设计材料及加工工艺+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；

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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）

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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）

laminated object manufacturing--LOM

层叠成型法

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。

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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

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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。

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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

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