（设计艺术学专业论文）造物“选”材·“适”之为良——产品设计中金属工艺相适性研究.pdf

中文摘要 我们应当认识到金属工艺的相适性理论对于构建产品设计的理论体系起着 极为重要的作用，从现实的角度来看，企业也急需要产品设计中金属工艺的相 适性理论的相关研究，以期望在激烈的市场竞争中获得竞争优势。从现代产品 设计开发的国内外存在的差异现状来看，国外企业在投入新产品前，会花相当 一部分的预算来对产品进行预测，同样也对作为产品设计中重要环节之金属工 艺进行研究，其中包括工艺技术的可达性、制造工艺成本、消费者喜好以及工 艺的环保性等，力求达到一个让用户和企业本身相对满意的产品，但是国内目 前企业在这块尚缺乏正确的认知。 鉴于此，本文依托社会学、心理学等方面的理论来切入产品设计中金属工 艺相适性的研究，期待建构较为广泛的知识框架来明确相适性的研究方法。设 计是以一定的目的和方式来达到外部客观条件和内部关系相适应的人为相适性 系统，其中，材料与工艺是这个相适性系统中的内部因素。设计师充分发挥人 的主观能动性，在选择工艺的时候并不是盲目选择，最终选择的工艺效果可能 不是最优，但往往是最适合的，体现了工艺选择的相适性要求。 本文的基本框架分为四个部分： 第一部分为本文的第一章和第二章，对问题的研究背景、现有成果综述以 及产品设计中金属工艺的相适性研究做了一个大致的定义分析，重点界定了本 文的研究内容和方向，阐明了影响工艺相适性的内外部因素。 第二部分为本文的第三章，阐述了从春秋战国时期到明清时期中国古代传统 金属工艺的发展，从宏观的历史角度进行纵向研究，并通过分析其中的优秀案 例来说明古代金属工艺中夹杂着的相适性思想。 第三部分为本文的第四章，通过阐述了世界现代金属工艺的基本流程来对相 适性理论进行横向研究，进一步探讨金属工艺的相适性，这一章是本文的重点案 例研究。 第四部分为本文的第五章到第六章，强调了人在设计中选择金属工艺的主观 能动性，对主要成果和思路进行总结，并且对其发展趋势进行了展望。 关键词：相适性，金属工艺，主观能动性 a b s t r a c t w em u s tr e a l i z et h a tt h em a t c h i n gp r i n c i p l eo fm e t a lc r a f tp l a yt h ee x t r e m e l y v i t a lr o l et oc o n s t r u c tt h ep r o d u c td e s i g nt h e o r ys y s t e m i nt h ev i e wo fr e a l i t ya n g l e ， t h ee n t e r p r i s ea l s on e e dc o r r e l a t i o nr e s e a r c ho fm a t c h i n gp r i n c i p l eo fm e t a lc r a f ti n p r o d u c td e s i g na n x i o u s l y , e x p e c t e do b t a i n st h ec o m p e t i t i v ea d v a n t a g ei nt h ei n t e n s e m a r k e tc o m p e t i t i o n l o o k e df r o md i f f e r e n c ep r e s e n ts i t u a t i o no fm o d e mp r o d u c t d e s i g nd e v e l o p m e n te x i s t e n c e sb e t w e e nd o m e s t i ca n df o r e i g n , t h e0 v c r s e a se n t e r p r i s e w i l ls p e n dq u i t ep a r to fb u d g e tt oc a r r yo nt h ef o r e c a s ti n v e s t i g a t i o no ft h ep r o d u c ti n f r o n to ft h en e w p r o d u c td e s i g n t h e ya l s or e s e a r c ht h ei m p o r t a n tm e t a lc r a f to ft h e p r o d u c td e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec r a f tt e c h n o l o g yp o s s i b i l i t y , t h em a n u f a c t u r ec r a f tc o s t , t h ec o n s u m e rl i k e sa sw e l la st h ec r a f te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo n , m a k e s e v e r ye f f o r tt om a k et h e 越锨a n dt h ee n t e r p r i s es a t i s f y , b u tt h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e s t i l ll a c k e dt h ec o r r e c tc o g n i t i o ni nt h i sa p r e s e n t i nv i e wo ft h i s , t h i sa r t i c l ed e p e n d so ns o c i o l o g y ，p s y c h o l o g yt h e o r ya n ds oo n c u t si n t ot h em e t a lc r a f ts u i t a b l er e s e a r c ho fp r o d u c td e s i g n , a n t i c i p a t e dt oc o n s t r u c t t h em o r ew i d e s p r e a dk n o w l e d g ef r a m et oe x p l i c i tt h es u i t a b l er e s e a r c ht e c h n i q u e t h e d e s i g ni sa l la r t i f i c i a lc o m p a t m l es y s t e mt oa c h i e v et h ed e t a c h m e mc o n d i t i o na n d i n t e r n a lr e l a t i o n sa d a p t e dw i t hc e r t a i ng o a la n dt h ew a ye x t e r i o r t h em a t e r i a la n dt h e c r a f ta r ei nt h i sm a t c h i n gp r i n c i p l es y s t e mi n t e r n a lf a c t o r d e s i g n e rf u l l yd i s p l a y s p e r s o n ss u b j e c t i v ei n i t i a t i v e ，w h e nc h o o s i n gc r a f t t h ef i n a l l yc r a f te f f e c ti sn o t p o s s i b l ym o s ts u p e r i o r , b u to f t e ni sm o s ts u i t a b l e ，m a n i f e s t e dt h es u i t a b i l i t yr e q u e s to f c r a f tc h o i c e t h ea r t i c l eb a r eb o n ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ： t h ef i r s tp a r tf o rt h i sa r t i c l ei st h ef i r s tc h a p t e ra n dt h es e c o n dc h a p t e rw h i c h m a d ea na p p r o x i m a t ed e f i n i t i o na n a l y s i so ft h eq u e s t i o nr e s e a r c hb a c k g r o u n d , t h e e x i s t i n ga c h i e v e m e n ts u m m a r ya sw e l la s t h em e t a lc r a f ts u i t a b i l i t yr e s e a r c ho f p r o d u c td e s i g n ，d e f i n e dt h i sa r t i c l er e s e a r c hc o n t e n ta n dt h ed i r e c t i o nw i t he m p h a s i s ， e x p o u n d e dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro fc r a f ts u i t a b l e t h es e c o n dp a r tf o rt h i sa r t i c l ei st h i r dc h a p t e rw h i c he l a b o r a t e dt h et r a d i t i o n a l m e t a lc r a f td e v e l o p m e n to fc h i n aa n c i e n tt i m e sf r o mt h es p r i n ga n da u t u m np e r i o d a n dw a r r i n gs t a t e st i m et om i n ga n dq i n gd y n a s t i e st i m e , c o n d u c t e dt h el o n g i t u d i n a l r c s e a r c hf r o mt h em a c r o s c o p i ch i s t o r i c a la n g l e ，a n da n a l y z e do u t s t a n d i n gc a s et o e x p l a i ns u i t a b i l i t yt h o u g h tm i x i n gw i t hm e t a lc r a f ti nt h ea n c i e n tt i m e s t h et h i r dp a r tf o rt h i sa r t i c l ei sf o u r t hc h a p t e rw h i c hr e s e a r c h e dc r o s s w i s et h e m a t c h i n gp r i n c i p l et h r o u g he l a b o r a t e d t h ew o r l dm o d e r nm e t a lc r a f tb a s i cf l o w ， f u r t h e rt od i s c u s st h em a t c h i n gp r i n c i p l eo fm e t a lc r a f t t h ec a 辩r e s e a r c ho ft h i s c h a p t e ri st h ei m p o r t a n tk e yo ft h i sa r t i c l e 1 1 地f o u r t hp a r tf o rt h et h i sa r t i c l ei sf i f c hc h a p t e ra n dt h es i x t hc h a p t e rw h i c h e m p h a s i z e dt h ep e r s o n a ls u b j e c t i v ei n i t i a t i v ei nc h o o s i n gt h em e t a lc r a f to fd e s i g n , c a r r i e do nt h es u m m a r yt om a i na c h i e v e m e n ta n dm e n t a l i t y ，a n dc a r r i e do nt h e f o r e c a s tt oi t sd e v e l o p m e n t t e n d e n c y k e yw o r d ：m a t c h i n gp r i n c i p l e ，m e t a lc r a f t ，s u b j e c t i v ei n i t i a t i v e m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：狃睦立日期：翘： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 注；此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 关于研究课题的提出 金属材料是工业时代的重要材料之一，它具有良好的工艺性能1 。金属材料 通过工艺过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征的产品，将设计方案 转交成具有使用价值和审美价值的实体。金属材料能有效地发掘材料为设计服 务的潜力，使设计在色彩、形态、制造工艺方面所受的限制大幅度降低，使设 计的可能性不断扩大。金属材料所制成的产品所需的色彩、光泽、肌理等，除 少数金属材料所固有的特性外，大多数是依靠各种工艺来取得，所以工艺的合 理适当运用对于产生理想的产品造型形态至关重要2 。 需要重视的是产品在生产过程中必须考虑材料用以加工批量生产的可能 性。金属加工工艺作为使金属材料转变成可以使用的各种产品的桥梁，其选择 是具有深远意义的。设计者经常迷失在材料和工艺之间，遗忘了如何根据材料 的特性或者是别的客观条件来选择合适的工艺。如何才能在有限的条件中最大 限度的发挥工艺的作用，满足用户和设计者的需求，这也自然地引发了对本课 题的研究。 本课题研究是从笔者参加“十一五规划教材”设计材料工艺学的材料 搜集和编写过程中慢慢产生，尤其是对金属工艺这块的研究，更加加深了笔者 深入了解各种金属加工工艺之间的异同。 鉴于此，结合工艺同材料发展关系的需要，并结合导师对于设计材料工艺 学整体框架的研究，在导师的指导和关怀下，我进行了全面的资料收集和整理 工作，并开始了较为深入的对本课题的系统研究。 1 2 课题研究背景及现有成果综述 研究背景： 金属具有悠久的发展历史，从人类发现至今在设计上运用广泛。在人类的 英 莱夫特瑞金属欧美工业设计5 大材料顶尖创意上海：上海人民美术出版社，2 0 0 4p 3 5 2 高岩工业设计材料与表面处理北京：国防工业出版社，2 0 0 5p 6 7 武汉理工大学硕士学位论文 造物史上，人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握利用高温加工技术来 烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，这是人类社会最早出现的金属材料3 。 我国的青铜冶炼在夏代以前就开始了，到殷、西周时期已发展到较高水平，普 遍用于制造各种工具、食器、兵器和装饰品。例如，河南安阳晚商遗址出土的 司母戊鼎是迄今世界上最古老的大型青铜器；湖北隋县出土的战国青铜编钟是 我国古代文化艺术高度发达的见证4 。由于青铜材料的性能和铸造技术的特点， 使得铜器的造型能更深人地进行刻画，其造型更富于变化，出现了许多新颖图 案，造型艺术达到了较高水平。 到了铁器时代，由于铁矿车富，分布较广，铁的硬度和韧性较高，加工性 能好，成本低，出现了以铁为主的一系列金属材料。铁因此被广泛用来制作各 种器具、器皿、生产工具和武器等，使人类生产力获得了巨大的发展，并由此 给社会带来深刻变化。不同时代反映不同的设计和工艺观念，这些观念包括造 物实用、祭祀观赏、宗教宫廷需要、产品功能和精神需求等5 。在这一时期，通 过对材料性能、工艺和使用特性的长时间研究，从而逐步实现了实用和审美的 结合，功能和形式的统一 。 进人1 8 世纪英国产业革命时期，发展了以煤炼铁的技术，人们获得了大量 廉价的钢铁，制造技术和机械生产的社会化程度有了很快发展，这使大批量制 造各种性能优良、外观造型较复杂的机器和工业产品成为可能。随着蒸汽机的 发明迸一步为机器大工业生产准备了物质技术条件，即由初期依赖手工业生产 的产品转向以机器为手段的大批量生产产品。 第二次世界大战后，各国致力于恢复经济、发展工农业生产，对材料提出 质量小、强度高、价格低等一系列新的要求。传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、 加工和热处理等方面不断出现新工艺。 以上是对金属材料和工艺发展背景的一个宏观综述，发展到现代工业社会， 就应该考虑到金属通过工艺转变成批量化生产的可能性，既然是批量化生产就 必须考虑到金属工艺实施的现实性，但是由于种种原因企业内的设计部和工程 部往往都会有意见差异，设计师要求的效果往往无法通过现有工艺达到，因此， 企业对于产品设计中金属材料的相适性研究的需要迫在眉睫，一个优良产品的 李砚祖造物之美产品设计的艺术与文化北京：中国人民大学出版社，2 0 0 0p 2 2 杨正，工业产品造型设计武汉：武汉大学出版杜，2 0 0 3 9p 6 1 高师教编写组设计与工艺北京；高等教育出版社，2 0 0 4p 2 江湘芸设计材料及加工工艺北京：北京理工大学出版社，2 0 0 3p 6 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 产生需要设计师和工程师的有效沟通。 现有成果综述： 尽管目前存在着种种设计师和工程师或其他部门沟通不利的情况，国内外 还是有许多企业或设计公司逐渐重视各个部门间的配合情况，因此诞生了许多 优秀的工业产品设计案例，这为笔者撰写本文提供了很大的帮助。 金属材料的发展是设计师取之不尽用之不竭的智慧源泉，了解金属材料的 工艺特性有利于快速实现设计构想7 。现代的产品设计研究层面不应仅仅只局限 于其中的一两个面，一个设计的产生决不是其中一两个因素能够把握和主导的， 而应当将这些因素综合串联考虑。现代设计理念要求产品设计师根据产品的性 能、使用环境、材料性质来正确选择工艺，使材料的颜色、光泽、肌理及工艺 特性与产品的形态、功能、工作环境匹配适宜，以获得最合理的设计结果。金 属产品中工艺的相适性研究将有利于提高产品的适用性和功能性，如收录机、 仪器仪表等产品上的开关按钮等操作件，若在表面压制凹凸缅纹产生较明显的 触觉刺激，可避免因滑动不便而在使用中产生的各种事壳r 。 1 3 课题的研究方法、意义及目标 研究方法： 分析归纳法： 借助心理学、社会学、工艺学、思维科学以及其他相关领域的研究成果和 方法，系统分析和研究产品设计中金属工艺的发展过程，了解不同工艺的优缺 点，了解工艺相适性理念，研究在系列特定因素限制下如何选择适合的金属 工艺。 例证对比法： 以著名设计公司、国际著名企业的实际设计案例来充当论文有力的论据， 通过纵向对比和横向对比两条线索研究产品设计中金属材料工艺的相适性，并 对比各大设计公司和企业的设计产品的优缺点，并归纳出金属材料工艺选择的 途径和发展趋势。 研究意义： 7 日 中西元男2 l 世纪顶级产品设计上海：上海人民美术出版社，2 0 0 5p 4 8 吴海红产品形态设计基础北京：化学工业出版社，2 0 0 5p 5 5 ， 武汉理工大学硕士学位论文 金属材料加工是汽车、电力、石化、造船、机械等支柱产业的基础。新一 代材料加工技术也是先进制造技术的重要组成部分。我国机械工业总产值占全 国工业总产值的2 5 ，而金属材料加工在机械工业中又具有举足轻重的地位9 。 金属加工行业与国民经济中的各行各业休戚相关。国民经济急需的重大关 键装备，如能源工程的火电、水电、核电、海洋工程、潜艇、航空母舰、航空 航天及交通运输工业中最重要的关键部件的制造都离不开金属加工行业。以机 床为例，铸件重量占机床总重的7 0 8 0 。以汽车为例，在汽车制造过程中， 车身的成形是通过冲压生产线来实现的，然后再通过焊接装配成自车身。冲压 件占整个汽车零部件的7 5 ，而发动机的曲轴、连杆以及底盘中的零件都是通过 锻造来成形的。发动机绝大部分零件则用铸造加工而成，如汽缸体、缸盖、曲 轴、齿轮轴、进排气管、活塞及活塞环等八大件全部是铸造而成，驱动装置中 的关键零部件亦是如此。而且它们全部是用高强度、高韧性球墨铸铁铸造而成。 铸件重量占每辆汽车重量的1 5 ( 轿车) 至2 汹( 卡车) 。根据日本资料统计， 小轿车中各种材料组成的重量百分数，冲压用钢板( 钢材) 、铸铁及铸造铝合金 的重量在1 9 6 8 年时占整车的7 8 ，虽然在2 0 年来新材料不断涌现，但是在小轿 车中这些材料的重量比例在1 9 9 8 年仍占7 8 9 ，几乎没有变化。目前我国生产 的汽车质量与工业发达国家有较大的差距，其原因主要不在于设计水平，而在 于制造工艺水平较差，汽车的使用寿命、耗油量、可靠性、安全性等无不与毛 坯的加工工艺水平有密切关系。所以，金属材料加工工艺在制造业中占有非常 重要的作用。 鉴于金属材料加工在制造业的重要地位，研究在不同的条件限制下如何选 择适合工艺是具有重要意义的。制造业在过去的2 0 年中发生了巨大变化，这种 变化还会延续。世界制造业的发展史告诉我们，要制造好的产品，不单需要好 的设计，更重要的要靠良好的制造工艺来保证，特别是要保证有好的零件毛坯， 用劣质的、不良的毛坯是不可以装配出优质的产品来的。高速发展的工业技术 要求金属加工产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产 品性能高、成本低、周期短：日益恶化的环境要求金属原料与能源消耗低、污 染少；另外，金属成型本身要求制造性好、成品率高。为了生产高精度、高质 量的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；因此材料加工技 9 黄天佑材料加工工艺北京：清华大学出版杜2 0 0 4 9p l 4 武汉理工大学硕士学位论文 术也逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。 研究框架： 舞一睾匏辩二 渺。 肇兰囊 缈； 筹嚣寮 眇| 蘩嚣霸稚麓杰覃 ! ， 。 “3 ”j | ”“。jl ” ”。 vv掣￥ ；照也阀怒；r 磊主董发i ； | ”。鞔代芏漶毒lf 了蠢i 菇；磊一 或碧绿逑r 一 r ； i 古姹工艺愿慧i瑷姹糟适蠖奏弱l 如匍选撵透彦薹苞 l 饼冤蓐溘l 二。二_ ：一； 。一一。：鬟 ；二二。_ ：i 爨；菇患妒 ：古代柏落拣硪究| l 一幕籀分镌。； 1 嬉警每餍囊一 图i - i 论文整体框架结构圈 研究目标： 众所周知，金属材料加工工艺的相适性研究对于构建产品设计的实用体系 起着重要作用，对于企业和设计师来说也急需这方面的理论支撑，所以在这方 面的研究迫在眉睫，以提高金属工艺相适性为目的的研究方法将会给产品设计 领域带来新鲜的血液。 鉴于此，笔者期待依靠广泛的知识框架来明确金属工艺相适性的系统研究 方法。深入分析限制金属工艺选用的三大条件，根据人在选择工艺时的主观能 动性提出金属工艺的相适性研究方法，深入研究如何选择合适的工艺，并提出 了金属工艺相适性发展展望和结论。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章金属工艺相适性理论综述 2 1 设计的有限性 毫无疑问，创造性和理想性是设计的重要性质，任何设计都意味着超越现 实，都是对事物、对社会、对人生的更好状态的一种期望和追求。但是，设计 是人为的某种状态和结果，既然是人为的，就不是自然的；既然是人为的，那 么就总是带有一定的历史性和局限性。不同时代的大环境不一样，设计的思潮 也是不一样的。人为事物在发展过程中将会受到诸多因素的制约，如社会因素、 经济因素、技术因素、客观因素以及主观因素等，因此，我们可以大胆的得出 结论设计是具有有限性的。 设计的有限性决定了设计在任何时候，都只是求适合而不可能是求效果最 佳或最优评价的活动”。这种观点对具体的设计活动是非常有指导意义的，对于 金属产品，设计的有限性同样存在，由于金属材料的分子结构决定着金属的刚 性和延展性。金属工艺是在金属自身特性的基础上发展成的一整套与之相应的 处置技术。而金属的特性决定了一定的工艺加工方法和艺术造型特征，如金属 加工的浇铸、锻打、退火、淬火、镶嵌、金银错等，都建立在金属材料的客观 性能基础上。因此在设计实践过程中，必须对产品的尺寸、造型、色彩、功能 等多方面做出相应的调整，不求最佳但求最合适。加工工艺的条件包括加工设 备、工艺装备、加工工艺的类型几个方面。由于加工设备往往具有较强的针对 性，如钻床只能进行钻孔处理，铣床只适合于金属材料加工等。此外，加工设 备对造型的尺寸、形态、材料也有限制，如台式刨床只能对尺寸较小的零部件 迸行加工；如车、刨、磨等切削工艺通常只能加工一些规则的几何形态，锻压 和挤压成型工艺只能加工一些结构极其简单的工件或型材；冲床只能对具有延 展性的面材进行加工。设计师应该充分考虑各种工艺的条件和限制，针对不同 的情况选用合理的工艺。 2 2 金属工艺相适性问题的提出 ” 美 普兰曹博科学与艺术中的结构北京：华夏出版社，2 0 0 3 8p 2 4 6 6 武汉理工大学硕士学位论文 如何才能在各种条件的限制下，让设计发挥其最大的作用昵? 优良的产品 由一定的工艺生产制成，在设计一款金属产品的时候，要达到设计的最大作用。 必须注意金属工艺的相适性。那么什么才是金属工艺中的相适性呢? 在中国的 成语字典中经常可以看到带有适字的成语，如会逢其适、适材适所、适当其时、 适逢其会、适可而止、适如其分、适时应务等等；而查找汉典，适，也写做( 遍) ， 有切合，相合的意思：由此可见，适，即为适应、适合；相适性大体可理解为 使之相互适合适应。 事理学论纲一书中提出。设计是以一定的目的，一定的方式来达到与 外部客观条件和内部关系相适应的人为适应性系统。”设计的成功与否，取决于 适应性系统外部客观条件和内部关系的相互适应程度，在这个系统中人占主动 地位，人主动的考虑如何创造一个相适的环境来促进优秀设计的产生。相适的 环境包括系统外部客观条件问的相适、内部关系各个条件间的相适以及系统外 部客观条件和内部关系各个个体条件间的相适。其中，入主动的在各种因素之 间寻找相适性，以实现设计的目的。 考工记中记载“天有时，地有气，材有美，工有巧，合此四者，然后 可以为良。”这说明中国工匠早在几万年前就意识到天时地利、材料工艺是构成 一个优秀制品的必备元素。材料与工艺是这个相适性系统中的内部因素，是设 计的技术条件，是产品设计的前提，它与产品的功能、形态构成了产品设计的 三大要素，而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上” 金属有其自身的材料特性，并因加工性能和装饰处理各异而体现出不同的 材质美，从而影响着产品设计。任何一种产品设计只有与选用金属材料的性能 特点及其工艺特性相一致，才能实现设计的目标和要求。金属工艺的方式有多 种，“溺水三千，我只取其一瓢饮”，设计师在选择工艺的时候并不是盲目选择， 最终选择的工艺方法可能不是效果最好的，但往往是最适合的。在设计过程中， 设计师与工程师总是在金属与工艺内部因素和外部因素之间寻找契合点，体现 了工艺选择的相适性要求。 一般而言一个实体产品的诞生包括了成型加工塑性加工琏接加工 表面装饰处理等过程，其中每个环节所包含的工艺经过各种搭配可产生千 变万化的产品效果： “ 美 吉姆莱斯科工业设计一一材料与加工手册北京：中国水利水电出版社，2 0 0 5p 7 9 7 武汉理工大学硕士学位论文 相同的金属材料和结构方式，采用不同的工艺方法，所获得的外观效果差 异较大。例如，用同样的钢板材料，通过弯板工艺制作电气控制柜，用手工方 法卷板成型不但很难达到预期效果，而且费时。劳动强度也比较大，而采用机 器弯板成型工艺方法，成型准确，外观平滑整齐美观，生产效率高。这种工艺 适合弯折复杂的断面，是目前钢板成型中较好的工艺方法。 即使相同的材料、结构和工艺方法，但由于工艺水平不同，所获得的外观 效果和内在质量也不会相同。同一机器，由不同人操作所生产的产品质量也不 尽相同，同一流水线上生产的产品中也存在着一定比例的次品。例如，要购买 一辆自行车，大家一定挑选电镀件光亮、镀层均匀、焊接牢固、骑行轻快灵活 的车。如果车把粗糙、电镀件起皮等，这样的商品是不会有人满意的。 倘若不了解材料工艺程序和技术要求，所谓的设计也只是纸上谈兵。因此 产品设计应依据切实可行的工艺条件和工艺方法，编排出一套合理的工艺程序 方案，确保工艺技术在加工过程中得以尽量发挥，将工艺的美从产品中淋漓尽 致地体现出来”。正如丹麦著名设计师克林特所说：“运用适当的技巧去处理适 当的材料，才能真正解决人类的需要，并获得率直和美的效果。”掌握影响产品 设计因素的关系与规律，并且经过反复实践后，才能较好的完成产品设计。 2 3 相适性与“s e t ”因素 金属工艺选择直接影响产品成型、加 工的难易程度、加工质量和加工费用等”。 上节已经明确指出，金属工艺的相适性是 受系统内部因素和外部因素影响的，所有 的种种因素可以从以下三方面来考虑和归 纳，即s e t ( 社会一经济一技术) 因素， 如图2 - 1 为相适性和s e t ( 社会一经济一技 术) 因素系统分析图。 图2 1s e r 系统分析图 2 3 1 社会因素 ”江湘芸设计材料及加工工艺北京；北京理工大学出版社，2 0 0 3p 1 2 “王玉林产品造型设计材料与工艺天津；天津大学出版社，1 9 9 4p 4 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 社会因素是指集中于社会生活中相互作用的各种因素，可以从环境和社会 流行趋势两个方面来把握“。 2 3 1 环境因素 金属产品的工艺同时也受到环境因素影响，环境因素不仅仅要从防止污染 角度考虑，还应当考虑在工艺实施过程中的客观环境条件。 1 工艺产生的环境污染 众所周知，现代工业的急速发展使全球环境的铅、汞污染加剧，其它污染 物的排放也在大量增加，就连珠穆朗玛峰和南极大陆这样的净土也难以幸免。 工业生产污染已对自然界造成了极大的危害，直接影响人类的健康。工业发展 产生的工业污染主要有两类：一类是废水、废气、废渣污染，另一类则是噪音 污染。 废水、废气、废渣污染 在金属工艺加工过程中往往会产生许多废水、废气和废渣，这不仅是对环 境的污染也是对能源的浪费。很多在金属加工中产生的粉尘同样也会污染河流 和土壤。含有溶剂的油漆，在其形成漆膜的过程中挥发的溶剂有很大的毒性； 在电镀过程中产生的含铬的电镀液也严重污染环境，近年来开发研制了一些表 面处理技术则充分考虑了环境保护的因素“。 噪音污染：有些工艺在现场实施过程中经常由于机械的撞击、摩擦、固 体的振动和转动而产生的噪声，其中包括了电锯、机床、碎石机启动时所发出 的机械性噪声；由于电机中交变力相互作用而产生的噪声；也包括发电机、变 压器等发出的电磁性噪声。这时，施工者应当采取一定措施减少噪音污染。 2 工艺环境要求 加工工艺的实施需要设有一定的加工环境，不同的金属加工工艺对周围环 境的要求也是不一样的。工艺环境的要求主要从以下两个方面来考虑： 冲击与振动 加工设备可能会经受一个范围较宽的冲击力影响。例如在地面上移动的设 备，在处理或运输过程中可能会因坠落、翻侧而受到冲击，而振动则能导致正 在加工或者已经加工好的产品基本结构散架。例如在工作状态中承受较大载荷 “辛向阳译创造突破性产品从产品策略到项目定案的创新北京：机械工业出版社，2 0 0 4 1p 9 “江湘芸设计材料及加工工艺北京：北京理工大学出版社，2 0 0 3 8p 2 l 9 武汉理工大学硕士学位论文 的螺栓，如果拧在较软的金属材料，当所在环境振动较大时就容易造成这种损 坏。此外，振动还会导致零件的疲劳失效。 加工者有时也会通过一系列的措施来降低损失。例如，可通过提高加工过 程的动态稳定性来降低超精密加工中产生的机床振动所带来危害。一方面可以 在机床设计和制造上采取各种措施，使机床本身具有极好的动态特性，降低冲 击和振动的程度：另一方面也可以采用完善的隔振系统，来降低受到外界振动 的影响程度。 温度、湿度、压强： 某些工艺对环境中的温度、湿度乃至压强都具有一定的要求。例如，一般 零件机械零件加工在常温下进行即可，精密加工则必须在室内温度为2 2 5 条 件下进行，而超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行，即不仅放置机床 的房问应保持恒温状态，对机床也要采取特殊的恒温措施。 空气洁净程度： 在一般加工环境下，空气中存在着大量的尘埃，一旦这些尘埃落在加工表 面上，就可能将产品表面拉伤，如果落在量具测量表面上，就会阻挡操作者或 质量检验员的视线从而造成判断错误。许多金属工艺的实施对周围的空气洁净 程度都有要求，如在超精密加工过程中必须具备有超净的工作环境，所以加工 者必须对周围的空气进行净化，使加工区域达到很高的空气净化度。 2 3 1 2 社会流行趋势 材料的工艺水平也不断进步极大地提高了人类 设计造物活动的自由度。每个社会时期设计的侧重点 是不一样的，往往会受到许多诸如电影、电视、杂志 等社会流行趋势的影响。 产品的社会流行趋势是不断在变化着的。拿工业 产品来说，以前人们对家电的要求是彩电、冰箱、洗 衣机，而现在最基本的需要是电话、空调、电脑等， 事实上，这些产品对有些人来说，并非是一种必需品 而是由于社会流行趋势的影响所至。过去的手机大多 都是由塑料制成的，但是现在各大手机厂商都纷纷开 图2 - 2 小圆角的电子产品 发出由金属制成的手机型号。不同产品所使用的工艺 武汉理工大学硕士学位论文 是不一样的，因此，流行怎样的产品必然有其相对应的工艺的流行。 2 0 世纪3 0 年代在火车头、汽车、轮船等交通工具设计中引入了流线型设计 概念，从而引发了当时风靡世界的流线型风格。流线型是指空气流过不产生旋 涡的理想形状，流线型应用的最高境界是飞机的机翼。而在2 0 世纪8 0 年代后 产品的造型中，流行趋势向采用钢板深冲技术制成的方形小圆角过渡，给人以 刚劲挺拔、轮廓线清晰、简洁大方的美感，广为人们接受和喜爱( a 图2 - 2 ) 。 目前国际上开始流行金属家具设计的风潮，为了防止生锈或为了美观设计 师往往会在金属表面镀上一层别的物质，可以是光可鉴人的镀铬，也可以是镀 钛。金属家具的流行带动了金属表面镀覆技术的流行，而金属工艺技术的不断 推陈出新反过来又推动了金属家具的流行。 2 3 2 经济因素 经济因素可以从金属工艺的成本角度和受众( 也就是消费者) 的购买能力 角度来考虑： 2 3 2 it 艺成本 产品设计中，工艺的施工价格一直以来都对总成本有很大的影响。同时它 本身在产品总成本中也占有较大的比重。选择不同的工艺所需要的成本是有高 有低的，比如，钛、镁等金属的板材和带材，如果没有专门的机器或专用的热 成型技术是不能成型的，而使用专门的机器或者技术就需要相对较高的成本， 低碳钢或铝合金就没有这方面的问题，因而，使用这些金属时，比使用低碳钢 或铝合金要贵得多，产品设计中加工工艺的选用应该考虑成本和对材料的节约。 以铸造工艺为例说明成本问题：目前市场流行各种铸件的生产工艺方式很 多，包括精铸工艺、压铸工艺、浇铸工艺等，这些工艺加工的铸件具有精致、 造型特别等优点，但是单件成本比较高。成本从高到低排列依次为精铸、压铸、 浇铸，而铸造中需要用到的模具造价从高到低排列为：压铸、精铸、浇铸。在 加工过程中，应根据自身实际需要恰当选择合适的铸造工艺。 2 ，3 2 2 受众消费能力 我们知道，不同的社会群体具备不同的购买力，若购买产品的是高档消费 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 人群，必将要求工艺精湛的产品，这个时候不可一味降低工艺来节省成本。根 据消费心理学，经济因素所关注的主要是人们相信自己拥有的、可以用来购买 改善其生活方式的产品与享受服务的能力”。在当今市场上，人们往往宁可付出 更多的钱去购买他们喜爱的东西，也不愿意选择较便宜但是质量较次的产品”。 各种产品，尤其是电子和家用电器产品都是机械化批量生产，由于消费层 次的差异，在对产品选择工艺时，必须考虑产品档次的经济性，以求得产品的 合理加工，使生产获得理想的经济效益。如高档产品( 又称豪华型产品) 象征 使用者富有、气派，在选用工艺时应提高材料本身的质感呈现精美感、贵重感”。 中档产品是消费层次较广的一种产品。由于此类产品销售面广，价格适中，因 此在选用工艺时既要使产品保持一定的档次高度，不失现代感，又要考虑产品 的价格。低档产品也称为普及型产品，由于售价低廉，应尽量少使用成本，以 获得生产的经济效益。 以我国的汽车工业为例，据中国汽车市场调查研究会提供的一份调查报告 显示，目前城市家庭购买汽车的价格档次比例最大的是1 0 1 3 万元这一档车占 3 1 ；其次是1 0 2 0 万元的这一档次占1 7 5 。这些数据表明我国消费者对于汽 车的购买力并不强大，因此国内的汽车企业( 若销售范围主要针对国内市场) 应重视经济型轿车的发展空间，把发展经济型轿车作为长远的战略目标。 2 3 3 技术因素 技术是设计的重要因素和基础。设计与材料技术之间一直是互相促进、互 为因果的关系。一方面，材料技术的发展提高了设计造物活动的自由度，另一 方面设计活动中的需求与目的也刺激了材料技术的发展。 设计师总是以特定的材料、造型和结构等要素构成的产品来满足特定的目 的和需求，当目前的工艺技术不能确保某种造型和结构都能够被生产出来的时 候，设计师可能会修改设计适应目前的工艺水平，也可能提出改进工艺的要求， 在这种情况下，设计造物活动中的需求与目的就刺激了材料科技的发展。 如图2 3 为吉列公司1 9 9 0 年推出的感应剃须刀。在设计开发过程中，浮动 ” 美 j o n a t h a nc a g a n 著刨造突破性产晶从产品燕略到项目定寨的创新辛向阳译北京：机械工业 出版社，2 0 0 4 1p i o ”诺曼梅琼消费心理学北京：中信出版社，2 0 0 3p 1 0 3 ”扬正工业产品造型设计武汉：武汉大学出版社，2 0 0 3 9p 1 6 0 武汉理工大学硕士学位论文 刀片的复杂性和整体设计带来了的生产问题。刀库的设计要求钢制支托同刀片 相连。这些支托需确保刀片本身的完 整可靠性，在以足够快的速度跟上其 他高速运转的部件操作的同时，不损 伤易坏的刀刃。为解决这一问题，工 程师们开发了一种激光焊接系统，以 确保微小复杂的刀库部件所必需的 图吉列剃须刀 精确性o 。采用这一体系，1 5 处必需 的焊接可以在不损坏周围结构的条件下完成。一旦焊接完成后，刀片就以每两 秒五片的速度被送下生产线，并由高分辨率的摄像机检查每一焊接处是否同计 算机存储的精确焊接点相符。每一条刀库生产线需经过大约1 0 0 道电子和机械 检查。这种激光焊接技术就是典型的受设计需求与目的的刺激而开发出来的新 工艺。 工业产品是随着科学技术的进步而发展，技术是工业产品造型的物质基础， 是造型发生变化的重要原因。产品的加工工艺反映了时代的科学技术水平。在 工艺的每个发展时期或技术在某个方面取得较大的突破时，都会出现与此相适 应的产品造型。加工工艺技术的发展提高了设计造物活动的自由度，设计造物 活动中的需求与目的往往会刺激材料加工工艺技术的发展，设计与技术之间是 一种相互促进、互为因果的关系。 在s e - t 系列因素中，其中技术因素是系统的内部因素，而社会和经济则 是系统的外部因素。金属加工工艺的并不是寻找“最优解”，而是“适合解”。 衡量工艺的标准不是对与错，而是相对的适合与不适合。“适合”比“最优化” 更为合理，选择适合的工艺就是在内部因素和外部因素之间寻找着相互适应， 了解外部需求与限定，然后综合考虑选择内部因素，然后接受外部的评估。当 设计师选择一种工艺时，应当考虑到生产的技术可行性与经济成本、社会环境 资源的限制。综上所述，金属工艺的相适性原则是指以金属工艺内部因素和外 部因素相适应为起点，以适合为评价标准，最终选择出相对适合的材料与工艺。 ”罗伯特j 托马斯新产品成功的故事北京：人民大学出版社，2 0 0 2 8p 2 8 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章中国古代传统金属工艺的相适性思想 3 1中国古代传统金属工艺的发展概述 中国的金属工艺不但具有悠久的历史，而且还有优秀的艺术传统。商代的 青铜器、战国的金银错、唐代的铜镜、首饰及明代的宣德炉，清代的景泰蓝等， 都是我国古代著名的金属工艺品。中国造物文化源远流长，博大精深，历史一 流的文物屡屡迸发出逼人的匠心灵气。同时我们也遗憾地看到，大量珍贵的工 艺思想和造物智慧被贬为不登大雅之堂的雕虫小技，从而被残酷地埋没、遗忘、 抹煞乃至流失在历史长河中，以至于现代有迹可循的古代工艺著述寥寥可数， 不能不另人扼腕。 鉴于本文篇幅限制，笔者将从历史发展的纵向角度来简单介绍不同时代金 属工艺水平： 夏商周 大约从夏代开始，中国就已经进入青铜时代。到了商代，由于青铜工具的 锐利程度远胜于石器，加上当时的铸造技术可以制作出适合于不同用途的各种 手工工具和农具，有力地推动了社会生产力的发展。若将青铜