資源簡介

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第三節 材料與制造工藝
教材p83-p94
在完成產品深化設計之后，設計人員還需要了解材料的具體特性及其制造工藝，這是確定設計方案的一個重要環節。
技術探究
當你為你的設計選擇材料時，首先會考慮什么材料適合做這個產品。例如，雨傘傘面的布料需要有良好的防水性、延展性和彈性;燈罩的面料需要有較好的光線穿透性，防觸電并起到保護眼睛的作用。除此之外，還要考慮美學特征。
以下是我們生活中常用的物品(圖5-21)，你能將制造它們所用的材料一一列出來嗎
設計方案中的零部件需要由特定材料加工而成，每一種材料都有其功能及工藝特性，我們需要了解材料特性，并正確選擇材料和加工工藝。材料和加工工藝將直接影響產品的性能、成本和外觀等。
一、材料的分類
討論交流
生活中，我們經常會接觸到木材、金屬、塑料等材料，你知道材料是怎樣分類的嗎
材料一般可分為天然材料、加工材料和復合材料。
(一）天然材料
天然材料是指不改變其在自然界中保持的狀態，或只施加低度加工的材料，如木材、竹材、棉、毛、皮革、石材等（圖5-22)。
(二）加工材料
加工材料是指自然界存在的、不能直接使用的,或者自然界不存在的，需要經過人為加工或合成后才能使用的材料。如金屬、玻璃、尼龍、塑料、橡膠等(圖5-23）。
(三)復合材料
復合材料是揣運用先講的材料制備技術，將兩種或兩種以上不同性質的材料組分優化組合而成的具有綜合性能的新材料（圖5-24)。復合材料主要可分為結構復合材料(如玻璃纖維或碳纖維與樹脂復合而成的材料)和功能復合材料（如導電橡膠等)。
開眼界
智能材料
智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料。屬于智能材料的形狀記憶合金已廣泛應用于航空航天、機械電子、生物醫療、橋梁建筑、汽車工業及日常生活等多個領域（圖5-25)。
技術探究
材料除了可以按其來源進行分類外，還可以按照材料的物質結構、形態進行分類。請查閱相關資料，對材料進行分類，并將分類的結果與同學進行交流。
二、材料的性能
材料的性能可以分為物理性能、化學性能和加工性能等。材料的物理性能主要包括與外力有關的性能、與溫度有關的性能和與電有關的性能，其中，與外力有關的性能通常又稱為材料的機械性能或力學性能。材料的化學性能是指材料對外界接觸物的耐受性，也就是化學穩定性。在一般的工程領域，材料的機械性能與設計工作的關系甚為密切，最基本的有以下幾種。
(一）強度
強度是指材料承受外力而不被破壞（不可恢復的變形也屬被破壞）的能力。根據材料外部受力種類的不同，強度可分為以下幾種:
(1)抗拉強度——材料承受“拉伸”變形的能力(圖5-26 )。
(2)抗壓強度——材料承受“擠壓”變形的能力(圖5-27 )。
( 3)抗彎強度——材料對致彎外力的承受能力(圖5—28)。
(4)抗剪強度——材料承受剪切變形的能力（圖5-29)。
(5)抗扭強度——材料承受扭轉變形的能力(圖5-30)。
(二）彈性
彈性是指材料受外力作用改變形狀后，當外力消失時恢復原來形狀的能力。
(三）韌性
韌性是指材料抗沖擊震動的性能。例如。玻璃的韌性較差,受到撞擊易碎。橡膠的韌性好，常被用來制造減震零件。
(四）硬度
硬度是指材料抵抗刮削、切割或磨損的能力。例如，制作切削工具用的鋼材具有較高的硬度，而木材、橡膠的硬度要低一些。
(五）延展性
延展性是指材料接受折、鍛、壓等外力，被改變形狀、被延伸時沒有斷裂或破裂的性能。例如，鋁的延展性好,可以壓制成盤、碗等,而木材則不能。
材料的加工性能是指材料被加工時所體現出來的特性，又稱工藝性能。例如，塑料和一些金屬材料可以熔鑄成型，有的金屬適宜鍛造成型，有的金屬適宜彎折成型，而木材則更適宜切削加工。各種材料材質不一樣，加工時的難易程度也不同。
技術實踐
對下表中所列材料的不同性能進行對比分析，用星級教示。
創客坊
不同物品需要其制作材料具有不同的性能，請按要求將你知道的物品填入下表相應的欄內
三、常用材料及其加工工藝
材料的種類繁多，接下來將介紹三種運用最為廣泛的材料及其加工工藝。
(一)木材及其加工工藝
1.天然木材
調查研究
調查校園或公園里種植了哪些種類的樹木，其材質（如硬度等)各有什么特點。
木材由樹木加工而成，是一種被廣泛使用的天然材料。木材的種類繁多，性能差異較大。如木材的密度不同導致其強度不同，木材的含水率不同導致其加工工序、用途、耐久性不同。木材主要由木纖維構成，沿著纖維方向和垂直纖維方向的力學性能是不同的，“橫木壓百斤，立木頂千斤”說的就是木材沿著纖維方向的抗壓能力強。表5-2列出的是幾種常用的木材。
2.人造板材人造板材包括膠合板、創花板、纖維板、飾面板等(圖5-31)。
人造板材具有可供使用的面積大、不易彎曲開裂、厚薄均勻、表面光潔平整、加工和使用都很方便、價格便宜、美觀實用等優點。因此，人造板材被廣泛應用于家具制造、房屋裝修、車船制造等各個行業。在現代的各種木制品中，凡需要用板材的地方，幾乎都可以見到人造板材(圖5-32 )。
3.木材加工工藝
人造板材座椅面的加工流程
如圖5-33所示:第一步，將預先切割好并上過膠的單板，兩兩以木紋成90°的方式依次堆疊成所需厚度的合板;第二步，將堆疊好、尚未壓合的合板放置在公模和母模中間;第三步，經過壓合、定形之后制咸座椅面;第四步，將座椅面邊緣多余的板材切除。
在批量生產中，大多數的手工操作被專門的機器生產所替代。正常狀態下的木材及其制品，都會含有一定量的水分。新鮮木材在加工前多會進行烘干處理并測量含水率，確保木材含水率處于當地平衡狀態，避免木制品開裂和變形。木材的主要加工工藝見表5—3。
(二）塑料及其加工工藝
1.塑料的種類
塑料是現代廣泛使用的人造材料，是一種石油化工產品。塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。
熱塑性塑料的物態變化是可循環的。加熱時，固態塑料會軟化、熔解而變為液態;冷卻時，又會形成固態并恢復到原來的硬度。常見的熱塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等，此類塑料不宜制作承受高溫的物品，僅可做一般日用品和建筑用品，如瓶類包裝材料、水管等。
熱固性塑料的物態變化不可循環，原料加熱后變為液體，可倒人模具成型，冷卻后凝固成一定的形狀,不能恢復到原來的狀態。常見的熱固性塑料有酚醛塑料（電木）和尿素甲醛等，此類塑料可用于制作機械零件、座椅、工具手柄、電器殼體等。
兩類塑料都可方便地制成各種形狀的物品(圖5-34)。
2.塑料加工工藝
塑料瓶加工工藝流程
如圖5—35所示:第一步，將預制管材置入模具之內;第二步，將高壓空氣注入預制管材內，使之和模具密合，以完咸我們想要的形狀;最后將成品脫模。
塑料加工一般包括塑料的配料、咸型、接合、裝配、機械加工和表面處理等，后四個工序是在塑料已成型為成品或半成品后進行的，又稱為塑料二次加工。
塑料的具體加工工藝如下:
(1)塑材配料:塑料加工所用的原料，除聚合物外，還要加入各種塑料助劑（如穩定劑、增塑劑、著色劑、潤滑劑、增強劑和填料等），以改善制品的使用性能并降低制品成本。
(2）塑料成型:將各種形態的塑料(粉、粒、溶液或分散體）制成所需形狀的制品或坯件。加工熱塑性塑料常用的方法有擠出或注射成型、吹塑和熱成型等。加工熱固性塑料一般采用模壓、注射成型等。上述塑料加工的方法，均可用于橡膠加工。
(3）塑件接合及裝配:把塑料件接合起來的方法有焊接和粘接等。用黏合、焊接以及機械連接等方法，將制成的塑料件組裝成完整制品。
(4）機械加工:用于制造尺寸精確或數量不多的塑料制品，也作為成型的塑料加工輔助工序。對塑料進行機械加工時，所用刀具及其切削速度等都要適應塑料熱導性差、熱膨脹系數低的特點。常用機械加工方法有鋸、剪、沖、刨、鉆、磨、拋光、螺紋加工等。
(5）表面處理:由于大部分塑料的表面附著能力低，裝飾、印劇、噴涂等處理方法都不能直接使用，進行表面處理的常用技術有溶劑清洗（脫脂)、電暈處理、短波紫外光輻射處理、砂紙處理、噴砂處理、等離子蝕刻、化學蝕刻、加熱處理等。
(三）金屬及其加工工藝
1.金屬材料
金屬材料(圖5-36）一般可分為黑色金屬和有色金屬兩大類。
黑色金屬主要是指鐵及其合金;有色金屬為不含鐵金屬，包括輕金屬(鋁、鎂、鋰等)、重金屬(锏、鋅、錦等)、貴金屬(金、銀、鉑等）和稀有金屬(鎢、鉬、鈕、鈦等）等。
黑色金屬〔鋼鐵）在金屬材料中所占的比重最大，使用范圍也最廣。黑色金屬種類繁多,人們采用不同的方法對其進行分類。例如:按用途將鋼材分為結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼;按成分將鋼材分為碳素鋼（又細分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼）和合金鋼（又細分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼)﹔按質量將鋼材分為普通鋼和優質鋼;還有按冶煉方法來分類,按加工工藝特點來分類;等等。
2.金屬加工工藝
金屬加工工藝主要包括金屬的成型加工和金屬的表面處理。金屬的主要成型方法有鑄造、塑性加工、焊接和切削加工等。
(1）鑄造:是指將熔融態金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法，相對其他成型方法有適應性強和成本低廉的特點。
(2）塑性加工:是指在外力作用下，使金屬坯料產生預期的塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的毛坯或零件的加工方法，能夠使產品的功能性與美觀性達到協調統一，以其生產效率高、質量好及成本低等優點在產品生產中占有重要地位。金屬的塑性加工方法主要有軋制、擠壓、拉拔、自由鍛造、模型鍛造、板料沖壓等。
(3)焊接:將分離的金屬用局部加熱或加壓等手段，借助于金屬內部原子的結合與擴散作用牢固地連接起來，形成永久性接頭的過程稱為焊接。金屬焊接按其過程特點可分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。
( 4）切削加工:是利用切削刀具在切削機床上(或用手工）將金屬工件的多余加工量切去，從而獲得符合要求的幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。金屬切削加工可分為鉗工和機械加工兩部分。鉗工的基本加工方法有劃線、基切、鋸割、銼削、鉆孔、攻絲、套扣和刮研等。機械加工包括車削、銑削、刨削、磨削、鉆削、鏜削等。
調查研究
查閱相關資料，了解金屬表面處理技術的作用及其包括哪些主要加工工藝和加工方法。
四、設計時如何選擇材料
在設計時，如何正確、合理地選用材料是一個實際而又重要的問題。它是設計的起點，并影響到設計產品內在和外觀的質量。
選擇材料不僅要考慮材料自身的特性應與設計產品相適應，還要考慮材料與人、環境的有機聯系。選擇材料時,考慮的要點如下:
(1）材料的固有特性應滿足設計產品的使用功能、使用壽命等要求。產品的使用功能和壽命是最基本的，也是主要的設計要求。所以，首先必須考慮材料的固有特性能否實現產品的功能，材料的耐久性能否保證產品的使用壽命。在此前提下考慮其他問題才有意義。
(2）材料的工藝性應方便設計產品，實現制造結構，有利于優化生產加工工藝過程。產品的制造結構對應著制造工藝，如模鑄、沖壓、彎折或切削等。要考慮材料的工藝性是否適應制造要求，并在可能的前提下優先選擇工藝難度小和生產成本低的材料。
(3）材料的質感應與設計產品的造型特點、民族和她域特征、文化藝術品位等設計風格相協調，以實現較好的外觀效果。
(4)有安全性等特殊要求的產品或零部件的選材要按照有關標準選用。例如，醫院的某些電療設備與病人接觸的部位，其表面應選擇絕緣且抗靜電的材料。
(5）在滿足設計要求的基礎上，優先選擇資源豐富、價格低廉、有利于環保的材料。
(6）注意市場調研，了解消費者對選材的期望，并在合理的前提下盡量滿足消費者的需求;同時，注意發揮新材料的優勢為設計服務。
( 7)注重人類社會可持續發展原則，設計選材時應研究產品的整個生命周期對自然環境的影響，要盡量減少對環境的污染和破壞，減少對資源的浪費，充分考慮材料的回收、再生和重復利用，以利于節約資源和保護環境。
調查研究
學習材料的相關知識之后，調查市場上銷售的垃圾桶使用的材料并進行總結，結合功能與產品定位,分析選擇該材料的原因。
技術實踐
請為教師辦公室用生態垃圾桶（或其他產品）的設計方案選擇合適的材料和加工工藝。
五、產品的裝配
裝配是將材料和零部件“組合”咸結構或產品的過程,有三種不同類型的連接方法，分別是永久連接、暫時連接和活動連接。
(一）永久連接
木材的永久連接包括斜接、齒接、半疊接、插接、對接、搭接、榫接(圖5-37)，以及黏合劑膠合等;金屬的永久連接包括釬焊、熔接、鉚接、膠合等;塑料的永久連接主要為膠合。
(二）暫時連接
暫時連接指在某些時候不得不分離或“不完整”的連接(圖5-38 )。
(三）活動連接許多設備依靠活動連接進行操作。活動連接又分為線性活動（沿一條直線）連接和轉動活動（旋轉）連接（圖5-39)。
技術實踐
試著為你設計的教師辦公室用生態垃圾桶（或其他產品）選擇適合的裝配方式并解釋原因。

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