工业设计工程基础一1

1、工业设计工程基础一工业设计工程基础一材料及加工技术基础皮智英主讲皮智英主讲学习本课程的目的科学技术产品社会生产力条件一：材料条件二：加工技术+ 产品之美离不开材料的发展与探究，90年前，柯布西埃提出的机器美学，是对材料和加工工艺的双重要求，材料与 加工工艺也是我们学习的重要方面第一章：概论1.1：概述人类社会的发展设计的核心是创新，而设计的目的是使用 包含两个层面：其一是构思创意； 其二是材料利用1.1：概述1.1：概述 1.1.1产品设计与材料 不同的产品，其作用不同，所选用的材料也不同。如家具是办公、学习、休息用的，灯是照明用的，汽车是运输用的，不同的产品选用不同的材料，进而承担起不同的使

2、命，而设计师了解和合理选用材料和工艺，对于工业设计来说至关重要。1.1：概述 1.1.2 产品设计与加工技术1.2：产品设计选用材料的基本原则 产品设计与材料选用是一个问题的两个方面。因为不但设计的好坏会影响到产品的质量问题，同样，材料的选择也会直接决定产品的质量。例如，设计师设计一部高速的汽车，他不仅要考虑到发动机的功率、外观造型等问题，同时还要考虑到发动机汽缸、活塞、车架、轮胎等应该选用什么样的材料。否则，尽管设计师能在原理上解决了产品设计，而却无法保证其产品就是一个好的、成功的设计。1.2 产品设计选用材料的基本原则1.1.2 使用性原则产品要满足人们的使用要求，这是产品有别于绘画或工艺

3、品的不同之处1.2 产品设计选用材料的基本原则1.1.2 工艺性原则 产品质量受其工艺影响最大，如果在设计产品时忽略了加工制作工艺，轻则影响到美观，严重时则会导致产品无法使用1.2 产品设计选用材料的基本原则1.1.2 性价比原则 工业设计的原则是实用、经济、美观，而经济则是实用和美观的制约条件。在市场竞争中，性价比是一个重要砝码。随着人们的消费心理趋于成熟，并非越便宜的产品越好卖，而是物有所值、物超所值的产品最容易赢得消费者，占领市场。这就给设计者提出一个问题，在进行产品设计时，一定要做好设计管理，既要做好市场定位，还要选择好投入产出比，这样才能真正将产品变成商品，实现设计的真正含义第二章：

4、金属材料的性能及加工技术2.1 概述 人类离开石器时代的重要标志之一，就是金属材料的使用。作为现代工业发展的产物，金属材料正在口益广泛地被人类所使用，是其它材料所无法替代的。本章主要介绍金属材料的性能和各种加工技术2.2 常用金属材料特性 就材料的种类而言，常用的金属材料是非常多的，但在设计中考虑到性能特点等原因，当然并不是所有的材料都能得到应用。为了能正确地选材料，首先应全面了解金属的特性 良好的导电导热性良好的延展性良好的表面光泽性，可装饰产品表面宜采用各种电化学加工方法进行表面处理，以获得特殊表面效果具有较高的强度和刚度易成形、不易变形，可采用 车、铣，刨，磨，冲压、锻造等加工方法2.3

5、 金属材料的分类 黑色金属：钢、铁有色金属：铝、铜、锡、金、银及 合金(铝合金)(铜合金) 棒材多用于加工轴类零件、插架类零件、盘盖类零件等，一般是经过锻打、切削等工艺技术完成 2.3 金属材料的分类 2.3.1 黑色金属 板材一般出现在各种箱体、容器制作中。它在大型的数控机床、交通工具、轮船游艇等产品里面应用量非常大。一般采用的工艺为折弯、冲压、铆焊等方法加工制作 型材主要指角铁、槽钢、工字钢、管材等，一般应用于市政设施、桥梁、管道、建筑、铁路等方面。这类材料多为钢铁厂直接提供，一般可直接使用(如铁路钢轨)或只经过简单加工就可应用2.3 金属材料的分类 铜是人类应用最早的一种有色金属，因为铜

6、及铜合金具有良好的导电性、抗氧化性，成形容易，色泽美观等优点，所以在产品设计中常常被选用。2.3.2 有色金属（铜及铜合金）2.3 金属材料的分类 纯铜纯铜 优点：导电性、导热性好。常用在各种散热设备中，如空调和冰箱散热器和冷凝器、电闸、开关触点等。其可塑性极好，适于冷、热加工成形。如一些艺术品和装饰品等，还可以辗压成极薄的铜箔，拉制成极细的铜丝，也可以制成各种规格的型材 缺点：由于纯铜熔化时易吸收有害气体造成铸件气孔，所以一般不用作结构材料。 代号：工业纯铜可分为T1、T2、T3、T4四级，其数字越大含杂质越多，纯度越低。 2.3.2 有色金属（铜及铜合金）2.3 金属材料的分类 2.3.2

7、 有色金属（铜及铜合金）2.3 金属材料的分类 铜合金：铜合金：将纯铜熔化后加入硅、锰、锡、镍等合金元素， 就可改变其性质，如提高硬度，增加耐磨性。所以工业产品主要使用的是铜合金，而不是纯铜2.3.2 有色金属（铜及铜合金）青铜：在铜中加入锡的合金特点： 耐腐蚀能力强，常用在潮湿、高压高热的环境中，如锅炉阀门和海水作业的船只等。又因为其耐腐性强，所以常用于制作轴瓦(俗称滑动轴承) 含锡量的多少，直接影响到青铜的力学性能，如含锡量为57的青铜，适于压力加工，可冲制一些冲压件，如罩盖、把手等，称为压力加工青铜。当含锡量高于10时，由于其塑性较差，因而只用于铸造成形，如轴瓦等，该合金称为铸造青铜 有

8、时，因为结构性能的需要，也可以在锡青铜中再加入其它的元素以改善其性能，如加入磷、锌、铝等。加磷可以提高青铜的耐磨性，加锌可提高青铜的流动性，加铝可提高其强度、硬度和耐磨性、耐腐蚀性。但缺点是加入新的合金元素后会降低青铜的铸造性能2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铜及铜合金）2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铜及铜合金）黄铜：在纯铜中加入锌元素的铜合金特点： 具有良好的力学性能和加工工艺性能，耐腐蚀性能也非常突出。广泛用于电器元件、机械零件及生活用品的制造中，相对价格也比纯铜便宜 在普通黄铜中，如果加入铝、铁、锰、铅、锡等合金元素，形成的复杂黄铜称为特殊黄铜，如铝黄铜、硅

9、黄铜等。主要用于承载力较大、耐磨性更好的工件上，如齿轮的齿廓等。2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铜及铜合金）白铜：在铜中加一定量的镍就形成白铜 特点： 有极高的电阻和热电势，电阻温度系数非常小，耐蚀性非常好，所以常用来制造精密电工测量仪器、变阻器、热电偶以及电热器等2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金） 在工业生产中，用量最大、来源最广泛的有色金属材料就是铝及其合金，因为它们的力学性能、工艺性能和物理性能特别优异，所以常用在工程结构中，如汽缸体、飞机机身等，如图所示。其质地好、密度小、耐磨性强、价格低等优点，是其它金属材料所无法比的。在造型设计中，一般都优先选

10、用铝合金做为基本材料，以达到小巧轻薄的视觉效果2.3 金属材料的分类 纯铝：分为高纯铝和工业纯铝纯铝：分为高纯铝和工业纯铝 优点：纯铝具有良好的导热性，所以常用在炊具、散热片的制造中，也可用来制造各种导线、电缆电气元件等；耐大气腐蚀能力强，在空气中表面容易生成一层致密的氧化薄膜，以保护下层金属不再受到氧化腐蚀 缺点：不耐酸和碱，因此在酸和碱的环境一般不用纯铝。纯铝电线收缩率大，液态铝在凝固时易出现气孔、缩松、夹渣、裂缝等缺陷，铸造性差，合格率低，这直接影响到产品的质量和价格 代号：高纯铝又分为L0l、L02、L03、L04四类，其中L01纯度最低，L04纯度最高。工业纯铝分为L1、L2、L3、

11、L4、L5五类，其中L1纯度最高，L5纯度最低。（工业纯铝的牌号表示与高纯铝的牌号表示正相反，选用时请注意） 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）2.3 金属材料的分类 铝合金：铝合金： 为了改变纯铝的力学性能和物理性能，满足设计和制造的需要，工程师常采用铝合金材料(如铝铜、铝镁、铝硅等)制作产品2.3.2 有色金属（铝及铝合金）铜铝合金： 以铝和铜为基的多元合金，铝与铜可形成一系列的化合物，其中最重要的是Al2Cu3 ，含铜量541，它是以化合物为基的一种固溶体，具有立方品格结构，硬度高，较脆特点： 在液态时具有较好的流动性，是一种很好

12、的铸造金属，如果在其中加入少量Ni、Mn等元素，还可以提高其耐热性。所以，铝铜合金可用来铸造要求强度高并且在高温条件下工作的零件 有很好的塑性，可以承受压力加工2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）铝镁合金： 铸造铝镁合金的具有良好的耐蚀性，可用来制造在腐蚀介质中工作的铸件 2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）铝锌合金： 铸造铝锌合金具有较高的强度，而且价格比较便宜，可用来制造医疗器械、仪器零件和日常生活用品等 2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）形变铝合金： 经过冷热加工

13、变形后，以锻坯、型材、板材等形式供应的铝合金，都属于形变铝合金。 根据形变铝合金的性能和使用特点，可将其分为： LF防锈铝合金，简称防锈铝 LY硬铝合金，简称硬铝 LC超硬铝合金，简称超硬铝 LD锻铝合金，简称锻铝除防锈铝合金外，其它三种都属于可以热处理强化的合金2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）LFLF防锈铝合金：防锈铝合金： 防锈铝合金包括铝锰合金和铝镁合金两类。常用防锈铝合金的代号有LF21、LF2、LF3、LF5、LF6、LF11等，其中LF21为铝锰合金，其余为铝镁合金。特点：特点： 耐腐蚀性好，并具有比纯铝更高的硬度和强度、良好的可塑性和焊接性，能承受弯曲、

14、冲压等变形工艺。可制作在腐蚀介质环境中工作的容器、壳体及管道等2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）LY硬铝合金：硬铝又称为抗拉铝，它是以铝、铜、镁或锰为主的多元素合金，是能够用热处理强化的铝合金中应用最广的一种。LYll是标准硬铝，既有相当高的硬度又有足够的塑性，经退火和淬火处理优点：这类合金既能承受加工变形，又能通过热处理得到强化缺点：硬铝的耐蚀性较差，容易产生晶间腐蚀2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）LC超硬铝合金：超硬铝合金是以Al、Zn、Cu、Mg等元素组成的多元合金，其中所含的少量Cr和Mn，可以提高合金的强度和耐腐蚀能力，是航空工业的重

15、要结构材料主要缺点：耐热和酬腐蚀性较差，所以超硬铝板材常用包铝法来防护2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）LD锻铝合金：热锻性和耐腐蚀性较好的一种锻铝，LD5、LD6和LDl0属于A1、Mg、Si、Cu合金，时效处理后可以使其具有较高的强度，切削加工性也好，但耐蚀性和焊接性较差。LD7、LD8和LD9是含有Fe和Ni的耐热锻铝。锻铝合金是由Al、Mg、Si、cu等元素组成的多元合金，这类合金可以通过锻压方法来生产零件，所以又称为锻铝。它具有良好的压力加工性能，在常温时具有较高的强度 LD2铝镁合金2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）铝型材： 将铝合金

16、经过压力加工形成具有一定形状的材料，称为铝型材。该材料具有刚性好、灵活性大、便于施工等优点，适合于大批量生产。在室内装饰、电子类产品造型设计中应用，可以给人简洁规整、轻盈华丽的美感，受到人们的喜爱2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）型材 通过模具用控制的方法加工而成，其断面可分为角型、槽型、丁字型、工字型等九大类。各品种内又可细分为若干品种，如角型材又可分为直角、锐角、钝角、圆头、异形等种类2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）管材：该材料的尺寸规格是用“外径壁厚”来表示的。管材可分为薄壁管(外径6120 mm，壁厚小于5 mm)和厚壁管(外径2518

17、5mm，壁厚人于5 mm)。因薄壁管壁薄可用控制法加工，而厚壁管其壁厚可以用挤制法加工2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）线材：线材分导线、焊条线和铆钉线三种，都按直径尺寸确定规格板材：该品种可分为热轧板(代号R)和冷轧板(代号L)两类。冷轧板 又可分为可热处理强化和不可热处理强化两种，冷轧板表面多数有包铝层，以便提高冷轧板的物理性能2.3 金属材料的分类 2.3.2 有色金属（铝及铝合金）常用铝型材数字含义（XC7213）2.4 金属的常用加工技术 金属材料须经过一次加工成形(如从钢铁厂出炉加工成形)或二次加工成形(将原材料按没计要求再进行加工)才能成为合格的产品2.4

18、 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术 铸造技术是一个既古老又现代，既普遍又专业的一项技术。说它古老，是因为在公元前我国就已经应用了此项技术铸造了鼎、长矛和剑。说它现代，是因为此工艺经过长期的应用不断改进而出现了新的加工方法。使其工艺更先进，结构更复杂，比如发动机的壳体就是一例。可以断定，科学技术越发达，铸造技术就越先进，应用领域越广泛根据施工工艺的不同，铸造可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、磁型铸造等2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术先将要制作的零件做成木模型，然后将其放入砂箱中并用细砂覆盖木模并压实，再逐渐加较粗一些的砂夯实，留好冒口和浇口，做好分型面(上、下模的结合

19、面)。然后将木模型小心取出(不能破坏砂型)，再将上下砂型模按原位置对好，即可浇注。浇口低冒口高，根据热胀冷缩的原理，冒口中的金属液体可填充由于金属冷却而出现的缩孔，使铸件合格率提高。待金属液基本冷却到常温时，可从模箱中取出铸造好的铸件，再清砂(用工具将铸件内外表面的砂清除干净)。 砂型铸造具体工艺为：2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术 砂型铸造2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术 优点：工艺简单、设备投入小(只需熔炉和铁水包) 缺点：铸件质量较差 适用范围：一般限于铸造一些结构不太复杂、体积大、机械加工量小的工 件。如机床的床身、台板、支架等。 应注意的问题：为减少铸

20、件的内应力，尽量使各结构部分壁厚均匀一致， 过渡处尽量使用圆角。有些大件还需作时效处理(将其放在室外一定时 间将内应力释放掉)，以避免加工后因变形无法应用而造成浪费 砂型铸造2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术熔模铸造该工艺又称为失蜡铸造，因其铸件表面光滑精细又称为精密铸造。其具体工艺为先用易熔材料(50的石蜡，50的硬脂酸配成)制成模型，然后在模型表面涂挂耐火涂料将其硬化，反反复复多次就有了一定厚度和强度的壳体。再将模型熔化(即将石蜡加热流出并收集再用)，并将硬壳熔烧后能达到浇注溶液的硬度。2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸

21、造技术 优点：可铸出尺寸准确，表面光洁，且无分型面的铸型 缺点：内腔复杂的工件如采用此法，会使工艺复杂、价格升高 适用范围：一般用在小件生产铸件壳薄(0.3mm左右)、孔小(最小孔径1.5 mm)， 中工业产品有些小件可制成蜡模组，连续铸造满足生产要求。其铸件一般不 再加工即可安装使用，成本降低。 熔模铸造2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术优点：生产加工效率高，便于实现生产自动化，每小时可达800件左右适用范围：主要应用在产品造型便于压制，型芯容易取出，壁厚在O.53.5 mm之间， 且强度和耐磨性好的产品上,如齿轮中的罩盖等；压铸件还可铸出外螺纹、小孔 和一定模数的齿轮，也可铸

22、出镶嵌体的工件以满足产品的要求 压力铸造:在高压作用下将液态合金高速压入高精度的型腔内(由动模和定模组 成)，并在压力下迅速凝固成为合格铸件。2.4 金属的常用加工技术 2.4.1 铸造技术2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术切削加工：就是将金属表面的材料切削后而形成产品的一种加工技术，如 轴、盘、壳体类零件有配合要求的表面，它们都是在不同的设 备上加工而成。主要方法：车削、铣削、刨削、磨削、镗削、钻削、滚尺机和插尺机、 数控机床2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术加工方法：将被加工的工件央持在卡盘上，当主轴转动时，移动溜板箱和刀架， 用合金切刀车削工件，在车床

23、上主要完成轴或孔、圆锥或球体的加工，车 削一般表面粗糙度Ra值能够达到1.6um。车削加工设备分类：车床分为卧式和立式两种。卧式车床其床身较长适宜加工 细长件；立式车床因其工作作台面大，所以适合加工直径大而短的零件车 床型号分类：如C616、CM6140、CYK5112，其中C为汉字“车”的拼音 字首，数字6代表卧式车床(5为立式车床)，后两位数字为切削旋转半径 车削2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术车床2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术一般将工件夹持在工作台面上或固定在分度头上(如加工花键轴或轴上的键槽)。常用刀具一般为棒铣刀(用于加工键槽)或片铣刀(用于

24、加工花键)，也可用密齿端铣刀加工端面。该加工方法精度较高，但加工速度较慢，表面粗糙度能够达到Ra0.8um。车削加工设备分类：铣削加工设备分类。铣削主要用于加工零件上的键及端面，常用的设备分卧式和立式铣床。如X62K、X52K，其中X为汉字“铣”的拼音字首，数字6为卧式(5为立式)铣床铣削加工方法：铣削加工设备分类：2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术将工件夹持在工作台面上，刀具固定在刀架上，开动机器，牛头刨床是滑枕带着刀架作往复运动，工作台作水平直线运动，用刀具刨削工件。而龙门刨床则是工作台作往复运动，刀架固定存悬梁上，刀架可作水平或垂直运动，而悬梁只作垂直运动。刨床主要用于

25、加工平面、沟、槽等结构。优点是加工速度快、加工成本低、效率高。缺点是加工精度不高，一般用在加工机床底平面或各工件之间固定连接面。刨床分牛头刨床(如B665)、龙门刨床(如MODEL B2220)和插床三大类，其中牛头刨床主要加工小件的平面，如滑枕的燕尾槽。而龙门刨床用来加工大件的平面结构，因其工作台非常大，所以一次可加工多件同类产品。插床用来加工键槽。刨削加工方法：加工设备分类：2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术刨削2.4 金属的常用加工技术 2.4.2 切削加工技术平面磨用于加工零件上的平面，工作时工件被吸附于工怍台面上(工作台具有电磁铁性质)，磨头高速运转，工作台作往复运动进行磨削 外圆磨和内圆磨主要完成圆柱体工件的外圆或内孔的加工，工作时工件需夹持在一个转动的装置上，砂轮高速转动，而被加工件需怍相反方向的匀速转动，以保证工