主从法则。

质感设计的运用原则：合理地使用材料，艺术性地使用材料，创造性地使用材料。

作用：

1）提高适用性通过触觉质感设计

2）增加宜人性通过视觉质感设计

3）塑造产品的精神品味产品的精神品味就是产品的意境

4）达到产品的多样性和经济性良好的人为质感设计可替代和弥补自然质感

5）创造全新的产品风格大胆选择材料，非常规手段加工处理材料，将差异很大的材料组合在一起

3 材料抽象表达的含义

面对一种材料，人们往往会产生种种感觉，种种感觉的扩张，种种感觉与感觉的联系，就会产生将材料做这样或那样处理的种种有意或无意的设计行为，这种设计行为就称为材料的抽象表达。材料的抽象表达不仅体现了装饰性，还体现了设计师的设计理念，即表达了设计作品外在质感与内在情感的有机结合，从知觉的角度将材料视做有生命的物，富裕作品新的生命力。

材料的抽象表达对设计有直接意义。材料作为设计的表现主体，以其自身的固有特性和感觉特性参与设计构思，其审美特征被充分挖掘，为设计提供了新的思路、新的视觉经验和新的心理感觉。

4 材料的美感有哪些？

色彩美感，肌理美感，光泽美感，质地美感，形态美感

第四章材料与环境

绿色设计的特征、原则及方向

绿色设计的特征：

1）环境协调性

将环境问题、产品的性能与造型设计各因素进行综合考虑，防止产品在满足功能的过程中对环境产生污染破坏，产品报废时避免或尽量减少有害废弃物，实现最低的成本、最高的重复利用和再生利用。

2）价值创造性

A 结构与零部件设计的结构技术的更新

B 材料与工艺选择的污染防范技术的运用

C 人与环境整体关系中，进行创新设计，提高产品总体价值。

3）功能全程性

绿色设计认为产品的的生命周期为：从产品制造、使用、以至使用结束后的处理及回收的整个过程。

绿色设计是将产品的功能与价值贯穿到产品开发直至废弃全过程的设计思想与策略。

绿色设计的原则：

1) 研究：产品的环境对策。研究产品全生命周期过程对人和自然的影响，在设计过程中充分考虑环境效益，尽量减少对环境的副作用。

2) 保护：最大限度保护环境。措施：减少原材料的使用，降低自然资源的消耗，降低各种技术、工艺对环境的破坏。

3) 减量化：减少物质浪费与环境破坏。措施：设计中减少产品体量，精简产品结构，加工过程中降低能耗，流通环节降低成本，消费过程中减少污染。

4) 回收：产品废弃物中有利用价值的资源或部件

5) 再利用：①利用零件的互换性更换零件，重新启用装置

②将废弃装置中有用的零件拆卸出来重新利用。

6) 再生：将废弃物作为资源回收

绿色设计的方向：

1）绿色产品的设计

（1）产品的简约设计

目的：降低资源与能源消耗

措施：产品体量：轻、薄、短、小。产品结构：结构精简。产品品质：高性能。（2）产品的可拆卸设计

2）绿色包装设计

目标：降低包装成本，降低包装废弃物对环境的污染.

对策：无包装设计、可再利用包装设计

3) 开发绿色能源

绿色能源——耗能低、环保性好、储量丰富及可再生能源。

4) 创造有生命的材料

第五章金属材料及加工工艺

1 金属材料的分类

1）按金属材料构成元素分类

构成元素分：黑色金属：生铁(C＞2.11%)，钢(C 0.0218%~2.11%)分为碳素钢和合金钢

工业纯铁(C＜0.0218%)

有色金属：铝及铝合金，铜及铜合金，其他金属基合金

特殊金属材料：非晶态金属、形状记忆合金、减震合金、超导合金等

2）按材料性能和用途分类

金属结构材料、金属功能材料

3）按材料加工工艺分类

铸造金属材料、变形金属材料、粉末冶金材料

4）按材料密度分类

轻金属、重金属

2 金属材料的基本特性

金属材料具有晶体结构、金属键结合。

1）金属特有的色彩、光泽，光反射能力，不透明。

2）优良的力学性能高弹性模量、熔点、强度、刚度、韧性

3）优良的加工性能铸造成型、塑性成型、切削加工、焊接

4）表面工艺性好适于各种表面处理工艺

5）电与热的良导体

6）可制备金属间化合物，与其他金属或非金属元素形成多元合金

7）化学性质活泼，易于氧化。

3金属材料的成型加工工艺有哪些？铸造，金属塑性加工，切削加工，焊接加工，粉末冶金（1）铸造的主要工艺、特点及应用

主要工艺：（1）砂型铸造（2）熔模铸造（3）金属型铸造（4）压力铸造（5）离心铸造

铸造的特点：

1）优点：生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，可铸出各种复杂形状，适合不同材料，批量生产。

2）缺点：晶粒粗大，工艺复杂，易产生缺陷，铸件力学性能比锻件和焊件差。

砂型铸造：在砂型中生产铸件的铸造方法，以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。

特点：所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，是铸造生产中的基本工艺。

应用：钢铁和大多数有色合金铸件。

熔模铸造：又称"失蜡铸造"，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种方法，由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度，故又称"熔模精密铸造"。

特点：工艺过程较复杂，且不易控制，使用和消耗的材料较贵，故它适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。

应用：可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。

金属型铸造：又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件；铸件的重量不可太大；壁厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。

优点：铸件表面光洁度和尺寸精度均优于砂型铸件，铸件的组织结构致密，力学性能较高应用：适用于中小型有色金属铸件和铸铁铸件的生产。

压力铸造：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。

离心铸造：将液态金属浇入旋转的铸型里，在离心力作用下充型并凝固成铸件的铸造方法。特点：金属液在离心力作用下充型和凝固，金属补缩效果好，铸件外层组织致密，非金属夹杂物少，机械性能好；不用造型、制芯，节省了相关材料及设备投入。铸造空心铸件不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说，离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺，但须特别注意采取有效的安全措施。

应用：大批生产管、筒类铸件，如铁管、铜套、缸套、双金属钢背铜套、耐热钢辊道、无缝钢管毛坯等，还可用于轮盘类铸件。

（2）塑型加工的主要工艺： 1）锻造 2）压制 3）挤压 4）拔制 5）冲压

（3）切削加工工艺：1）车削 2）铣削 3）刨削 4）磨削 5）钻削 6）镗削 7）钳工

4 金属材料的普通热处理工艺有哪些？

退火、正火、淬火、回火

5 金属材料的表面处理技术

（一）前（预）处理

目的：清除工件表面的污物、锈蚀及氧化皮等，清洁表面。

方法：机械处理、化学处理、电化学处理

（二）表面装饰技术

1）表面着色：化学着色、电解着色、阳极氧化染色、镀覆、珐琅、涂覆、热处理着色

2）表面肌理工艺：表面锻打、研磨、抛光、镶嵌、蚀刻

第六章高分子材料及加工工艺

1 高分子材料的特点

A 可分割性

B 弹性

C 可塑性：加热后塑性成性能好

D 绝缘性：对电、热、声的绝缘性能好

2 高分子材料的三种力学状态及在成型加工中的意义

玻璃态

高弹态 Tg-Tf 大（高弹）形变、可逆

黏流态 >Tf 大形变、不可逆

Tg与Tf的意义

（1）含义

Tg---高分子材料使用的温度上限，高于Tg时，变形大或断裂， Tg衡量材料的耐热性。Tf----高分子材料的成型温度，成型加工难易的标志。

（2）实际应用

常温下呈玻璃态，则该聚合物用作塑料。

常温下呈高弹态，则该聚合物用作弹性材料，如橡胶。

3 塑料的性能特点

塑料能自由成型并易加工。虽然塑料制品的性能,根据其种类、成型条件及使用环境等变化较大,但与其它材料相比较,塑料具有良好的综合特性。

1）多数塑料制品有透明性,并富有光泽,能着鲜艳色彩。

2）质轻,耐振动与冲击,比强度高（按单位质量计算的强度）

减摩、耐磨和自润滑，减震消音，具有柔韧性和弹性。

3）塑料电绝缘性、热物理性能好。

4）优良的化学稳定性能，耐腐蚀性好。

5）塑料成型容易、加工方便,能大批量生产。

4 塑料的主要成型工艺

注射、挤出、吹塑、压制

5 塑料二次加工工艺中的二次热成型

热塑性塑料在一定温度下可以软化、熔融流动，冷却后获得一定的形状，再加热又可再软化乃至熔融流动，所以二次成型仅适用于热塑性塑料。

将热塑性塑料加热到一定温度T (Tg﹤T﹤Tf), 利用模具进行成型。

热成型方法有多种, 成型过程中对坯件施加的压力, 基本上都是以真空、气压或机械压力三种方法为基础加以组合或改进而成的。

6 塑料的表面处理工艺

涂饰、镀饰、烫印、压花、彩饰等。

7 按热行为分类，塑料分为哪几种？每种塑料各举几个应用实例。

热塑性塑料：

1）聚乙烯塑料（PE）

薄膜：线型低密度聚乙烯地膜覆盖用薄膜（应用最多）、农用大棚薄膜、包装用薄膜、果品保鲜用薄膜、防化膜、其他吹塑超薄薄膜等。

型材，中空制品（水壶）和注射制品。

2）聚丙烯塑料（PP）

工农业：喷灌管、化工管道、板材、电缆包覆和护套、打包带、包装袋、瓦楞板等。

机械零件：法兰、齿轮、手把、接头、汽车水、油箱壳体、电视机壳体等。

日用品：水杯、食具、玩具、饮料、药品容器、包装薄膜如玻璃纸透明。

纺织品：丙纶纤维、无纺布等。

3）聚苯乙烯塑料（PS）

用于制作透明或色泽鲜艳的各类制品，如文具、灯具、灯饰、室内外装饰、化妆品装饰、果盘，电子工业、仪表设备外壳、车灯罩、光学零件（三棱镜、透镜），另外用悬浮法制成不同密度的泡沫塑料可做隔音包装、隔音、防震、救生材料等。

4）聚氯乙烯塑料（PVC）

衣物类

工农业：农用薄膜（透气、透紫外线）、雨布耐酸、碱管、绝缘层、电线管、医药卫生器具。国防：结构零件。

建材：墙板、天花板、目前大量用于饰条、室内门窗、塑钢门窗等。

5）ABS塑料

电器部件：电器外壳、电话机外壳、电视机外壳、笔记本电脑外壳、显示器外壳等；

汽车部件：台面等

用品：旅行箱、安全帽等；

板材：电冰箱内衬、建筑门窗、百叶窗

管材：ABS管、管件等

其它：该材料电镀性能良好，可获得金属质感的电器零件外观、奖牌、饰件等

6）聚酰胺塑料（PA）俗称尼龙

轴承、滚轮、齿轮、叶片、密封圈、电缆接头，薄膜、管材，假发，棉纶。大型汽车壳体7）聚碳酸酯塑料（PC）

机械结构、包装材料，开关，电器，电视机面板，照相机电动工具壳体，薄膜，建筑采光板8）氟塑料热热塑性

薄膜、管材、棒料、轴承、垫圈、阀门、各种型材及零件等，适用于高温和环境恶劣条件下使用。

热固性塑料：酚醛塑料（PF）应用：电子管插座、开关、灯头及电话机

第七章木材及加工工艺

1.木材的构造、性能特点

木材的构造：木材来自树木，树木由根、干、枝、叶等部分组成，我们所说的木材主要来自树木的树干部分，是由树木砍伐后经初步加工而得的，是由纤维素、半纤维素和木质素等组成。树干是木材的主要部分，由树皮、木质部和髓心三部分组成。

性能：

1）木材由疏松多孔的纤维素和木质素构成，因树种的不同，密度也不同，一般为0.3-0.8g/cm3，木材的密度直接受含水率变化的影响。

2）木材具有天然的色泽和美丽的花纹。

3）具有平衡和调节空气的作用

4）具有可塑性

5）易于加工成型和添饰

6）良好的绝缘性能

7）易变性，易燃

8）各向异性

2 木材的成型加工工艺及连接方法

木材加工的基本方法：

1）锯割：最常用

2）刨削：主要工艺之一。木材经过刨削加工后，可以获得尺寸和形状准确、表面平整光洁的构件。

3）凿削：木制品构件间结合的基本形式是框架榫孔结构。

4）铣削：木工铣削机床是一种万能设备，既可用来截口、起线、开榫、开槽等直线成型表面加工和平面加工，又可用于曲线外形加工。

5）弯曲成型：是用实木软化弯曲或层积木材弯曲成型制作曲木部件的方法。

连接方法：1）榫结合 2）胶结合 3）钉结合 4）板材拼接方式

第八章无机非金属材料及加工工艺

1 玻璃的性能特点

1）强度：抗压强度较高，抗拉强度较低

2）硬度：脆性材料，硬度较大，比一般金属硬，不能用普通刀具进行切割

3）光学性能：高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性，可吸收或透过紫外线和红外线、感光、光变色、光存储和显示等重要光学性能。

4）电学性能：常温下是电的不良导体，具有较高电阻率，可做绝缘材料。温度升高，导电性迅速提高，熔融状态变为良导体。

5）热性质：导热性很差，制品越厚，承受温度急剧变化的性能越差。

6）化学稳定性：较稳定。耐酸腐蚀性较好，耐碱腐蚀性较差。

2 玻璃的主要成型方法

1）压制成型：在模具中加入玻璃熔料加压成型。多用于玻璃盘碟、玻璃砖的制作。

2）吹制成型：最常见，将玻璃黏料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。主要用以制造空心产品，水杯、灯泡等。

3）压延成型：用金属辊将玻璃熔体压成板状制品。用于生产压花玻璃、夹丝玻璃。

4）拉制成型：利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制和水平拉制。用于生产平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维。

5）浮法成型：是生产平板玻璃的主要工艺方法。质量较高。

3 玻璃的二次成型加工及表面处理

玻璃制品的二次加工：

冷加工：1）研磨 2）抛光 3）切割 4）磨边 5）喷砂 6）钻孔 7）车刻又称刻花

热加工：1）火焰切割 2）火抛光 3）锋利边缘的烧口

表面处理：包括表面着色、表面涂层、玻璃表面光滑面与散光面的形成。

1）玻璃彩饰：描绘、喷花、贴花、印花

2）玻璃蚀刻：利用氢氟酸的腐蚀作用，使玻璃获得不透明毛面的方法。

第九章复合材料及加工工艺

1 复合材料的性能特点

1）比强度（强度/密度）、比模量（弹性模量/密度）高

2）良好的抗疲劳性能

3）良好的减摩、耐磨性能

4）减振能力强

5）高温性能好

6）化学稳定性好

7）成型工艺简单灵活

2常用复合材料的特点及应用

（1）玻璃纤维增强塑料

特点：质轻，坚硬，比强度高，耐腐蚀性、绝热性和电绝缘性良好

应用：用于制作化工设备、汽车车身、船体等大型结构件，广泛用于化工、机械、建筑、运输等方面

（2）碳纤维增强材料

特点：强度比钢大、比重比铝小的新颖材料，与玻璃纤维比，碳纤维具有高强度、高模量的特点。在隔绝空气的条件下、经高温碳化，都可制成碳纤维或石墨纤维。在2000℃以下烧成的称为碳纤维。

应用：可用来增强塑料、金属和陶瓷。

3 了解复合材料的几种成型加工工艺

1）手糊成型：以手工业为主 2）纤维缠绕成型 3）模压成型

4）喷射成型 5）其他成型：连续成型、离心成型、树脂注射成型、回转成型、裱衬成型

第十章产品设计中材料的选择与开发

产品设计用材料的选择：

1.实用性原则：1）材料的外观：主要考虑材料的感觉特性 2）材料的使用性能：主要由材

料的固有特性决定

2.工艺性原则：材料应具有良好的工艺性能，符号和造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，应与加工设备及生产技术相适应。

3.经济性原则：在满足设计要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、价格低廉的材料，使产品具有较强的竞争力，以获得最大的经济效益。

4.环境性原则：材料选用要从环保的角度考虑，符合绿色设计要求，选用有利于生态环境保护的材料。

5.创新性原则：新材料的出现为产品设计提供更广阔的前景，满足产品设计的要求。