材料成型与工艺

1第1章绪论1.1概述1.1.1材料的分类按材料的发展历史可分为：天然材料、加工材料、合成材料、复合材料、智能材料或应变材料、纳米材料；按材料的化学结构可分为：金属材料、无机材料、有机材料；按材料的来源可分为：天然材料、加工材料、人造材料；按材料的成分可分为：有机材料、无机材料、复合材料、其他材料；1.1.2材料的特性①物理特性，如：密度、熔点、比热容、热导率等；②化学特性③力学性能，如：强度、刚度、弹性、塑性、硬度等。④感觉物性，如：触觉质感、视觉质感、自然质感、人为质感。⑤成型工艺性，⑥表面工艺性⑦环境耐候性⑧经济性⑨环保性1.2产品设计与材料产品三要素：功能、形态、材料。1.3产品设计与成型工艺成型方法有：金属切削、铸造、注塑方法等。成型工艺具有时代性。1.4产品设计与表面处理进行表面处理的功效：①保护产品，②美化产品，③强化产品功能，④增强产品功能。1.5产品设计与选用材料的基本原则1.5.1使用性原则（如椅子的设计，如果是在固定的使用可选用带有软垫的木质椅子，如果在动态环境中使用，选用转移更为合适。1.5.2工艺性原则，产品质量手工艺影响最大，如果在设计中忽略了成型工艺性，轻则影响到美观，严重时会导致产品无法使用。1.5.3性价比原则，将实用、美观、经济师三者结合起来考虑产品的设计。1.5.4环保性原则1.6材料的发展趋势1.6.1新材料的界定与分类新材料可分为以下几个领域：电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工材料等。1.6.2新材料简介①电子信息材料：是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。②新能源材料：包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源及二次能源中的氢能。1.6.3纳米材料，按物理形态可分为：纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体、纳米相分离液体。1.6.4先进复合材料2按用途可分为：结构复合材料、功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由增强材料和基体材料构成。功能复合材料是具有力学、物理、化学、生物等性能的复合材料。1.6.5智能材料智能材料的特性：①传感功能，②反馈功能，③信息识别与积累功能，④响应功能，⑤自诊断能力，⑥自修复能力，⑦自调节能力。3第2章金属材料2.1金属材料的特性及分类2.1.1金属材料的特性①优良的综合机械性能较高的强度良好的弹性、良好的塑性、良好的韧性、良好的刚度、良好的硬度；②独特的物理性能密度较大，优异的导电性、神奇的磁性、特有的色泽、优美的音质、③抗氧化、抗腐蚀能力较差；④特有的热处理性能金属材料在固态下通过适当的加热，保温和冷却，可以调整其内部的组织结构，从而改善材料性能；⑤多样化的表面处理方式，防止金属的腐坏，可采用喷漆，喷塑、电镀、氧化等；⑥优良的成型工艺性，可以切削加工，铸造、锻造、冲压、焊接等；⑦丰富的人文特性历史悠久色彩炫目高贵；⑧成本高、材料的价格高、加工成本高；⑨可持续性差。2.1.2常用金属材料的分类普通碳素结构钢优质碳素结构钢（机械制造用钢）碳素钢碳素工具钢碳素铸钢工程合金结构钢（低合金结构钢）合金结构钢（1）钢铁材料机器合金结构钢合金钢合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢不锈钢特殊性能钢耐磨钢耐热钢灰铸铁可锻铸铁铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁合金铸铁纯铝（2）铝及铝合金铸造铝合金铝合金变形铝合金纯铜（3）铜及铜合金黄铜铜合金青铜白铜2.1.3金属的力学性能①强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度（σs）4和抗拉强度（σb）。②塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。③硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。2.1.4金属的工艺性能①铸造性（可铸性）：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。②锻造性能：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分。③焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。④切削加工性：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。5第3章金属的加工成型工艺3.1铸造工艺按铸型材料可分为：砂型铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造、熔模铸造、石膏型铸造、消失模铸造。3.1.1铸造工艺的特点①适用性强，②可铸造各种合金铸件，③铸造的成本低廉；3.1.2常用的铸造金属①铸铁；②铸铜；③铸铝；④其他（黄金、白银、白金）；3.1.3常用的铸造工艺（1）砂型铸造制造流程：①模型制作；②制作芯模；③调制模砂；④制作砂型；⑤浇注；⑥落砂清理、检验。（2）熔模铸造熔模铸造工艺过程：压铸蜡模、组合蜡模、结壳脱蜡、浇注、落砂和清理。3.2压力加工工艺3.2.1锻造基本方法：自由锻、模锻、手工锻造。3.2.2冲压（1）特点：可冲压出形状复杂的零件，材料利用率高；冲压件尺寸精度高，表面粗糙度低，互换性能好；可获得强度高、刚性好、质量轻的冲压件；冲压操作简单，工艺过程便于实现机械化、自动化，生产效率高；冲压模制作复杂，要求高，成本高。（2）冲压设备：剪切下料设备，弯曲成型设备，压制设备。（3）冲压模具：简单模、连续模、复合模。（4）基本工序：①分离工序：剪切、落料和冲孔、修整；②变形工序：弯曲、拉深、翻边、成型、缩口3.3切削加工工艺钳工金属切削加工车削加工机械加工铣削加工数控加工3.4快速成型技术3.4.1快速成型技术的特点：（1）先进技术集成度高；（2）全新的产品制造方法；（3）立竿见影；（4）成本低，生产投入少；（5）零件精度低，力学性能差，可用材料有限；（6）只适用于中小零件的制作。3.4.2快速成型技术的分类光固化成型法、叠层实体制造法、激光选区烧结法、熔融沉积法、6第4章塑料及其成型工艺4.1概述4.1.1塑料的组成合成树脂、添加剂（填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、固化剂）4.1.2塑料的分类通用塑料按使用特性分类工程塑料特种塑料热塑性塑料按热性能分类热固性塑料按加工方法分类：模压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料、反应注射塑料等。4.1.3塑料的一般特性（1）塑料的优点：①质轻、比强度高；②电绝缘性、阻热性能好；③优良的化学稳定性能；④减摩、耐磨性能好；⑤多数塑料具有透光和保暖性能；⑥减震、消音性能好；⑦能着鲜艳色彩，并富有光泽；⑧防水性、气密性好；⑨成型加工方便，能大批量生产。（2）塑料的缺点：①塑料不耐高温，低温容易发脆；②塑料制品易变型；③机械性能易发生蠕变，损坏后不易修复；④塑料的“老化”现象是塑料制品的一个严重缺陷；⑤污染环境。4.2常用塑料的特性及应用4.2.1聚氯乙烯（1）聚氯乙烯的特性：白色粉末状，具有良好的的化学稳定性和较好的力学性能，电器绝缘性能优良，价格低廉。其缺点有：不耐高温，硬质制品脆性大，在光和热的作用下易老化。（2）聚氯乙烯的应用①压延成型制品；②挤出成型制品；③注射成型制品；④其他方法成型制品。4.2.2聚乙烯（1）聚乙烯的特性：纯净的聚乙烯是乳白色的蜡状固体粉末，无味、无嗅、无毒。聚乙烯来源丰富，价格较低，具有优异的电绝缘行和化学稳定性，易于成型加工。（2）聚乙烯的应用①低密度聚乙烯；②高密度聚乙烯；③超高分子量聚乙烯。74.2.3聚丙烯（1）聚丙烯的特性：具有较高的抗张强度、刚度、硬度、耐应力开裂性、透明行和耐热性，突出的延伸性的抗弯曲疲劳性。（2）聚丙烯的应用：大量用于打包带、困扎绳、编织袋的生产。还大量运用于汽车工业中。4.2.4聚苯乙烯（1）聚苯乙烯的特性：质地坚硬，呈刚性，化学性能和电绝缘性能优良。（2）聚苯乙烯的应用①通用级PS；②冲击级PS；③发泡PS。4.2.5ABS树脂（1）ABS的特性：具有较高的抗冲击强度，其他力学性能并不很高，但没有明显的力学缺陷。ABS能耐水、无机盐、碱及弱酸和稀酸。（2）ABS的应用：通用型、挤出型、高流动型、耐热型、耐寒型、阻燃型和电镀型。4.2.6聚甲基丙烯酸甲酯（1）聚甲基丙烯酸甲酯的特性：高度透明、无毒、无味、光滑的表面具有水晶感。（2）聚甲基丙烯酸甲酯的应用①本体法PMMA②悬浮法PMMA4.2.7聚酰胺（1）聚酰胺的特性：具有优良的耐磨性能和良好的的耐疲劳性。（2）聚酰胺的应用：可采用注射、挤出、吹塑、模压等方法成型。在齿轮方面广泛应用。4.2.8聚碳酸酯（1）聚碳酸酯的特性：本身透明、具有优异的抗冲击强度和耐蠕变性、既具有良好的耐寒性、又有良好的耐热性。（2）聚碳酸酯的应用：电子电器方面、机械方面、建筑装饰方面等。4.2.9聚甲醛（1）聚甲醛的特性：有较好的刚性、较高的硬度、优良的耐磨性能和较高的耐冲击性。（2）聚甲醛的应用：汽车工业、机械制造、精密仪器、电子、电信、日用制品等方面。4.2.10酚醛树脂（1）酚醛树脂的特性：原料易得，合成方便，价格低廉。（2）酚醛树脂的应用：①模压制品；②层压制品。4.2.11不饱和聚酯树脂（1）不饱和聚酯树脂的特性：有透明性，易着色，刚度、硬度和电性能均较好。（2）不饱和聚酯树脂的应用①UP玻璃钢②浇铸制品4.2.12环氧树脂（1）环氧树脂的特性：具有很高的粘合性，很好的化学性能，防水、防潮、防霉、耐热、耐磨。（2）环氧树脂的应用：主要用于制造玻璃钢制品和浇铸成型。84.2.13氨基树脂（1）脲甲醛树脂（2）三聚氰胺甲醛树脂4.2.14特种塑料（1）高吸水性树脂（2.）磁性塑料（3）发光塑料4.3塑料的成型工艺4.3.1概述（1）塑料成型加工的方法①固态机械加工法；②弹态塑料成型法。（2）塑料成型加工的特点①塑料的黏性流动；②松弛现象和内应力；③膨胀效应；④吸湿性；⑤收缩性；⑥相溶性。（3）塑料制品的一般生产过程①配方设计；②混炼；③造粒；④成型。4.3.2压制成型（1）模压成型：将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的物料放在加热阴模槽中，合上阳模并加热加压，使塑料在密闭的模槽中塑化流动充满整个型腔。再将模具加热或冷却使塑料硬化脱模而取得产品。（2）层压成型：在加热、加压条件下把相同或不同材料的两层或多层结合为整体的方法。4.3.3挤出成型挤出成型是在挤出成型机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。4.3.4注塑成型（1）概述：注塑成型是使热塑性塑料或热固性塑料先在加热机筒中均匀塑化，然后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的型腔中成型的一种方法。（2）注塑机通常按合模部件与注射配件的型式不同可分为以下四类：①卧式注塑机②立式注塑机③角式注塑机④多磨转盘式注塑机4.3.5压延成型压延成型是将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，使其连续成型为薄膜或片材的一种成型方法。9特点：加工能力大，生产速度快，产品质量好，生产连续，自动化程度高。4.3.6泡沫塑料成型泡沫塑料也称为微孔成型，它是指整体内含有无数微孔的塑料。泡沫塑料根据软硬程度不同，可分为软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料和硬质泡沫塑料。4.3.7其他成型（1）热成型①差压成型②覆盖成型③柱塞助压成型④回吸成型⑤对模成型⑥双片热成型（2）铸塑①浇铸成型②搪塑（3）滚塑4.4塑料的二次成型（1）塑料机械加工塑料机械加工包括锯、切、车、铣、磨、刨、钻、喷砂、抛光螺纹加工等。（2）塑料热成型塑料热成型是指将塑料板材加热软化进行成型的方法根据使用的模具，可分为：无模成型、阳模成型、阴模成型和对模成型。10第五章橡胶及其成型工艺5.1概述（1）橡胶的组成①生胶。生胶是未加助剂、未经梳化的橡胶，也称胶料；②助剂。助剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。（2）橡胶的分类根据来源可分为两大类：天然橡胶