第五章 第三节 材料与制造工艺

第五章制订设计方案第三节

材料与制造工艺一、材料的分类天然材料加工材料复合材料常见材料

天然材料是指不改变自然界中保持的状态，或只施加低度加工的材料，如木材、石材、棉、毛、皮革等。木材石材棉1、天然材料(naturalmaterials)

加工材料又称作人造材料，是人为加工或合成后才能使用的材料，其特质与原料不同，如塑料、玻璃、金属等。塑料玻璃金属2、加工材料（processedmaterials）3、复合材料(compositematerials)复合材料是指运用先进的材料制备技术，将两种或两种以上不同性质的材料优化组合而成的具有综合性能的新材料。胶合板导电橡胶胶合板是由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木，再用胶粘剂胶合而成的三层或多层的板状材料，通常用奇数层单板，并使相邻层单板的纤维方向互相垂直胶合而成。胶合板是家具常用材料之一，为人造板三大板之一，亦可供飞机、船舶、火车、汽车、建筑和包装箱等作用材。一组单板通常按相邻层木纹方向互相垂直组坯胶合而成，通常其表板和内层板对称地配置在中心层或板芯的两侧。用涂胶后的单板按木纹方向纵横交错配成的板坯，在加热或不加热的条件下压制而成。层数一般为奇数，少数也有偶数。纵横方向的物理、机械性质差异较小。常用的胶合板类型有三合板、五合板等。胶合板能提高木材利用率，是节约木材的一个主要途径。斑马条硅胶斑马条是最基本的硅胶导电胶条之一，它通过绝缘胶片与导电胶片的交替结合，四面均可形成特殊的导电特性，可以满足PCB与LCD之间的四方向连接要求。成为弱导领域中必不可少的连接器之一。因为产品的图案颜色类似于斑马条纹，故叫做“硅胶斑马条”。导电胶条俗称为斑马条，由导电硅胶和绝缘硅胶交替分层叠加后硫化成型。导电橡胶连接器性能稳定可靠，生产装配简便高效。广泛用于游戏机、电话、电子表、计算器、仪表等产品的液晶显示器与电路板的连接。二、材料的性能材料的性能分为物理性能化学性能加工性能与设计工作关系十分密切1、强度：指材料承受外力而不被破坏（不可恢复的变形也属于破坏）的能力。几种基本物理性能：FFFF效果（抗拉力示意图）FF效果根据材料外部受力种类的不同，强度可分为以下几种：（1）抗拉强度——材料承受拉伸变形的能力。（抗压力示意图）FFFFFF效果效果（2）抗压强度——材料承受挤压变形的能力。（1）（2）FF最先受破坏断裂处（抗弯力示意图）效果效果F'F'（3）抗弯强度——材料对致弯外力的承受能力（抗剪力示意图）FF（4）抗剪强度——材料承受剪切变形的能力效果FF剪切力的两个作用力的距离d要很近d

剪力，又称剪切力：“剪切”是在一对相距很近，大小相同，指向相反的横向外力（即垂直于作用面的力）作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪力或剪切力。发生剪切变形的截面称为剪切面。判断是否“剪切”的关键是材料的横截面是否发生相对错动。（5）抗扭强度——材料承受扭转变形的能力。五种外力拉力：物体所承受的拉拽力（构件有被拉长（拉拽）的效果；

压力：挤压物体的力

剪切力：两个距离很近,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力

扭转力：反方向向物体两端均匀施力,使物体发生扭转形变的力

弯曲力：作用于物体,使它产生弯曲的力

构件的五种基本受力形式受拉受剪切受弯曲受扭转受压拉力压力扭转力弯曲力剪切力a、很多材料如塑料、金属、木材等都具有一定的弹性；2、弹性指材料受外力作用时改变了形状，当外力消失后又能恢复原来形状的能力。b、改变材料形状结构也可获得较好的弹性。保持记忆的秦剑经过了2000多年的时间，这些秦剑仍然非常锋利。有一把青铜剑被陶俑压在了地下，剑已经完全被压弯，能够达到45°。当工作人员把陶俑搬走时，他们发现这把剑有“记忆功能”，很快就自己伸直了回来，变成原来笔直的样子。经过检测，在这把青铜秦剑当中，有一种物质叫做“铬”，让该剑保持了良好的韧性。铬涂技术是现代技术，在90年代时才出现。然而，早在2000多年前“铬”的技术就已经被古人领先使用了。3、韧性指材料抗冲击振动的性能。玻璃的韧性较差，受到撞击易碎橡胶的韧性好，常被用来制造减震零件4、硬度指材料抵抗刮削、切割或磨损的能力。1、用刀子削木棍和铁丝哪个容易被刮削？2、粉笔在黑板上写出字来，这说明什么？5、延展性：金属的延展性良好，其中金、铂、铜、银、钨、铝都富于延展性。非金属材料延展性就不太好。当用小刀刻划具有延展性的矿物时，矿物表面被刻之处立即留下光亮的沟痕，而不出现粉末或碎粒，据此可区别于延展性良好与否。指材料接受折、锻、压等外力，被改变形状或被延伸，而材料没有遭受破坏的能力。小知识【试一试】请按要求把生活中的物品填在对应的图表内。材料性能物品名称需要较高的抗压强度需要较高的抗拉强度需要较高的抗弯强度

需要较高的抗剪强度

需要较好的弹性

需要较好的韧性

需要较好的硬度

汽车底盘、房屋立柱、桥墩、铁轨、虎钳自行车轴承中的滚珠

自行车车条梁吊车钢丝绳尼龙钢材木材电线电缆、光纤光缆、安全带、皮革皮带防盗锁蹦蹦床橡皮筋篮球皮球头盔切割工具一、木材及其加工工艺1、天然木材杉木介绍：质地较软，木纹顺直、较疏，容易加工且不易开裂，变形小。用途：广泛应用于建筑和家具制作，如做房屋的门、窗、桌椅的面板等。缺点：强度相对较差，不宜用来做经常受摩擦和强度要求较高的构件(如家具的腿)松木介绍：质地较软，品种繁多，其中有的性能较好、易加工、变形小，如红松、白松等用途：广泛用于建筑、家具、乐器制造等行业

。缺点：木质软，易开裂变形，还易析出油脂。樟木介绍：木质比杉木硬，强度比杉木高。木纹变化多样，美观

。用途：纹理结构较细密，韧性好，容易加工;有一股樟脑香气，能防蛀。缺点：易变形梓木介绍：质地软硬适中，纹顺直，

纹理均匀。用途：变形极小，是上等的中硬度木材，在要求较精致的木制品中常被采用。缺点：加工成本高。2、人造板材人造板材包括胶合板、刨花板、纤维板、饰面板等。优点：

使用面积大、不易弯曲开裂、厚薄均匀、表明光洁平整、价格便宜、美观实用等。应用：

家具制造、房屋装修、车船制造等行业。1、天然性：木材是种天然材料，在人类常用的钢、木、水泥、塑料四大主材中只有它直接取自自然，这使得木材具有生产成本低、耗能小、无毒害、无污染等特点。2、质感好：木材具有易为人接受的良好触觉特性，远远优于金属和玻璃等材料。3、强重比高：木材的某些强度与重量的比值比一般金属的比值都高，是一种质轻而强度高的材料。4、保温性：木材的导热系数很小，同其它材料相比，铝的导热性是它的2000倍，塑料的导热性是它的30倍。因此，木材具有良好的保温性能。5、电绝缘性：木材的点传导性差，是较好的电绝缘材料6、可加工性：木材软硬程度适中，容易加工。7、装饰性：木材本身具有天然美丽的花纹，作为家具和装饰材料，具有很好的装饰性。由于木材上述的一些独有特性。3、木材加工工艺（1）锯割圆锯：用来纵切、横切和挖槽。带锯：用来纵切和横切。1.（按用途分）横锯、竖锯、挖据横锯竖锯挖锯2.（锯齿大小）粗齿锯、中齿锯、细齿锯粗齿锯中齿锯细齿锯3.（按锯形分）框锯、板锯框锯板锯作用：对木材表面进行刨削，使之平整、光滑（2）刨削长刨短刨中刨最常用的是平刨，它是刨平面用的，按刨长短可分为长刨、中刨、短刨，越长的能将材料刨得越平直，通常用得最多的是中刨。另外还有些刨削各种异形的小刨子。（3）轴铣作用：在已刨削过的木材上，对一个面或一条边进行加工的工艺。（4）表面处理

打磨后，可以用油、清漆、油漆和蜡抛光等多种方法进行表面处理。抛光抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。是利用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽(消光)。通常以抛光轮作为抛光工具。抛光轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，两侧用金属圆板夹紧，其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。（5）打磨作用：通过打磨使产品表面光滑。分类：盘式打磨机、辊筒打磨机、带式打磨机塑料塑料提取

用石油为原料；把开采出来的原油运到石油加工厂，进行脱水、脱盐处理，然后分馏制成各种燃料油，如汽油、煤油、柴油等等。而制取塑料的原料则把石油进行一种叫做石油的裂化加工，先制取乙烯、丙烯等原料气，然后再进行加工聚合，就制成了聚乙烯、聚丙烯这样的物质，叫做树脂。再进行热加工制成各种物品才叫做聚乙烯塑料和聚丙烯塑料。塑料构成塑料主要成分是合成树脂，会根据需要，添加适当的合成物料，做成用途不同的塑料。塑料生产塑料经过对原材料的继续加工，通过模具成型挤压、吹塑等工艺，最终形成我们常见的塑料制品。聚乙烯（无毒，易燃）：指取材于大自然且保持着原本特质的材料聚氯乙烯（有毒、不易燃）塑料及其加工工艺1、塑料的种类塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料的物态变化是可循环的。加热时，固态塑料会软化、熔解而变为液态;冷却时，又会形成固态并恢复到原来的硬度。热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等应用：瓶类包装材料、水管等。热固性塑料的物态变化不可循环，原料加热后变为液体，可倒入模具成型，冷却后凝固成一定的形状，不能恢复到原来的状态。热固性塑料有酚醛塑料(电木)和尿素甲醛等应用：制作机械零件、座椅、工具手柄、

电器壳体等。热固性塑料塑料加工一般包括塑料的配料、成型、接合、装配、机械加工和表面处理等塑料加工工艺(1)塑材配料:塑料加工所用的原料，除聚合物外，还要加入各种塑料助剂(如稳定利、增塑剂、着色剂、润滑剂、增强剂和填科等)，以改善制品的使用性能并降低制品成本。(2)塑料成型:将各种形态的塑料(粉、粒、溶液或分散体)制成所需形状的制品或坯件。加工热塑性塑料常用的方法有挤出或注射成型、吹塑和热成型等。加工热固性塑料一般采用模压、注射成型等。塑料加工配料聚合物+稳定剂、增塑剂、着色剂、润滑剂、填料等等。塑料成型：将各种形态的塑料（粉、粒、溶液或分散体）制成所需形状的制品。注射成型注射成型工艺注射成型(InjectionMolding)：是指有一定形状的模型，通过压力将融熔状态的胶体注入模腔而成型，工艺原理是：将固态的塑胶按照一定的熔点融化，通过注射机器的压力，用一定的速度注入模具内，模具通过水道冷却将塑胶固化而得到与设计模腔一样的产品。主要用于热塑性塑料的成型，也可用于热固性塑料的成型。

吹塑成型（blowmolding）

热塑性树脂经挤出或注射成型得到的管状塑料型坯，趁热（或加热到软化状态），置于对开模中，闭模后立即在型坯内通入压缩空气，使塑料型坯吹胀而紧贴在模具内壁上，经冷却脱模，即得到各种中空制品。吹塑薄膜的制造工艺在原理上和中空制品吹塑十分相似，但它不使用模具，从塑料加工技术分类的角度，吹塑薄膜的成型工艺通常列入挤出中。热成型（thermoformmold）热成型加工是将片材夹在框架上加热到软化状态，在外力作用下，使其紧贴模具型面，冷却定型后即得制品，此法也用于橡胶加工。使用的塑料主要有聚苯乙烯。聚氯乙烯、聚烯烃等，成型方法有多种，都是以真空、气压或机械压力三种方法为基础加以组合或改进而成的。热成型可以生产最小的制件是药片的包装或手表的电池，也可以生产非常大的制品，比如3~5m长的花园水池。成型材料的厚度可以从0.05~15mm，对于发泡材料，厚度可以达到60mm。热成型(3)塑件接合及装配:用黏合、焊接以及机械连接等方法，将制成的塑料件组装成完整制品。把塑料件接合起来的方法有焊接和粘接等。(4)

机械加工:用于制造尺寸精确或教量不多的塑料制品。也作为成型的塑料加工辅助工序。(5)表面处理:进行表面处理的常用技术有溶剂清洗(脱脂）、电晕处理、短波紫外光辐射处理、砂纸处理、喷砂处理、等离子蚀刻、化学蚀刻、加热处理等。塑料接合及装配（二次加工）（焊接、粘接、机械连接）粘接塑料机械加工

用于制造尺寸精确或数量不多的塑料制品、也可作为成型的塑料加工辅助工序。加工工序有：锯、剪、冲、刨、钻、抛光等表面处理溶剂清洗电晕处理电晕处理电晕处理机：是一种硅橡胶、塑胶和其他材料的表面前处理的设备。通过电击处理，使承印物的表面具有更高的附着性。原理：利用高频率高电压在被处理的塑料表面电晕放电，而产生低温等离子体，使塑料表面产生游离基反应而使聚合物发生交联．表面变粗糙并增加其对极性溶剂的润湿性-这些离子体由电击和渗透进入被印体的表面破坏其分子结构，进而将被处理的表面分子氧化和极化，离子电击侵蚀表面，以致增加承印物表面的附着能力。短波紫外光辐射处理

喷砂处理塑料的焊接有焊接热板，超声波焊接、振动焊接、热塑性塑料摩擦焊接、植入焊接、激光焊接

焊接热板：热板焊接是塑料接头最简单的批量生产技术

超声波焊接方法通过机械高频振动形成接缝。交替高频应力在接头界面产生热量，形成高质量的焊接。

振动焊接：两个热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦，直到产生足够的热量熔化聚合物。

热塑性塑料摩擦焊接：固定一个基板，另一个基板以控制的角度旋转。当零件压在一起时，摩擦热导致聚合物熔化，冷却后形成焊接。

植入焊接：首先将金属嵌件夹在待接头的部件之间，然后通过感应或电阻进行加热。

激光焊接：焊接牢固，美观，整个焊接过程采用非接触焊接方式，塑料激光焊接过程更环保、更安全

所以可以选择用激光来焊接塑料三、金属及其加工工艺1、金属材料金属材料黑色金属：铁及其合金有色金属：不含铁元素有色金属轻金属：铝、镁、锂等重金属：铜、锌、镍等贵金属：金、银、铂等稀有金属：钨、钼、钛等黑色金属按用途：结构钢、工具钢、特殊性能钢按成分：碳素钢、合金钢按质量：普通钢、优质钢2、金属加工工艺金属加工工艺金属的表面处理金属的成型加工铸造塑性加工焊接切削加工

塑性加工的种类金属塑性加工的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造，轧制，挤压，拉拔，拉深，弯曲，剪切等几类。锻造——靠锻压机的锻锤锤击工件产生压缩变形的一种加工方法，有自由锻和模锻两种方式。自由锻不需专用模具，靠平锤和平砧间工件的压缩变形，使工件镦粗或拔长，其加工精度低，生产率也不高，主要用于轴类，曲柄和连杆等单件的小批生产。模锻通过上，下锻模模腔拉制工作的变形，可加工形状复杂和尺寸精度较高的零件，适于大批量的生产，生产率也较高，是机械零件制造上实现少切削或无切削加工的重要途径。轧制——使通过两个或两个以上旋转轧辊间的轧件产生压缩变形，使其横断面面积减小与形状改变，而纵向长度增加的一种加工方法。根据轧辊与轧件的运动关系，轧制有纵轧，横轧和斜轧三种方式。挤压——使装入挤压筒内的坯料，在挤压筒后端挤压轴的推力作用下，使金属从挤压筒前端的模孔流出，而获得与挤压模孔形状，尺寸相同的产品的一种加工方法。挤压有正挤压和反挤压两种基本方式。正挤压时挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向一致；反挤压时，挤压轴的运动方向与从模孔中挤出的金属流动方向相反。挤压法可加工各种复杂断面实心型材，棒材，空心型材和管材。它是有色金属型材，管材的主要生产方法。拉拔——靠拉拔机的钳口夹住穿过拉拔模孔的金属坯料，从模孔中拉出。而获得与模孔形状，尺寸相同的产品的一种加工方法。拉拔一般在冷态下进行。可拉拔断面尺寸很小的线材和管材。如直径为0.015mm的金属线，直径为0.25mm管材。拉拔制品的尺寸精度高，表面光洁度极高，金属的强度高（因冷加工硬化强烈）。可生产各种断面的线材，管材和型材，广泛