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第六章　模型或原型的制作
知识体系
教材解读
一、模型或原型的特性与作用
1.模型是根据实物、设计图样或构思,按比例、生态或其他特征制成的与实物相似的一种物体。原型可以是产品本身,也可以是在产品生产之前制作的与产品大小相同、使用功能一致的物体。
2.模型制作是产品设计过程中不可缺少的环节。模型制作的过程不仅是设计思想体现的过程,也是发展构思的创造性过程。由于模型有制作成本低、便于修改等优点,设计者一般通过模型来呈现产品的设计方案。
3.模型在设计的过程中,具有以下两个功能:①使设计对象具体化;②帮助分析设计的可能性。
4.根据设计的要求,可先后制作草模、概念模型、结构模型、功能模型和展示模型等多种模型。
二、材料的性能与规划
1.材料的性能与应用
(1)材料的含义
材料是人类用以制成生活和生产中的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质,它是人类生存和发展的物质基础,是人类社会现代文明的重要支柱。材料是产品设计的物质条件,是产品设计的基础和前提。材料以其自身的特性影响着产品设计,维持产品功能的形态,满足产品功能的要求。
(2)材料的分类
在工程领域,一般将材料按化学成分分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。木材、金属材料、塑料等都是常见的材料。
①木材是一种优良的造型材料,其具有较好的强度性能及优良的加工性能。木材可分为实木板材和人造板材。实木板材有指接板、集成板、薄木和单板等。实木材料具有各向异性的特点,在自然条件下具有吸湿而膨胀、解吸而收缩的特性。木材暴露在空气中时,容易受温度和湿度的影响,发生尺寸、形状和强度的变化,出现变形、开裂、扭曲和翘曲等现象。人造板材有密度板、刨花板、胶合板、细木工板、三聚氰胺板等。人造板材在幅面方向上的尺寸稳定性好,较实木而言适用范围更广。
②金属材料是指由纯金属或合金构成的材料,具有金属光泽,有良好的导热和导电性能,以及优良的力学性能和可加工性能。金属材料的力学性能主要包括强度、刚度、硬度等,一般以抗拉强度作为判别金属强度的指标。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标,它直接影响材料的耐磨性和切削加工性。
③塑料是一种具有多种特性的材料。它原料来源广,性能优良(质轻,具有绝缘性、耐腐蚀性等),加工成型方便,具有装饰性,而且价格比较低廉,广泛应用于仪器、仪表、家用电器、包装及日常生活用品等各领域。塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料是指在一定的温度范围内,能反复加热软化至熔融流动,冷却后能硬化成一定形状的塑料。热塑性塑料受热后可多次成型,废料可回收再利用。热固性塑料是指在初次成型后形状固化下来,不能再次热熔或软化的塑料。在需要隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中使用的塑料,大部分是热固性塑料。
④新材料是指新出现的具有优异性能或特殊功能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材料,如超导材料、碳纤维、石墨烯、柔性玻璃、形状记忆合金等。
(3)材料的强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。强度是评定材料质量的重要力学性能指标,是设计中选用材料的主要依据之一。根据受力种类的不同,分为抗压、抗拉、抗弯、抗剪等。
2.材料的性能
在产品设计选择材料时,首先应该考虑材料的性能是否能满足产品的使用功能、使用环境、结构要求等。还需要考虑材料应具有良好的加工性能,符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求,优先选择技术难度小、工艺简单、材料利用率高,并与加工设备及生产技术相适应的材料。
3.材料的成本
材料的价格和加工成本直接影响着产品的性价比。应在满足设计要求的基础上,结合材料的成本,优先选用资源丰富、价格低廉、质量上好的材料。选择材料时,安全是最基本的因素,材料的选择应充分考虑可能遇到的各种危险。
4.材料的规划
在规划材料时,一要做到料尽其用,优材不劣用,大材不小用,长材不短用。二要充分考虑材料的颜色、花纹和光泽,外用料要选择材质好、纹理美观、涂饰性能好的材料。三要考虑材料的加工余量和损耗等因素,保证各部件的顺利装配和作品的尺寸精度。
三、工艺的类别与选择
1.工艺的含义
工艺是指利用工具和设备对原材料、半成品进行技术处理,使之成为产品的方法和过程。
2.常用的工艺
在制造领域,常用的工艺有木工工艺、钳工工艺、金属切割工艺、焊接工艺、铸造工艺、锻造工艺、冲压工艺、热切割工艺、金属材料热处理工艺等。随着科技的发展,激光加工、快速成型、电火花加工等新的加工工艺不断
涌现。
3.木工工艺
木工是以木材为基本制作材料,以锯、刨、凿、连接、表面处理等工序进行造型的一种工艺。常用的木工手工工具有量具、画线工具、锯类工具、刨类工具、制孔类工具等。
木工加工的常见工序:画线→锯割→刨削→凿削→连接→表面处理。
常用的量具:钢卷尺、钢直尺、角尺。
常用的画线工具:木工铅笔、墨斗、画线规等。
锯割:是将尺寸较大的木材沿着画定的线开锯、分解、开榫、锯削、截断的一种操作。锯割加工常用的工具有板锯、刀锯、钢丝锯等。
刨削:刨类工具的种类很多,按其用途可分为平刨、槽刨、线刨、边刨等。平刨是木工使用最多的一种刨,主要用来刨削木料的表面。
钻孔:木工常用的钻孔工具有凿子、手摇钻、手电钻和台钻等。使用手电钻时,应单手持钻,对准孔中心,扣紧开关,均匀用力加压。待孔快钻透时,减小压力。
连接:木材的连接方式主要有螺栓连接、钉接、榫接、合页连接、胶连
接等。
表面处理:常见的木工表面处理工具有抛光研磨机、木工锉、砂纸等。
4.金工工艺
金属材料的加工包括划线、锯割、锉削、钻孔、连接、攻内螺纹和套外螺纹等加工过程。
(1)划线一般步骤为①划基准线,②划加工尺寸线,③划轮廓线,④冲眼。
常用工具:划针、钢直尺、角尺、划规和样冲等。
(2)锯割起锯方法:①一般从工件远离自己的一端起锯,锯条和工件的倾斜角约为15°;②用拇指挡住锯条,使它正确地锯在所需的位置上;③起锯时行程要短,压力要小,当锯条陷入工件2～3 mm时,才能逐渐正常锯割。
锯割操作要领:①站位和握锯姿势要正确;②推锯加压,回拉不加压;③锯程要长;④推拉要有节奏。
(3)锉削操作要领:①锉削时,一般用右手紧握锉柄,左手握住或扶住锉刀的前端,在推锉过程中,左手的施压要由大变小,右手的施压要由小变大,使锉刀平稳而不上下摆动;②锉削时,不要用嘴吹切屑,以防切屑飞入眼内,也不要用手去清除切屑,以防扎伤手指,应使用刷子清除切屑。
(4)钻孔的操作步骤:①样冲定位,②装夹钻头,③装夹工件,④钻孔。钻床安全操作警示:二要(操作要集中注意力;钻孔要戴防护眼镜,以防钻屑飞出伤害眼睛);二不(不准戴手套操作,以防钻头卷住手套而伤害手指;不能用手直接扶持工件,以免造成伤害事故)。钻孔时常用的钻头是麻花钻。
5.螺纹加工
(1)攻内螺纹工具:丝锥和丝锥扳手。
工作流程:底孔倒角→选择丝锥→装夹工件→攻内螺纹。
(2)套外螺纹工具:圆板牙和圆板牙扳手。
工作流程:倒角→选择板牙→装夹工件→套外螺纹。
四、制作台灯模型或原型
1.制作模型的几个步骤:
(1)依据设计方案选择合适的材料;(2)根据学校实践室的实际配备条件,准备适当的工具和加工设备;(3)按设计图样画线;(4)对材料进行锯割、切削等加工;(5)装配连接;(6)表面处理;(7)对产品的外观造型和色彩进行评价;对产品的结构、功能进行检测和试验,检验是否符合设计要求;(8)对设计方案进行修改,做成展示模型。
2.材料和工具准备好后,就进入工艺制作过程。在整个制作过程中,一方面应注意选择合理的加工工艺,另一方面应注意操作过程的合理安排和安全规范。在模型或原型制作完成之后,一般要对产品的外观进行润色,以使产品更美观,更符合人们的心理需求。
典例变式
[典例1] (2023·浙江1月选考)下列是通用技术实践课上同学们进行的加工操作,其中不符合操作要领的是(　 　)
D
解析:本题考查金属的加工操作和木材的加工操作。选项A为木材的刨削操作,图中双手握持木工刨把手进行刨削操作,并且食指轻压住工具,以作扶正和导向用,该操作符合操作要领;选项B为板锯锯割木板的操作,由于画线时要根据锯割的需要留有一定的余量,所以可以正对着画线位置进行锯割。在使用板锯进行锯割时,左手扶住木板,右手握持板锯进行锯割,该操作符合操作要领;选项C为金属的直锉法锉削操作,锉削时,一般用右手紧握锉柄,左手握住或扶住锉刀的前端,且保持锉刀平稳而不上下摆动,该操作符合操作要领;选项D为套丝操作,图中手的位置有误,起套时,一只手掌心按住扳手中部工件轴线下压,另一只手配合做顺向旋进;正常套丝时两手应握住扳手两端,均匀施加压力,并不是像图中两只手在扳手同一侧的操作,故该操作错误。
[变式1] (2023·浙江1月选考)小明准备在通用技术实践室用实木板制作一个如图所示的工具篮,下列关于中间隔板加工流程的设计分析中不合理的是(　 　)
A.用实木板加工时,先刨削再画线
B.加工外形时,先用板锯锯直边,再用钢丝锯锯曲边
C.加工提手孔时,先用手摇钻钻一排孔,再用钢丝锯锯割
D.提手孔倒角时,先用木工锉锉削,再用砂纸打磨
C
解析:本题考查木材加工工艺。选项A中,材料为实木板,表面会存在凹凸不平的情况,为了保证画线的平整,需要先刨削再画线,故正确;选项B中,板锯用于切割较宽的木板,且只能锯直边,钢丝锯可以锯曲边,特别是其中的凹曲面,故正确;选项C中,加工中间的提手孔,需要先钻一个孔,再用钢丝锯穿过孔再组装起来将提手孔锯出来,不需要钻一排孔,故错误;选项D中,提手孔圆边倒角不能用木工刨,要先用木锉锉削粗加工,再用砂纸打磨细加工,故正确。
[变式2] (2024·浙江6月选考)下列金工操作中不符合操作要领的是(　 　)
C
解析:在进行金工划线时,使用钢直尺作为导向工具,划线时针尖要紧贴导向工具的边缘,选项A正确;在对金属工件进行正常锯割时,锯割线位于台虎钳左侧,右手满握锯柄,主要用于推拉钢锯,左手轻扶锯弓前端,主要用于加压和调节锯割方向,选项B正确;在进行金属锉削时,将两只手同时握在锉刀的手柄处,这样不利于锉削操作,而应该右手握住锉刀的手柄,左手搭扣在锉刀的前端,因此选项C错误;在进行正常攻丝时,工件应夹持在台虎钳中央上方,两手握住绞杠两端,进行旋转操作,选项D正确。
[典例2] (2025·浙江6月选考)在通用技术实践课中,小明用一块长210 mm、宽100 mm、厚2 mm的钢板加工出如图所示的沥水篮。请根据题图及其描述完成第(1)～(2)题。
(1)下列操作中,不合理的是(　　)
A.划线时,先在钢板上划矩形板,再划耳板
B.底板按100 mm×60 mm进行划线
C.锯割底板时,在线的外侧留余量
D.锉削时,用手清除锉刀上的切屑应戴手套,防止扎伤手指
D
解析:(1)本题考查金工操作要领及注意事项。A选项,划线时先确定几块矩形板的位置,以尽量减少锯割操作,最后留出的空间用来划占用面积最小的耳板。B选项,根据图中所示的尺寸,底板按100 mm×60 mm 进行划线。C选项,划线位置是精准的,留出的是锉削余量。D选项,锉削操作时产生的铁屑不能用嘴吹或用手去抹,锉刀上的铁屑要用钢丝刷清理。
(2)下列加工流程中,合理的是(　　)
A.划线→锯割→锉削→钻孔→焊接 B.划线→锯割→锉削→焊接→钻孔
C.划线→钻孔→锯割→锉削→焊接 D.划线→锯割→钻孔→焊接→锉削
解析:(2)本题考查金工流程的设计。焊接应放在其他操作的后面,B选项将钻孔放最后,接缝位置比较脆弱,特别是钻耳板时,易使耳板脱落;D选项将锉削放最后,焊接前,若表面不平整,无法实现牢固连接。耳板太小,不易用手钳夹持,因此要在锯割前,先钻好孔,再将耳板锯下来,所以答案是C。
C
[变式3] (2024·浙江1月选考)如图所示的摆杆,小明在通用技术实践课上用厚度正好的钢板加工该零件。请根据题图完成第(1)～(2)题。
(1)下列是小明设计该零件加工流程时进行的分析,其中不合理的是(　　)
A.先划对称线和中心线,再冲眼、划圆,然后划轮廓线
B.加工外形轮廓时,根据划出的轮廓线进行锯割,然后锉削轮廓的平面和半圆弧面
C.加工大孔和螺纹孔时,先钻大孔,后钻螺纹底孔,加工完槽1再攻丝
D.外形轮廓和大孔及螺纹底孔加工后,再加工槽1
C
解析:(1)本题考查金工加工流程。选项A先划对称线是确定基准,划中心线是确定各个圆或圆弧的圆心,再冲眼是防止使用划规时出现滑移,最后划出必要的轮廓线。选项B已说明是外形轮廓,所以不包含孔和槽,因此只需要先锯割后锉削。选项C大孔和螺纹孔是一大一小的阶梯孔,这种孔的加工是由小径到大径依次加工,因此选项中先钻大孔的做法错误。选项D若先加工槽1,再钻大孔和螺纹孔底孔,被锯薄的工件在钻孔时易出现变形,且两孔没有连接,无法一次钻出,就保证不了两孔的对齐精度。
(2)加工该零件时,下列操作中不正确的是(　　)
A.划轮廓线时,轮廓尺寸包含锉削余量
B.钻孔时不戴手套,工件用平口钳夹紧
C.正常锯割时,锯程不小于锯条长度的2/3为宜
D.攻丝时,丝锥的切削部分全部进入工件,就不再施加压力
A
解析:(2)本题考查金工加工操作。金工划轮廓线时不需要留余量,在锯割时要留有适当的锉削余量,选项A错误;由钻床安全操作可知,钻孔时不准戴手套操作,以防钻头卷住手套而伤害手指。利用槽1和槽2的宽度可以判断该工件在钻孔时可以用平口钳加紧,选项B正确;由锯割操作要领可知,正常锯割时,锯程要长,不小于锯条长度的 2/3为宜(课本原话),选项C正确;由攻内螺纹方法可知,当丝锥的切削部分全部进入工件时,就不再施加压力(课本原话),选项D正确。
[典例3] (2025·浙江1月选考)在通用技术实践课中,小明准备把如图所示的小木块加工成盒体与盒盖。下列选项中工具的选择不恰当的是(　 　)
A
解析:本题考查木工工艺的工具选择。钢丝锯主要用于锯割弧形半径较小的薄板或胶合板,它不适用于将木块分成两半,选项A错误;可以利用钢直尺上的刻度在小木块上标记,确定加工位置,选项B正确;木工凿具备在木块上凿出内凹部分的功能,选项C正确;对于盒盖凸台侧立面这样较小的木料加工面,可以选择木工锉将木材表面加工光滑,选项D正确。
[变式4] (浙江选考真题)通用技术实践课上,小明准备用160 mm×45 mm×
8 mm的钢板加工该零件,下列说法中不正确的是(　 　)
A.可用半圆锉来锉削加工R22的圆弧
B.加工流程可以为:划线→冲眼→钻孔→锯割→锉削
C.为防止钻屑伤手,在台钻上钻孔时要戴手套
D.加工中需要用到钢直尺、钢锯、划规、麻花钻
C
解析:根据金工钻孔的操作要领“二要二不”可知,在钻孔的时候不准戴手套,以防钻头卷住手套而伤害手指。故选C。
[典例4] 去除金属锐边和毛刺的加工方法是(　 　)
A.锯割 B.钻孔
C.锉削 D.划线
C
解析:本题考查根据实际的加工要求选择合理的工艺。本题要求能区别划线、锯割、锉削、钻孔等基本金属加工工艺。能理解锯割是切割金属的主要方式;钻孔就是在实体材料上打孔;锉削是为了使工件符合设计所要求的形状、尺寸和粗糙度而采用的切削加工;划线就是在待加工的材料上用相应的工具划出加工部件的轮廓线或基准点和基准线。故选C。
[变式5] (2023·浙江6月选考)下列通用技术实践操作过程中,不合理的是
(　 　)
A.凿眼前先将木料固定,敲击凿子时,一手紧握凿柄,不让凿子摆动
B.在电路板上手工锡焊元器件时,按以下步骤进行:加焊锡→加热焊盘和焊件→移走焊锡→移走烙铁
C.在金属小工件上钻孔时,用专用工具夹持,不能直接用手扶持
D.削金属工件时,用刷子清除切屑,不能用嘴吹切屑或直接用手清除切屑
B
解析:应先加热焊盘和焊件再加焊锡。
[典例5] (2021·浙江6月选考)用厚度为8 mm的钢板制作如图所示零件,下列加工流程中合理的是(　 　)
A.划线→冲眼→钻孔→锯割→锉削→淬火
B.划线→锯割→锉削→淬火→冲眼→钻孔
C.划线→冲眼→钻孔→淬火→锯割→锉削
D.划线→锯割→锉削→钻孔→冲眼→淬火
A
解析:本题考查金工操作流程。题目所给的材料为 8 mm 厚的钢板,应用金工工艺加工。因为淬火之后工件变硬,不方便锯割与钻孔故选项B、C错误;冲眼应放在钻孔之前,故选项D错误;锯割之后应有锉削,合理的流程为“划线→冲眼→钻孔→锯割→锉削→淬火”,故选项A正确。
重难拓展
1.常用金工划线工具的用途及操作要领
图示 名称 用途 操作要领
划针 划出直线 线痕 ①划针的头保持锐利;②划线时划针要紧贴导向工具
钢直尺 划直线的导向工具; 用于量取材料的尺 寸、测量工件等 划线要尽量一次划成
角尺 划出平行线或垂直 线的导向工具;检查 锉削平面的垂直度 角尺要紧贴工件的一个基准面,划线时要压紧直尺,防止发生移动
划规 划出圆或 圆弧的 线痕或 量取尺寸 ①划规的脚尖保持尖锐;②划线时保持中心不发生滑移
样冲 钻孔中心 处冲出冲 眼,防止钻 孔时滑移 ①斜着靠近冲眼部位;②冲眼时冲尖对准划线的交点;③敲击前扶直样冲;④配合金工锤一起使用
2.常用金工锯割工具的用途及操作要领
图示 名称 用途 操作要领
钢锯 锯割 金属 材料 (1)锯条的安装:应使锯齿朝前,要装得平正,不能扭曲,松紧适宜。
(2)钢锯的正确握法:握锯时右手握锯柄,左手扶弓,右手推拉,左手向下加压及控制方向。
(3)起锯方法:起锯的方式有两种,一种是从工件远离操作者身体的一端起锯,称为远起锯:另一种是从工件靠近操作者身体的一端起锯,称为近起锯。一般采用远起锯。起锯角度约为15°,为使起锯的位置准确和平稳,起锯时一般采用左手大拇指挡住锯条的方法来定位,起锯时用力要轻些,锯程要短些,加压要小些,当锯条陷入工件2～3 mm时,才能逐渐正常锯割。
(4)操作要领:①站位和握锯姿势要正确;②推锯加压,回拉不加压;③锯程要长;④推拉要有节奏。
(5)工件夹持:夹在台虎钳的左侧,使锯割线竖直直线向下,并且靠近钳口边缘。锯割线在轮廓线的外侧,注意留有锉削余量
3.常用金工锉削工具的用途及操作要领
4.常用金工钻孔工具的用途及操作要领
5.木工加工工艺简介
(1)木工加工的常见工序
画线→锯割→刨削→凿锉→连接→表面处理。
(2)榫头和榫孔的加工工艺
榫头加工 榫孔加工
画线→锯割→锉削 画线→锯割→凿削→锉削 画线→凿削→锉削
(3)木工常见的连接方式
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