产品造型材料与工艺：压力加工及连接技术2015

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2.2.6新成型工艺精密模锻、超塑性成型、高能率成型、金属半固态成型、快速成型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。作用在金属坯料上的外力主要有两种：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压力加工的特点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2005年首个囊括美国IDEA设计奖、德国IF设计奖以及德国红点概念设计奖三大国际设计奖项的中国企业联想创新设计中心CloudofPromise用橡胶漆喷涂包裹整个“祥云”，更好的柔软度和温和感，宛如在与同伴握手。橡胶漆曾用于艺术品和手工业制造，用于奥林匹克火炬还是有史以来第一次。外壳采用铝合金，长72Omm、重量985克。经过人机工程学考虑的握柄，东方文化的特征——细致的人文关怀高品质铝合金自由曲面整体延展成型,冲压工艺模具设计制造应用逆向工程技术，实现轻薄铝合金自由曲面塑性整体成形；立体蚀纹雕刻，双色氧化着色，金属表面高触感橡胶漆喷涂保持色彩的纯度、亮度及云纹线条精确度的基础上，做到红色和银色并置却不相互渗透打磨整个火炬覆上银色用特别的胶水轻薄地覆盖后，刻有云纹图案的胶片利用光在涂底的火炬上刻蚀精美的云纹：光透过胶片的透明部分使胶水凝固在银色涂层的表面，而胶片上刻有云纹的部分阻挡了光的进入，从而使云纹下的胶水避免凝结移去胶片并用水洗去胶水未凝结的部分，也就是呈云纹状的部分利用复杂的化学技术将云纹部分的银色涂层腐蚀掉并细化表面，然后再氧化着色，覆上中国传统的漆红色对传统纹样有较深研究的张建华，和常成、章骏一起组成云纹设计子团队，负责推敲完善云纹设计图样。是采用古典风格，还是现代风格呢？云朵应该是怎样的大小？云纹之间应该如何呼应？……每一个细节的问题，几个人都反复推敲琢磨。从云头纹、螺旋纹到蝌蚪纹，他们尝试了很多不同的云纹设计图案。调制了三轮共计十八块色板，周兰终于调出了十足中国味的漆红效果。周兰还建议把火炬手握部分喷上漆红色的橡胶漆，这样不仅增加了火炬手使用时的触感，还使最终的祥云火炬上下都洋溢着东方文化细腻宜人的感受。调整到黄金分割比，火炬看起来似乎是更优雅了一些；但是上下平分的比例更符合强调阴阳平衡、中正大气的中国式审美。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。最原始如铁匠的小火炉、手锤等。锻造对材料的性能要求可锻性。即承受住重锤的锻打、冲击而不易碎裂，具有良好的韧性。定型性好，弹性要适度。弹性过大，材料在外力撤出之后恢复原型，难以成型。预热升温，可强化定型性能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℃自由锻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：一般纯金属锻造性好。碳钢锻造性随其含碳量的增高而降低。合金钢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。合金中含有可形成碳化物的元素（如铬、钨、锡、钒、铁等）,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）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？艺术造型上较少应用，一般从功能出发构成产品外形，如汽车发动机连杆、日用品小锁头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；加工后零件表面光滑、内部组织致密均匀，机械强度高；可直接形成产品外形，尺寸比铸造精确，一般只需少量切削加工手锤锻造法兰盘优点--锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能，具有很好的表面处理能力，缺点--生产工序多，生产成本比铸造的高得多，冲压加工加工工艺：采用冲压加工材料：不锈钢压产品尺寸精确，表面光洁度好，一般冲压后不再或很少进行机械加工.选用材料的理由：1.不锈钢具有良好的加工性能，有良好的表面效果2.不锈钢的干净时尚已经成为厨房的流行3.不锈钢有良好的稳定性，抗腐蚀性强，耐高温，强度大。价格相对低廉。焊接——点焊通过压力加工形成的金属装饰花边压力加工形成的洗衣机内桶冲压加工利用冲模使板材产生分离或变形的加工方法。通常在常温下进行，又叫冷冲压。是外形零件的主要加工手段之一，对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坯料厚度一般小于4mm.板料冲压特点：（1）可冲压出形状复杂的零件，废料较少。（2）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，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）适用的板材厚度一般不超过6mm厚。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)保证工艺的前提下，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。（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。材料尺寸应尽量为毛坯尺寸的整数倍为好。冲压设备1.剪切下料设备准备工序使用的设备，手工制作模型时使用更多。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、压制设备现代数控冲压机床、折弯机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，故形状设计应符合模具的一端（型腔）或两端（通模）的开放式特点。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，过长时分几次压成，产品的拉、挤成型表面不应设计过长。（如：氧气瓶）在型腔内可设计符合型腔特点的形貌（孔窝、凸台等）以及通孔等。如：汽车车身SIGG水瓶是由选用纯度为99.5%的纯铝制造的。由于铝质量轻的特点，SIGG水瓶的重量从110克到200克之间。瓶身整体无缝，完全环保、整体100%回收。SIGG水瓶的金属材料对于铝这种有延展性的金属，设计师采用了冲压这个冷加工工艺。利用高科技的加工工艺，在600吨的压力下将整块铝整体一次冲压成型，并经过26道工序完成，整体无缝。SIGG水瓶的金属材料的成型与工艺性

冲压成形模拟分析软件

SheetForm(1.0)冲压产品的设计特点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灵活设计加强筋、肋、起伏或翻边（如：盆、锅等）等以提高刚性，这些在制造时可一次成型，其他方法难以做到。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\准则）。如：小支撑板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.冲压成型产品举例既能制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造像压力容器一类的大型零件。尺寸和形状精度可满足一般要求，也可制造精度在微米级、形状复杂的零件在汽车（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。冲压壳体冲压（拉伸）件轧制、板料冲压几何形态的餐具选材:不锈钢工艺：压力加工造型结构：金属本身的刚毅特质与餐具本身的精细很好的结合,简洁流畅,力度感强流线型餐具选材:不锈钢工艺：压力加工造型结构：流线型形象的造型设计大大增加了餐具的亲和力冲压工艺适用于可塑性强的金属薄板的加工，具有质量轻、强度高、刚性好的特点。冲压件的尺寸精确、表面光洁、质量稳定、互换性好，一般不需要再进行机械加工。冲压生产操作简单、生产效率高，易于实现机械化和自动化。此冲压成型的书架造型简洁、独特，有强烈的现代感书架回转型容器选材：铝合金工艺：压力加工连接工艺：折弯、配合、焊接造型结构：回转型容器，造型整体性强。斯德哥尔摩水果盘的固体材质一般均选择不锈钢因为不锈钢可锻性定型性好，弹性适度并且加重产品分量，增强稳定性冷冲压。冷冲压适用的板材厚度一般不超过6mm厚实际生产现场宝马汽车冲压生产过程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2.2.6新成型工艺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。永久性连接铆钉连接，压扩、卷边，咬缝等接合方法

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。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，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。熔焊、压焊、钎焊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。熔化极氩弧焊熔焊电弧焊：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，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、锅炉与受压容器、汽车车身、矿山机械、缸体等）焊接过程压焊在压力（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。如锡焊、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。例如锡焊，用比被连接金属熔点低的钎料锡，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。设备简单（电烙铁），工业生产（焊机）。焊接温度不高，主要用于电子元器件焊接，铜器焊接。焊接新工艺电子束焊利用聚焦后的电子束流加热，熔合金属激光焊接用于窄而深的焊缝，如25mm厚的材料摩擦焊在轴向压力与扭矩作用下，利用接触端面间的相对运动及塑性流动所产成的摩擦热及塑性变形热，使接触面及近区达到粘塑性状态并产生适当变形，然后迅速顶锻完成焊接。用于难焊材料如铝合金等，焊缝质量高、成本低、环保焊接件的结构工艺性

1．焊缝位置应便于施焊，有利于保证焊缝质量

焊缝可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝和仰焊缝四种型式a）合理b）不合理手工电弧焊对操作空间的要求应尽量使焊缝能在水平位置进行焊接电阻点焊和缝焊时的焊缝布置a）合理b）不合理2．焊缝布置应有利于减少焊接应力和变形（1）尽量减少焊缝数量

采用型材、管材、冲压件、锻件和铸钢件等作为被焊材料。不仅能减小焊接应力和变形，还能减少焊接材料消耗，提高生产率。焊接件的结构工艺性

箱体构件，如采用型材或冲压件（b）焊接，可较板材（a）减少两条焊缝。（2）尽可能分散布置焊缝焊缝集中分布容易使接头过热，材料的力学性能降低。两条焊缝的间距一般要求大于三倍或五倍的板厚。

a）不合理b）合理

（3）尽可能对称分布焊缝

对称布置可以使各条焊缝的焊接变形相抵销，可减小结构的焊接变形

2．焊缝布置应有利于减少焊接应力和变形焊接件的结构工艺性

a）不合理b）合理

3．焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位4．焊缝应尽量避开机械加工面a）不合理b）合理

不可避免时，应附加刚性支承，以减小焊缝承受的应力。

一般，焊接工序应在机加工工序之前，以防止焊接损坏机加工表面。因为焊缝的机加工性不好，且焊接残余应力会影响加工精度。如焊接结构上某一部位加工精度要求较高，又必须在机加工后进行焊接时，应将焊缝布置远离加工处,避免焊接应力和变形对已加工表面精度的影响a）不合理b）合理

钛铝合金太空椅工艺：压力加工、特种加工连接工艺：特种焊接造型设计:太空感极强——流线型外观、金属材质，偏偏配上最鲜丽的色彩，红色的热情、黄色的温暖、绿色的宁静，看上一眼就忘不掉的经典设计粘合剂粘接(胶接)

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胶接的主要特点：能连接材质、形状、厚度、大小等相同或不同的材料，特别适用于连接异型、异质、薄壁、复杂、微小、硬脆或热敏制件。接头应力分布均匀，避免了因焊接热影响区相变、焊接残余应力和变形等对接头的不良影响。可以获得刚度好、重