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1、武汉科技大学艺术与设计学院设计材料工艺学Material and Technology of Design学时安排：54学时课程简介与教学目的：设计材料工艺学是工业设计专业的一门重要专业基础课，工业设计学科是一门艺术与科学交叉融合与应用性强的新学科，设计是人类需求与目的、材料的工艺结构、技术的原理组合、造型的审美形式等重要因素构成的一个完整的系统，不可分割，相关的材料与工艺知识是设计的重要因素和基础。教材：国家“十一.五”规划教材 郑建启编著，设计材料工艺学，高等教育出版社注：因篇幅所限，讲义中省略图片和表格。第一章 课程概述1.1 课程性质与学习目的1.2 材料工艺与设计的关系1.3 课程的
2、主要学习内容与学习方法 1.4 材料的材型1.1 课程性质与学习目的产品制造工艺课程是工业设计的专业基础课。设计是有限制的，不能天马行空，设计必须受到市场、环境、材料工艺的限制。材料工艺是设计的限制，熟悉材料工艺，是为了获得更多的自由。1.2 材料工艺与设计的关系材料与技术是产品设计的物质技术基础，对设计的实现有着极其重要的关系。产品有四个主要的元素：材料、造型、色彩、结构。其中材料（工艺）与其他三个元素都有密切的联系。(实物举例：两把小剪刀与两只修眉器)材料技术的发展促进了设计的发展，例子如下A：深冲工艺让产品有了很小的倒角，使金属产品造型摆脱了大弧面倒角的笨重造型。 B：胶合板工艺的发展使
3、得家具设计中出现了更多的自由曲面（雅各布森设计的“蛋”椅是热压胶合板整体成型，具有雕塑般的美感）C：塑料的广泛应用使产品造型丰富多彩。（潘顿玻纤增强塑料椅一次成型）1.3 课程的主要学习内容与学习方法本课程主要学习的五种材料及其工艺： 金属、陶瓷、玻璃、塑料、木材A-材料基本性能B-材料的主要生产工艺C-典型产品工艺解析学习方法：记笔记（图文结合）。重点解决以下两个问题：A-特定的材料在某种工艺的能制造出什么样的造型？B-表面处理工艺能够达到什么样的效果？ 考核方式：考试（但求理解，无需死记）1.4 材料的材型材料的材型主要分为以下几种：块材（金属、木材、粘土）片材（金属、木材）线材（如钢丝）
4、颗粒（主要指塑料）第二章 金属材料及其工艺2.1 金属材料概述2.2 金属分类2.3 金属的一般性质2.4 产品设计中常用金属2.5 金属成型工艺2.6 金属表面工艺2.1 金属材料概述金属和人类的相互关系悠久而深远，人类利用金属已达5000多年之久，上可追溯到青铜器时代。今天，在日常生活和工业生产中能接触到的小到锅、勺、刀、剪等生活用品，大到机器设备、交通工具、大型建筑物等，哪一样都离不开金属。所以，现在有人把金属的生产和运用作为衡量一个国家工业水平的标志。金属在今天工业产品材料中占据着中心的地位。2.2 金属分类金属可分为黑色金属、有色金属和特种金属。其他分类方式简略带过。2.3 金属的一
5、般性质金属的一般性能：A、导电、导热性好；B、特有色彩与光泽；C、延展性好；D、可在熔融状态下形成合金，以改善性能；E、多数易氧化；F、表面工艺性能优越。金属的机械性能：1、强度高；2、塑性好；3、硬度高；4、冲击韧性好；5、耐疲劳强度高金属的加工性能：1、铸造性好；2、锻造性好（铸铁除外）；3、焊接性好（铸铁除外）；4、切削加工性好（纯铜、不锈钢除外）2.4 产品设计中常用金属黑色金属纯铁（一般无用）铸铁（含碳量高，相对而言，强度、韧性不太高，耐磨性好，主要用于制造工作台面、零部件）铸造性好，表面粗糙，强度不高，消振性好，耐磨性好。用于制造车辆底盘、钳子、机床台面、机器零件、液压件钢材（主要
6、分碳素钢、合金钢,应用非常广泛）按用途分为结构钢、工具钢、特殊性能钢。结构钢（建筑桥梁工程用钢、船舶车辆用钢、滚动轴承、弹簧用钢）工具钢（刃具、量具、模具钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）按成分分为碳素钢、合金钢。按外形分为型钢（圆钢、方钢、工字钢）、钢板（包括钢带）、钢管、钢丝与钢绞线。碳素钢自行车、家具的造型材料、重要机械零件、一般日用产品、钢琴丝、工具（刃具、模具、量具）等。合金钢性能比碳素钢更优越。用于制造车辆、船舶、餐具等产品。有色金属铝及铝合金：纯铝主要用作电线、电缆、器皿。铝合金质轻、强度高，比强度超过钢，可阳极氧化成各种颜色。用于制作管道、弯曲零件、飞机大梁、起落架、汽车车身、数
7、码电子产品。铜及铜合金：导电性好、导热性好。纯铜紫红色，一般用处不大。主要有几种合金：黄铜：一般是铜锌合金，用于电源插座头、精密医疗器械、灯具装饰材料、铭牌。青铜：主要是铜锡合金，用于制作零件。白铜: 镁及镁合金：镁是日常应用中最轻的结构金属。密度约为铝的2/3.由于导热性、电磁屏蔽性好，常用于电子产品的壳、罩，如手机。镁合金广泛用于制造航空工业、汽车工业、军工领域、电子器材、运动器材（如网球拍）。钛及钛合金：钛难于冷加工。具有非常高的比强度。典型产品为眼镜框、高尔夫球拍、便携式电脑、照相机、高档行李箱、航空工业（如火箭头）等。锌合金：由于稳定性极好，常作为镀层材料，常用于手表背面、水龙头。锡
8、合金：用于制造罐头盒和各种容器。粉末合金2.5 金属成型工艺金属材料的成型加工按其特点分为冷加工和热加工（俗称，并不一定根据温度来定义）。热加工成型有液态成型、塑性成型、固态成型三种方法。 铸造：将高温下的金属熔液灌入特定造型的模具，待金属凝固后，将模具拆除，即可制造出所需的形态。砂铸种类很多，主要不同是表面精细度和加工的零件数量。砂铸主要包括普通砂型铸造、二氧化碳硅酸盐铸造和壳体铸造。普通砂型铸造：用沙子与粘土制作原模（有的利用木材制作），将沙子埋入砂型，压紧后分离上下砂型，取出原模，从预留的上流道将金属熔液流进模具，气体从预留的出气孔排出。二氧化碳硅酸盐铸造：这是近年出现的新工艺，特点在于
9、加工中使用水玻璃代替粘土制作保固层。这部分在铸造过程中会被转化为二氧化碳，因为水玻璃比较坚硬，最终产品更为细腻精确。壳体铸造：使用非常精细的纯沙，外面包裹了热固性树脂。模具壁可以做的比较薄（可达到1厘米厚），相比传统砂铸，它不仅节省型砂，还可以获得更好的精确度和光滑的表面。砂铸相关材料：一般低熔点金属铅、锡、锌、铝、铜、铁以及某些钢材都可以进行砂铸。砂铸类似工艺：类似但更昂贵的工艺有高压铸造和精铸（熔模铸造）。砂铸优点：价格低廉、易操作、能加工复制形态。砂铸缺点：大小批量都可，但小批量生产价格较高，铸造零件需后期处理。速度较慢。精铸又称失蜡铸造（熔模铸造），加工的第一步是生产模具（一般是铝制）
10、，即快速制造蜡模。数个蜡模被安装在输送器上，整个仪器看起来像一根树。整个蜡模树侵入陶瓷浆料中，当坚硬后会形成坚硬的陶瓷外壳。之后烘烤蜡模架，将蜡熔化，接下来就可以注入金属液体了，冷缺成型后，陶瓷外壳被打碎，里面制品被取出。由于陶瓷模具会被打破，因此任何复杂的形态都可以被制造出来，这是其他刚性模具不能比拟的。熔模铸造相关产品：珠宝、塑像、医用工具熔模铸造相关材料：多数金属熔模铸造类似工艺：高压铸造、砂铸和离心铸造熔模铸造优点：模具费用较低，可制造复杂中空物体，精确度高，不需后期加工，可实现任何设计。产量可大可小。熔模铸造缺点：加工步骤太多，有些铸造厂使用的粘合剂对环境有害。速度缓慢。高压铸造是复
11、杂金属零件制造成本最低的一种工艺。当需要制造大量造型复杂的产品时，这是较好的一种工具。加工时将熔化的金属倒入一个暂时容器中，再由栓塞将熔化的金属以高压压入模具空腔。这个压力会一直维持到金属固化下来，并利用一个弹出销零件顶出模具。高压铸造的模具也是分开两半的。与精铸不同，高压铸造需要设计拔模角度。高压铸造特别适合制造薄壁、复杂而有开口的零件。高压铸造相关产品：可生产一系列电子产品的框架部分，如个人电脑、DVD机、相机、家具零件、刮胡刀手柄高压铸造相关材料：熔点较低的金属，如铝、锌、铜、镁合金。高压铸造类似工艺：精铸、砂铸和离心铸造高压铸造优点：十分适合制造复杂物体，立体与表面精确度都高，不同部分
12、连接性好，只需少量的后期处理。速度较快。与普通铸造相比，高压铸造件内气孔较少，便于热处理和焊接。高压铸造缺点：模具昂贵，因此只能用于大批量生产，铸造完后有合模余料，零件的结构强度不能很好地保证。离心铸造一般用来制造大型金属圆筒的制造工艺，而且加工后的金属产品表面质量的可控性很高。它是利用离心力将熔化的金属在模具内壁里甩动，以制造不同的形状来。离心铸造相关产品：该工艺更适合小批量生产重工业中直径很大的中空产品，管道、灯柱、室外家具等。离心铸造相关材料：多数金属；两种不同的材料可同时进行加工（如玻璃和塑料）。离心铸造类似工艺：精铸、砂铸和高压铸造离心铸造优点：由于加工中不会形成不规则的表面纹理，因
13、此可以制造出任何方向的、机械性能很高的零件。离心铸造制造的零件，强度很接近锻造。离心铸造可加工出外表面纹理细致的产品，并令产品更抗氧化。小规模生产也很经济。离心铸造缺点：产品种类少，产品形态很少。塑性加工即在外力作用下金属材料通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工方法。 轧制，通过两个旋转轧辊的压力使金属坯料通过一个特定的空间塑性变形，而获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能的一种加工工艺。轧制可加工成不同截面形状的原材料，如圆钢、方钢、角钢、工字钢、钢轨等。轧制包括热轧与冷轧。主要是将钢坯制造原材料（型钢）。针对材型：块材锻造，利用冲击力或压力使金属在上下台面之间
14、产生塑性变形、改变内部组织获得所需形状的方法。锻造分为自由锻和模锻。（传统铁匠工艺）自由锻可分为手工锻和机器锻。模锻分为与自由锻相比能够获得形状较复杂，尺寸较准确的零件。一般生产对性能要求较高的零部件。针对材型：块材锻造相关产品：零部件、锤子、扳手、刀剑、飞机框架锻造相关材料：多数金属的锻造性都较好（而金属的铸造性差别较大）。锻造类似工艺：挤压锻造工艺优点：能改善材料性能，与铸造相比，较节省材料锻造工艺缺点：模锻中产生边料，需用机器修补挤压，指对金属锭坯施加强大压力，使其发生塑性变形从挤压模具中流出，或充满凹凸型腔，而获得所需制品的方法。 挤压包括正向冲击挤压和反向冲击挤压，其中反向冲击挤压更为多见。前者加工实心形体（如零件），后者加工薄壁中空形体。针对材型：块材变薄壁 挤压相关产品：饮料罐、食品包装罐等挤压相关材料：镁、铝、锌、铅、铜、低合金钢等。挤压类似工艺：锻造挤压工艺优点：生产速度很快，能制造价格低廉且外形各异的立方体和圆柱的交叉零部件（一般是对称的），可制造整体、无接缝的产品。与其他高产量设备相比，价格低廉。挤压工艺缺点：反
