第四章 材料工艺

产品造型设计基础

第四章材料的应用工业设计教研室高京主要内容材料的种类与性能1材料加工工艺3材料与设计24.1材料的种类与性能材料的分类1材料的性能与基本特征24.1.1.按材料的来源分类

1.按材料的来源分类第一代：天然材料第二代：加工材料第三代：合成材料第四代：复合材料第五代：智能材料天然材料——不改变在自然界中所保持的状态，或只施加低度加工的材料、如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等。4.1.1.材料的分类4.1.1.材料的分类加工材料——利用天然材料经不同程度的加工而得到的材料，加工程度从低到高，有人造板、纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等。4.1.1.材料的分类合成材料——利用化学合成方法将石油、天然气和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维等。4.1.1.材料的分类复合材料——用有机、无机非金属乃至金属等各种原材料复合而成的材料。4.1.1.材料的分类智能材料或应变材料——随环境条件的变化具有应变能力，拥有潜在功能的高级形式的复合材料。4.1.1材料的分类2.按材料的物质结构分类4.1.1材料的分类天然材料加工材料（胶合板、纸张、粘胶纤维、玻璃纸）人造材料（人造大理石、人造象牙、人造水晶、人造革）3.按材料的加工度分类4.1.1材料的分类颗粒材料（粉末与颗粒状等细小形状物体）线状材料（钢管、钢丝、金属棒、塑料管、木条、藤条等）面状材料（金属板、塑料板、木板、金属网版、皮革等）块状材料（木材、石材、混凝土、铸铁等）4.按材料的形态分类4.1.2材料的性能与基本特征材料的性能：材料的选择是以性能为依据。选择材料应考虑以下几个方面：化学性能：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。这些特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。物理性能：主要包括颜色、密度、熔点、折射率、膨胀率、热变形温度、吸水率、绝缘强度、电阻率、比热容等。机械性能：机械性能在工业造型设计中是最重要的性能。它通常与材料的弹性和非弹性行为有关，在考虑选择产品结构构件的材料时，材料的机械性能是头等重要的。尺寸性能：一般指材料所能达到的尺寸、形状和公差，常常是重要的选择因素。4.1.2材料的性能与基本特征材料的固有特性：即材料的物理特性和化学特性、机械性能、尺寸性能等。又如力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和防腐性能等。材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。这些特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。4.1.2材料的性能与基本特征材料的基本特征除了材料的物理机械性能必须符合产品功能要求外，还需要具备工业设计特征的性能。工业造型材料的特征，与构成产品或物体的形状及外观的特征有关，还与人们的生活习惯、工作环境以及与人们的生活水平、文化修养有关。为了更好的的在工业设计中应用材料，我们可以从以下材料特性了解材料。材料的感觉物性、加工成型性、表面工艺性、环境耐候性、可变复合性及环保性等基本特性。4.1.2材料的性能与基本特征感觉物性

就是通过人的感觉器官感觉到的材料性能。感觉物性只能是相对的判断，它对人作用是直接的，且影响很大。

如木材的温暖度、金属的冷凉度、合成皮革的柔软度、沙发扶手的舒适、安定程度，衣料的清爽舒服程度等都属于材料的感觉物性。木材的温暖度金属的冷凉度合成皮革的柔软度沙发扶手的舒适、安定程度衣料的清爽舒服程度感觉物性三要素（肌理、反光、软硬）4.1.2材料的性能与基本特征加工成型性

工业设计师设计的产品最终是通过对特定的材料进行加工成型而付诸于产品实现的，因此，工业产品材料必须具备优异的加工成型性。所以，加工成型性是衡量工业产品材料的重要指标之一。表面工艺性

作为工业产品材料必须具备优良的表面工艺性或面饰工艺性，以获得大方、美观、理想的外观。4.1.2材料的性能与基本特征环境耐候性

工业产品材料适应于环境条件、经的起环境因素变化的能力。即不受外界因素影响或侵袭而褪色、分化、腐朽以至破坏。公园里用瓷砖做的长椅4.1.2材料的性能与基本特征可变复合性

作为工业材料，必须具备可变复合特点，即通过人工方法改变材料的性质，扩大应用范围。

工程塑料之所以应用广泛这与它有较好的可变复合性有着重要的关系。4.1.2材料的性能与基本特征环保性

由于工业设计与人们的生活息息相关，工业设计材料以成为人们物质生活的基本保证，工业产品除具备以上特性外，还应具有无毒、低公害，易装卸、可回收再生利用等环保特性。

4.2.材料与设计选择合理的材料1选择便利的加工工艺3经济因素和环境因素24.2.1.选择合理的材料设计选材是产品设计的起点，选择合适的材料、工艺作为产品设计的物质技术基础，对设计概念转化为产品实物起着关键作用。4.2.1.选择合理的材料依据材料的基本性质选择：

1.材料的物理选择2.材料的水学性质A.亲水性与憎水性B.吸水性C.吸湿性D.耐水性E.抗渗性4.2.1.选择合理的材料

3.材料的热工性质A.导热性B.热容量4.材料的力学性质A.材料的强度B.材料的弹性和塑性C.材料的脆性与韧性D.材料的硬度和耐磨性4.2.1.选择合理的材料

5.材料的耐候性质6.材料的装饰性质A.颜色、光泽、透明性B.材料的质感C.耐玷污性、易洁性和耐擦性

4.2.2.经济因素和环境因素1.经济因素A.材料与工艺成本产品设计中使用的材料相对价格随着经济气候和需求量的变化而涨落。产品设计中的加工工艺的选用应该考虑成本和对材料的节约。例如压力加工工艺，应在排样时把废料降低到最少。B.使用寿命

如果设计的产品其使用寿命是耐久性的，那么选用的材料就应该具有较高的强度和耐磨性，或选择具有对产品延长寿命作用的其他性能的材料就是经济的。4.2.2.经济因素和环境因素例如图中两个零件比较外形难说哪个更美，因为美要从整体考察，但从节约的角度考虑a比b更合理。（节约空间和节约原材料——用包装设计中的术语讲a可以套裁）4.2.2.经济因素和环境因素C.制造性能

指将工业造型加工成所需形状难易程度的性能指标。D.零部件的总成本

零部件选用的材料必须保证它的生产和使用的总成本最低。4.2.2.经济因素和环境因素2.环境因素(1)从材料影响环境的角度A.选用同类的材料，以便产品回收和再利用。

B.减少表面装饰，便于回炉处理和再利用。4.2.2.经济因素和环境因素4.2.2.经济因素和环境因素C.采用可降解的材料，便于自然界吸收。D.废弃物的再利用，利于资源的再循环利用。4.2.2.经济因素和环境因素4.2.2.经济因素和环境因素（2）从人与环境影响材料的角度A.冲击与振动。考虑材料经受冲击力的范围。B.温度与湿度。考虑材料的湿度的极端值。

4.2.2.经济因素和环境因素C.人为破坏。考虑被粗暴虐待的可能。D.火灾危害。材料的易燃性、易爆性、易挥发有害、抗高温、火焰蔓延等。4.2.2.经济因素和环境因素E.生物危害。考虑材料的虫蛀和鸟食等。F.污损。不易被弄脏、易清洗、不易被破坏表面等。

4.2.2.经济因素和环境因素G.气候影响。紫外线、霜冻、雨水、日晒等对材料的影响。H.噪声。材料遇到噪声污染的抵抗力。4.2.3.选择便利的加工工艺材料和加工工艺是密不可分的，有什么样的材料就有什么样的加工工艺，合理的选择材料当然就包括合理的选择加工工艺。如不同种类的塑料，密度不同、使用环境要求不同，其成型加工工艺就不同。因此，在设计选材时，在不影响造型功能的前提下，应尽可能的选择加工工艺简单的材料。从经济上讲也降低了成本。4.3.材料加工工艺材料加工工艺的种类1选择合理的加工工艺3造型与工艺性问题2材料加工工艺材料类型成型/加工工艺方法具体方法补充或备注金属液态成型砂型铸造砂型铸造是把潮湿的沙子压实在有木模样或金属两半模的沙箱中。真空模塑定义、步骤、特点等等树脂砂壳型

塑性成型

金属快速成型

金属切削加工工艺

金属其他加工工艺

金属连接加工工艺

作业：

按照以下表格内容要求，总结材料加工工工艺4.3材料加工工艺的种类金属材料的加工工艺1木材材料的加工工艺3塑料材料的加工工艺2复合材料的加工工艺44.3.1.1金属材料加工工艺—铸造铸造生产过程复杂，影响铸件质量的因素颇多，废品率较高。作为一名工业设计师我们应该在对铸造工艺有一个基本了解的基础上，主要掌握零件的造型、结构对铸件的成型和优良品率产生的影响，以最大限度地降低产品的研发成本，缩短产品的研发周期。

铸件缺陷种类繁多，名称也不尽统一。下表列出了铸件缺陷名称及分类。4.3.1.1金属材料加工工艺—压力1.轧制。

借助于旋转的轧辊与金属接触摩擦，将金属咬入轧辊缝隙间，再在轧辊的压力作用下，使金属在长宽高三个方向上完成塑性变形过程。分为纵轧、斜轧、横轧。4.3.1.1金属材料加工工艺—压力锻造。（俗称打铁）

用锻锤的往复冲击力或压力机的压力是金属进行塑性变形的过程。4.3.1.1金属材料加工工艺—压力冲压拉拔工业设计人员至少应该了解铸件质量可以通过何种方法进行避免。合理选定铸造合金和铸件结构。合理制订铸件的技术要求。模样质量检验。铸件质量检验。铸件热处理。4.3.1.1金属材料加工工艺—压力挤压4.3.1.1金属材料加工工艺—焊接影响焊接性的因素1.材料因素。2.工艺因素。3.结构因素。4.使用条件。4.3.1.1金属材料加工工艺—热处理热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程相互衔接，不可间断。4.3.1.1金属材料加工工艺—切削硬度、强度、塑性与韧性及导热系数对切削加工性能是有影响的。4.3.1.2塑料材料的加工工艺塑料是合成高分子材料中很重要的一类。现在塑料在工业上的定义是：一类以合成树脂为基本成分，加入一定量的不同添加剂的混合物，在一定温度、压力和时间下可制成规定形状和尺寸且具有一定功能的制造品。4.3.1.2塑料材料的加工工艺塑料的基本特性

1.质轻且强度高2.化学稳定性好3.优异的电绝能性4.优良的耐磨性、减模性和自润滑性5.良好的吸声性和吸震性6.光学性能好7.多种防护性能4.3.1.2塑料材料的加工工艺塑料在设计中的表现塑料除了具有以上性能外，在设计运用中还有良好的表现力：

1.具有优美舒适的质感2.独特的造型工艺3.对传统材料的替代4.3.1.2塑料材料的加工工艺1.注射模塑成型及工艺分为加料、塑化、注射入模、保压、冷却和脱模六个步骤。4.3.1.2塑料材料的加工工艺2.挤出成型及工艺具有以下特点：1.设备成本低，投资少2.生产操作简单，工艺易于控制3.占地面积小，生产环境清洁4.挤出成型的制品密实、均匀5.可以连续化生产6.可以一机多用7.可以进行综合性生产4.3.1.2塑料材料的加工工艺3.压制模型成型及工艺

主要用于热固性塑料成型。根据成型物料的性状和加工设备及工艺特点，压制成型可以分为模压法和层压法两种。4.压延成型

广泛应用于热塑性塑料成型，使塑料通过一系列的加热的压辊，使其在挤压和展延作用下连接成为薄膜或片材。5.吹塑成型及工艺

将从挤出机挤出的熔融的热塑性树脂坯料，夹入磨具，然后向坯料里吹入空气，熔融的坯料在空气压力作用下膨胀向磨具性腔壁内贴合，最好冷却固化成为所需性质产品。吹塑成型又分为薄膜吹塑和中空吹塑成型。制品主要为：瓶子、包装桶、罐及玩具等。4.3.1.2塑料材料的加工工艺4.3.1.2塑料材料的加工工艺6.热成型及工艺

热成型是热塑性塑料的片材的成型方法，是塑料的二次成型。方法主要包括：真空成型法、压空成型法、塞头成型法及冲压成型法，最普遍采用的是真空成型法。主要用来生产薄壳制品，但一般多以形态简单的杯、盘、盖、医用器皿、仪器和仪表及儿童玩具等。4.3.1.3木材材料的加工工艺（1）木材的特性、分类与结构木材的分类按树木成长状况分类外长树，内长树(如热带树)按材质分类软木材和硬木材；软硬程度可分六级。按树叶外观形状分类针叶、阔叶；4.3.1.3木材材料的加工工艺木材是一种优良的造型材料，取材方便、分布广，它有哪些特性？1质轻而坚韧，富有弹性2色泽悦目，纹理美观3具有平衡和调节空气湿气的功能4具有可塑性5易于加工成型和涂饰

6具有良好的绝缘性能

7易变形、易燃8各向异性4.3.1.3木材材料的加工工艺（3）常用木材及其选用1、原木直接使用的原木一般用作桩木、坑木以及建筑工程所用的原木,通常要求具有一定的长度,较高的强度；加工使用的原木是作为原材料加工用的,是将原木按一定规格尺寸锯切后的木材,又称为锯材,锯材按其宽度和厚度的比例关系又可分为板材、方材和薄木等。板材——横断面宽度为厚度的3倍及3倍以上者方材——横断面宽度不足厚度的3倍者薄木——厚度小于1mm的薄木片。厚度在0.05至0.2mm的称为微薄木。2、人造板材利用原木、刨花、木屑、废材及其他植物纤维为原料，加入胶粘剂和其他添加剂而制成的板材。人造板材幅面大,质地均匀,表面平整光滑,变形小,美观耐用,易于加工。人造板材种类很多,常见的有胶合板、刨花板、纤维板、细木工板及各种轻质板等,广泛用家具、建筑、车船等方面。

4.3.1.3木材材料的成型技术一、成型加工的基本知识

1.木材成型加工的基本操作木材在由制材品到制成品的过程中，常需要经过多种加工工艺，其中包括锯削、刨削、尺寸度量和划线、凿削、砍削、钻削、拼接，装配和成型后的表面修饰等。主要工艺：（1）木材的锯割（2）木材的刨削（3）木材的凿削（4）木材的铣削4.3.1.3木材制品的成型技术主要工艺：

1.榫结合（左上）

2.契形结合（右上）

3.圆形构件结合（左下）

4.板形拼接形式（右下）

5.胶结合

6.镙钉与圆钉结合

7.钢环结合

4.3.1.3木材材料的加工工艺一、成型加工的基本知识

1.木材成型加工的基本操作木材在由制材品到制成品的过程中，常需要经过多种加工工艺，其中包括锯削、刨削、尺寸度量和划线、凿削、砍削、钻削、拼接，装配和成型后的表面修饰等。主要工艺：（1）木材的锯割（2）木材的刨削（3）木材的凿削（4）木材的铣削4.3.1.3木材材料的加工工艺现代生产方式——塑化木材新工艺

将新采伐的木材经预热处理后，在新设计的压机上对其进行加压处理。这种塑性木材可以向各个方向扭曲和弯曲，此时木材的纤维不仅可以受挤压，而且可以被拉长，从而使其弯曲度提高，即具有很小的弯曲半径，这是未经塑化处理的木材所不能达到的。4.3.1.4复合材料的加工工艺复合材料是有两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的特性

1.材料结构的可设计性2.结构整体性能好3.抗疲劳性能好4.安全性好5.成型工艺简单、灵活4.3.1.4复合材料的加工工艺复合材料的成型工艺

现代材料技术高速