产品造型材料与工艺——第四讲

产品造型材料与工艺第四讲第二章金属材料及其加工技术第一节常用金属材料及其特性第二节金属材料成型与工艺性第三节金属表面处理与装饰技术2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3连接技术及其工艺性2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性第二节金属材料成型与工艺性2.2.2压力加工及其工艺性定义：压力加工利用外力使坯料产生塑性变形,获得所需尺寸,形状和性能的产品（毛坯或零件）成型方法压力加工中作用在金属坯料上的外力主要有两种性能：冲击力和压力锤类设备产生冲击力使金属变形扎机与压力机对金属坯料施加静压力使之变形2.2.2压力加工及其工艺性压力加工的特点：是一种重要的塑性成型方法，要求金属具有良好的塑性优点：金属塑性变形后，能压合铸坯的内部缺陷，提高金属机械性能，保证强度和韧性，节省金属材料和加工工时缺点：只适用于塑性金属材料，不能加工脆性材料如铸铁、青铜，不能加工形状太复杂的零件比如具有复杂外形和内腔的零件压力加工的种类压力加工的基本生产方式有轧制、挤压、拉拨、锻造(自由锻和模锻)和板料冲压。轧制、挤压、拉拨用于金属型材、板材、管材和线材制造而板料冲压和锻造用于毛胚和零件。锻造加工先将材料预热，使其塑性增强，然后用汽锤、压力使金属材料成型的加工方法，最原始的锻造如铁匠的小火炉、手锤等。锻造要求材料具有两方面的性能可锻性，即承受住重锤的锻打、冲击而不易碎裂，具有良好的韧性。要求定型性好，弹性要适度。若弹性过大，则材料在重锤锻打时承受外力会发生变形，但外力撤出之后又恢复原型，难以成型。预热升温，实际上就是一种强化定型性能的措施。锻造使金属产生的加工硬化是强化金属的重要手段之一,对于纯金属和奥氏体不锈钢等不能采用热处理强化的合金尤为重要。锻造加工可锻造的固体坯料可以是铁碳合金、铝合金、铜合金等。锻造时金属需加热到的温度铁碳合金（钢）约为1150℃——1250℃铝合金约为430℃——500℃铜合金约为800℃——900℃锻造加工锻造分为两种：自由锻：是将近坯料放在上下地铁之间，以冲击力或压力使其变形的加工方法。模锻：金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力的加工方法。自由锻模锻锻造产品的适用材料从化学成分看：一般纯金属的锻造性好。碳钢的锻造性随其含碳量的增高而降低。合金钢的锻造性低于相同含碳量的碳钢。合金钢中合金元素含量愈高,杂质愈多,锻造性愈差。当合金中含有可形成碳化物的元素（如铬、钨、锡、钒、铁等）,则其锻造性显著下降。从合金的组织结构看：纯金属和固溶体（奥氏体）的锻造性能一般较好。铸态组织和粗晶组织塑性较差，锻造性能不如锻轧组织和细晶组织。产品设计中如何运用锻造工艺？在产品的艺术造型上较少应用，一般从功能出发，构成产品的外形，如汽车发动机连杆、日用品小锁头、农具等。自由锻不能加工形状复杂的锻件；外形复杂的零件需要用模锻获得；锻造加工后零件表面光滑、内部组织致密均匀，机械强度高；锻造加工后可直接形成产品外形，尺寸比铸造精确，一般只做少量切削加工即可。锻造加工产品举例锻造法兰盘手锤冲压加工冲压烤漆饰品冲压加工冲压加工成型是利用冲模使板材产生分离或变形的加工方法。通常在冷态下进行，又叫冷冲压。冷冲压工艺是产品上外形零件的加工主要的手段之一，冷冲压工艺对当今的大批量生产很有意义，由于产品需要频繁的变换造型，在这种竞争的形势下，采用冷冲压工艺具有特殊的意义。板料冲压板料冲压特点：（1）可冲压出形状复杂的零件，废料较少。（2）产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好。（3）能获得质量轻，材料消耗少，强度和刚度较高的零件。（4）冲压操作简单，工艺过程便于机械化和自动化，成品率很高，故零件成本低。板料冲压冲压成品需进行很多工序，其基本工序有分离工序和变形工序两大类：分离工序使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断、修整等。变形工序使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序。如拉深、弯曲、翻转、成型等。冲压材料的合理选择（1）冷冲压适用的板材厚度一般不超过6mm厚。材料一般用塑性较高的低碳钢、铜、铝、及其合金，此外非金属材料也常用于冲压加工，如胶木、云母、石棉板、皮革等等。（2)在保证工艺的前提下，应尽量以廉价材料代替贵重材料，以薄料代替厚料，以黑色金属代替有色金属，这样，可使占制品成本60％－80％的材料费用大大降低，以利提高产品的市场竞争能力。（3）设计零件的外廓尺寸尽量考虑板材的尺寸规格标准，使毛坯排样时废料浪费最少。反之，选择材料尺寸时，应考虑尽量为毛坯尺寸的整数倍为好。冲压设备1.剪切下料设备是冷冲压工艺中准备工序使用的设备，手工制作模型时使用更多。分为:手工剪刀设备和工具小剪刀中小型剪刀设备：振动剪刀、斜口剪刀、钣金铣床；大型剪切设备2、弯曲成型设备：板料折弯压力机、卷板机、拉型机3、压制设备冲压产品的设计特点1形状简单、对称，尽可能采用圆形或矩形，受力均匀产品表面均由上下模具切、拉、挤而成，故产品形状设计应简单，符合模具的一端（型腔）或两端（通模）是开放式的特点，应能制造。2为保证模具强度和寿命，尽量避免长槽或长悬臂的结构设计形成产品表面的冲压深度不能过长，过长时是分几次压成的，产品的拉、挤成型表面不应设计过长。（如：氧气瓶）在型腔内可设计复合型腔特点的形貌（孔窝、凸台等）以及通孔等。如：汽车车身3既充分利用冲压件有薄、匀、轻、强的特点，又要满足冲压产品需要较强刚度的要求在产品上灵活设计加强筋、肋、起伏或翻边（如：盆、锅等）等以提高其刚性。并且这些在制造时可一次成型，是其他方法难以做到的。4对拉伸件，尽量设计成回转体，尤其是柱形最好一般不设计成空间曲面如汽车覆盖件；工件结构特别复杂需多次冲才能压完成时，可以分解冲压后焊接，降低模具费用和加工周期5注意最小拐角、折弯等与板厚有关的设计（查手册）。如：小支撑板等冲压成型产品举例冲压即能制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造像汽车大梁、压力容器一类的大型零件。尺寸和形状精度即可满足一般要求，也可制造精度在微米级、形状复杂的零件。冲压在汽车（车身、底盘、油箱、散热器片等）、机械、家用电器、日用品（水壶、铝锅、厨具等）、电机、仪表（支架、挡板、壳体等）、航空航天、兵器制造中具有十分重要的地位。在罐装食品、饮品的封装等方面应用广泛。艺术造型上，常做标牌、锁具、灯具、笔、服装上的装饰品等。以壳体类零件居多,冲压产品尺寸精确，表面光洁度好，一般冲压后不再或很少进行机械加工.冲压壳体冲压（拉伸）件冲压饰品2.2.1铸造加工及其工艺性2.2.2压力加工及其工艺性2.2.3连接技术及其工艺性2.2.4切削加工（机械加工）及其工艺性2.2.5特种加工及其工艺性第二节金属材料成型与工艺性2.2.3连接技术及其工艺性连接分为机械连接、冶金学的连接、化学的连接三种。机械连接：用螺纹连接、配合连接或者用铆钉、铆接、铰链、卷边等方法把连接件固定起来。冶金学的连接：熔化金属进行接合，即焊接。化学的接合：是最近急速发展起来的，是用粘合剂粘接。2.2.3连接技术及其工艺性（一）机械连接：机械连接分为可拆卸连接和永久性连接两种。可拆卸连接有螺栓与螺母连接，双头螺柱连接，螺钉连接，销连接等。永久性连接有铆钉连接，压扩、卷边，咬缝等接合方法2.2.3连接技术及其工艺性铆接通过铆钉和加压，使两部分分离的金属形体形成不可拆连接的连接方法。铆钉必须是塑、韧性好，强度高的材料，如铝及其合金（最常用）、铜等。使用时应计算铆钉所承受的剪切力，使其不超过许用值。铆接的特点：接头处可见明显的铆钉头突起，不适合需要连接后表面平滑的外形。接头处是紧密压合，密气和密水性能不好，不适合密闭容器的连接。举例.日用品:铝锅把和锅体的连接；工业:桥梁行架发射塔2.2.3连接技术及其工艺性铰链连接:可拆连接形式：（能使两个相互连接的物体转动一定角度的连接零件）连接方式：用铰链和螺钉主要用于经常开启的连接，如机床仪表箱的外盖、箱体的外盖、铁门、工艺品的外盖、家具等。2.2.3连接技术及其工艺性螺纹连接，属于可拆连接。有过孔螺纹连接,全螺纹孔连接特点：可拆连接、拆装方便，连接件相对位置固定，连接强度高。螺孔的设置：距离和高度应能使用工具。2.2.3连接技术及其工艺性配合连接形式：一般用在需有相对转动或运动的两个零件之间。特点：一般可拆，连接强度大，转动效果好。应用方面：轴和轴承、固定物体和回转物体的连接、组合部件的连接等。2.2.3连接技术及其工艺性（二）焊接通过加热、加压,或两者共同作用(用或不用填充材料)使两部分分离的金属形体形成原子结合的一种永久性连接方法。一般情况，低碳钢的焊接性能较好，焊接过程中不出现裂纹、气孔、夹渣等，焊后接头强度与母材相近，高碳钢，铸铁等较差。在灯饰，金属家具等产品的加工过程中，都会用到。2.2.3连接技术及其工艺性焊接方法的分类：熔焊：将工件需要焊接的部位加热至熔化状态，一般须填充金属并形成共同的熔池，待冷却凝固后，使分离工件连接成整体。最常用有电弧焊、气焊、电子束焊、激光焊。特点：是金属的熔化与结晶，类似于小型铸造过程，焊接时填充金属的目的是使焊接接头符合标准尺寸、外形，渗入有益元素以加强强度，熔焊的能量可以是电能、化学能和机械能。熔焊电弧焊：焊接电弧是在电极与工件间的气体介质中长时间而有力的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。手工电弧焊：利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的．特点：只适合较大的焊缝，焊接表面有明显的疤痕，如要美化效果需再进行表面处理。焊缝密气、密水性能好，机械强度，力学性能不低于母材。主要用在毛坯生产和制造各种金属结构件（如高炉炉壳、建筑构架、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、矿山机械、大型转子轴、缸体等）压焊压焊：在压力（或同时加热）作用下，被焊的分离金属结合面处产生塑性变形（有的伴随有熔化结晶过程）而使金属连接成整体。常见的如电阻焊（点焊、缝焊、对焊）。特点：金属待焊部位发生塑性变形，挤碎或挤掉结合面的氧化物及其他杂质纯净的金属紧密接触，形成原子间的引力而牢固结合。加热的目的：增加原子的动能，以提高塑性和降低顶锻力压焊电阻焊原理：四个阶段，加压同时加热、焊接、维持、停止。特点：焊接面积很小，牢固（两材料熔合），表面不容易看见,外观好。设备简单，经济，成本低。大部分用于焊接金属冲压件。钎焊熔点低于被焊金属的钎料熔化后，填充到被焊金属结合面的空隙之中，钎料凝固而将两部分金属连接成整体。常见有：锡焊、铜焊、银焊。特点：被焊金属不熔化，钎料熔化，依靠熔化的钎料对被焊金属的润湿性（浸润与附着能力）和毛细作用与被焊金属形成结合，从而将分离的金属连接。热源：火、电加热。例，锡焊设备简单（电烙铁），工业化生产也有焊机。焊接温度不高，主要用于电子元器件焊接，铜器焊接。原理：用比被连接金属熔点低的钎料（银、锡等），使其加热时熔化流入接头缝中，使焊缝实现原子级的结合。为使焊缝结实，事先用打磨、酸洗、或钠、钾、锂、及硼化物、氟化物、硼酸等处理表面。粘合剂粘接粘接金属材料是近几年随着化学工业的高速发展起来的一种新方法，常用合成树脂类粘接剂。粘接剂的粘接力极大，粘接方便易行，在任何位置都可以粘接，所以应用越来越多。粘接的外观质量更理想，但是在受热条件下不能使用.2.2.3连接技术及其工艺性在造型设计中如何设计、运用合适的连接方法？冰箱的连接设计举例冰箱的主要连接：门与箱体的连接把手与门的连接背面的钢板与箱体的连接内部的塑料腔体与外壳的连接冰箱连接中常用的方法：点焊铰链连接螺纹连接铆接配合连接（轴连接）粘结冰箱的连接设计举例小结第二章第二节金属材料成型与工艺性铸造加工及其工艺性压力加工及其工艺性连接技术及其工艺性切削加