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四川大学硕士学位论文 材料工艺与产品造型的关系研究及其知识网站的建立 机械设计及理论专业 研究生：郑仁华指导教师：干静 摘要：我国自实行社会主义市场经济以来，一些实力雄厚的大公司的工业 设计已经迈上了一个新台阶，但是，为数更多的中小企业却几乎还在原地踏步， 他们中很多无力承担相关费用和风险，致使其产品外观质量一直止步不前。他 们对其产品的工艺了如指掌，但却缺乏美学素养，难以较好把握其产品的外观 造型效果。而另一方面，一些年轻设计师能设计出好的造型效果，却由于对材 料工艺缺乏经验而导致所设计的产品造型在技术上无法实现或实现成本过高。 这两种现象实际上是一个问题的两个方面，问题的实质就是这些中小企业和年 轻设计师均未能较好地把握材料工艺与产品造型的关系的规律性。 这是个急待解决的问题。 目前，此问题尚未得到专门研究，仅在一些有关材料工艺的研究中有部分 涉及。 材料工艺与产品造型的对应关系是双向的，一是己知材料工艺求解相应的 产品造型特征，二是已知产品造型特征求解材料工艺的各种可能性。本文在已 有材料工艺学及造型理论研究的基础上，对二者的对应关系的规律性问题进行 了系统研究，整理总结了二者的对应关系的规律性的知识点，并形成知识系统。 对于已知材料工艺求解产品造型特征问题，选择了最重要的两种产品造型材料 即金属和塑料的常用典型成型工艺进行了研究，总结出了这些工艺所成型的产 品的造型特征的知识点，并支撑以丰富的产品案例，同时探讨了工艺组合、表 面处理、成本等因素对产品造型的影响和制约的规律性。对于已知产品造型特 征求解材料工艺问题，提供了两条途径，一是根据产品图片进行求解，二是根 据造型特征的文字描述进行求解。 四j i l 大学硕士学位论文 应用d r e a m w a v e r 软件建立了知识网站，使此知识系统能更易于学习和查 询使用，以充分发挥其价值。在其中可以方便地根据材料工艺查询与其对应的 产品造型特征( 包括产品图片和文字描述) ，也可根据造型特征查询可采用哪 些材料与工艺。 关键词：材料工艺产品造型造型特征知识网站 四川大学硕士学位论文 o nr e l a t i o nb e t w e e np r o d u c ts t y l i n g m a t e r i a lt e c h n o l o g y a n de s t a b lis h m e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gi n f o r m a t i o nw e b s i t e m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r ym a j o r p o s t g r a d u a t e ：z h e n gr e n h u a a d v i s o r ：g a nj i n g a b s t r a c t ：s i n c et h e r ec a m es o c i a l i s tm a r k e te c o n o m yi nc h i n a ， s o m el a r g e s c a l ec o m p a n i e sw i t he n o r m o u sp o t e n t i a lit yh a v ea l r e a d ym a d e g r e a tp r o g r e s si nt h er e s p e c t i v eo fi n d u s t r i a ld e s i g n h o w e v e r 。m o r e m e d i u ma n ds m a l le n t e r p r i s e sh a v eg o tn o w h e r ei nt h i sr e s p e c ts i n c em o s t o ft h e mc a n ta f f o r dr e l e v a n te x p e n s e so rr i s k s ，a n dt h a tr e s u l t si n n oi m p r o v e m e n ti np r o d u c to u t l o o k s a l t h o u g ht h e yg e tf u l lk n o w l e d g e a b o u tt h ew o r k m a n s h i po rc r a f to ft h e i rp r o d u c t ，d u et ol a c ko fa e s t h e t i c a t t a i n m e n t s ，t h e s ee n t e r p r i s e sa r en o t1 i k e l yt oo f f e rg o o de x t e r i o r s t y l i n ge f f e c t o nt h eo t h e rh a n d ，s o m ey o u n g e rd e s i g n e r sh a v et h e a b i l i t yt ow o r ko u tg o o ds t y l i n ge f f e c t 。b u tt h e i rl a c ko fe x p e r i e n c e i nm a t e r i a lt e c h n o l o g yp r a c t i c ew o u l di n e v i t a b l yf a i lt h e mt op u tt h e s t y l i n gi n t op r a c t i c e ，o rw o u l dc a u s et o oh i g hc o s tt oi m p l e m e n t t h e a b o v et w op h e n o m e n aa c t u a l i ya r et h et w os i d e so fo n ep r o b l e m t h ec o r e i st h a tt h o s em e d i u ma n ds m a l le n t e r p r i s e so ry o u n gd e s i g n e ra r en o t a b l et om a s t e rt h er e l a ti o nr u l e sb e t w e e nm a t e r i a lt e c h n o l o g ya n d p r o d u c ts t y i n g 。 t h i s ，o fc o u r s e ，i sap r o b l e mw h i c h ，t h o u g hn e e d sp r o m p tt r e a t m e n t ， i ss t i l lw a i t i n gf o rs p e c i a l i z e dr e s e a r c h 。w h i l ei ns o m em a t e r i a l t e c h n o l o g yr e l a t e dr e s e a r c h ，t h ep r o b l e mi sp a r t i a l l yi n v o l v e d b e t w e e nm a t e r i a lt e c h n o l o g ya n dp r o d u c ts t y l i n gi sab i d i r e c t i o n a l r e l a t i o n t h a ti s ，f r o mt h ek n o w nt e c h n o l o g yg e t st h ec o r r e s p o n d i n g p r o d u c ts t y l i n gf e a t u r e sa n df r o mt h ek n o w np r o d u c ts t y l i n gf e a t u r e s g e t sv a r i o u sk i n d so fp o s s i b l em a t e r i a lt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f e x i s t i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nm a t e r i a lt e c h n o l o g ya n ds t y li n g ，i t i sd e d i c a t e di nt h i sp a p e rt od oas y s t e m a t i cr e s e a r c hc o n c e r n i n gt h e r u l e so ft h eb i d i r e c t i o n a lr e l a t i o n s h i ps oa st os e tu pa ni n f o r m a t i o n s y s t e ma sf a ra si t i sc o n c e r n e dt og e tp r o d u c t s t y l i n gf e a t u r e sf r o m k n o w nm a t e r i a lt e c h n o l o g y ，t w ok i n d so fm o s ti m p o r t a n tp r o d u c ts t y l i n g i 四j t l 精通技术但对美学却不在行的中小企业，他们只需浏览这个知识系统就 能根据本企业所用到的加工工艺而“悟”到本企业产品理想中的造型的雏形， 从而得到较好外观的可能性就会有所增加。尚没有更多工业制造经验的年轻设 计师，能根据自己所设计的产品造型，在该知识系统中找到与之匹配的加工工 四川大学硕士学位论文 艺，并能有效控制加工成本。或者在设计之前就对各种造型的工艺技术支持情 况基本做到心中有数，了然于胸。 该知识系统最理想的状态，是最大限度地将各类造型材料的各种成型加 工工艺都包含其中，但由于篇幅与作者学识和经验的限制，本课题只选择了产 品造型中应用最广的金属和工程塑料这两类材料及其典型加工工艺。不过，该 知识系统是开放的，期待有志于此者均可发挥自己的经验和才能将其逐步完 善。 1 ，3 课题的意义 课题的研究是学术和实际应用的有益探索，是一次工业设计的理论和经验 总结。 工业设计是工程技术与美学艺术相结合的学科，工程技术与美学艺术能 够结合能够融合的理论是被广为接受和认可的，它可以被看作工业设计学科最 重要的理论基础。不过，多年来对于工程技术与美学艺术如何结合的研究却并 不多见，这就使得这个学科的基础理论显得缺乏支撑。本课题所总结的材料工 艺与产品造型的关系规律，并用一定的形式表达有利于工业设计学科的知识积 累和发展。这项研究所探询的就是工程技术与美学艺术相结合的规律，这些规 律就是这二者相结合的最具体最直接的体现。本课题若能达到预期目标并逐步 完善，将为工业设计的理论大厦贡献分量不轻的一块砖。 本课题对企业和设计师的设计实践具有较强的指导意义，这也是本课题 研究的直接动因。 同时，本课题的研究成果也为工业设计技术的普及提供了可能性。有利 于设计师自身的全面发展。本课题所揭示的规律有利于消除工科教育背景的设 计师对外观以及艺术教育背景的设计师对技术的神秘感，并较快掌握这些规 律。 可以想象，一个相对准确而完善的知识系统的建立必将为学界和产业界提 供有益的帮助。 四川大学硕士学位论文 1 4 现有国内、外此方向研究的方法和成果 1 4 1 材料科学与制造学科的技术支持 材料科学与工程以及制造学科已经成为工业设计的基础理论之一，虽然 并未专门研究工艺与产品造型的关系问题，但它系统成熟的材料与加工工艺的 研究为工业设计领域研究材料工艺与产品造型问题提供了强大的技术支持，并 已经有大量的研究成果和文献。 材料科学与工程是认识材料的制造与加工工艺、材料的组织结构、材料 的性能和使用、材料的环境性能及这些方面之间相互关系的- - i 学科。 台成，刮备 结构成分 使用性能j ( a j 图1 - 1 材料科学与工程要素及其相互关系 c a ) 材料科学与工程四要素； ( b ) 材料科学与工程五要素 1 4 2 工业设计领域此方向的研究 在材料科学和制造学科研究的基础上，工业设计领域的专家结合本学科 的特点进行了大量的研究，并形成了丰富的著述和文献，如产品造型材料与 工艺( 程能林等，1 9 9 1 年) ，产品造型设计材料与工艺( 王玉林等1 9 9 4 ) ， 工业造型材料与面饰工艺( 任秋平1 9 9 2 ) ，设计材料与加工工艺( 张 锡2 0 0 4 ) ，工业设计工程基础i 材料及加工技术基础( 赵英新) ，工 4 四川大学硕士学位论文 业设计工程基础( 徐人平2 0 0 3 ) 、设计材料及加工工艺( 江湘芸2 0 0 3 ) 、 产品设计材料手册( c h a r l e sa h a r p e ( 美) 2 0 0 4 ) 等。 这些研究总体来看具有以下特点： ( 1 ) 研究方法 这些研究基本都沿袭了传统材料科学与工程的研究方法，其一般思路都 是先将材料进行分类，再介绍每类材料的性能、用途、成型工艺等，都是基本 技术事实或情况的描述。 ( 2 ) 研究内容 系统研究了每类造型材料的性能特征以及不同加工工艺，其中，2 0 0 3 年 江湘芸编著的设计材料及加工工艺、2 0 0 4 年张锡编著的设计材料与加 工工艺等更进一步研究了某些材料的某些工艺所成型的产品的造型特征，更 具工业设计学科的材料工艺学特色。 对表面装饰工艺有一定研究。 而美国人l e s k o j ( 吉姆莱斯科) 的研究更具工业设计的专业性。他 从1 9 7 5 年开始着手准备，花了十五年时间，从若干著名企业获取了大量真实 有用的最新资料和案例，并结合十五年来的教学经验，写成了工业设计一 材料与j n t 手册一书。他的研究有以下特点： ( 1 ) 对工艺对产品造型的影响的研究更具体明确，包括每类工艺所对应的 产品表面质量、是否允许出现侧凹、是否能成型薄壁制品、对模具的要求、成 本等，在进行外观造型设计时具有更强的指导性和可操作性。 j 2 ) 实例更有效。工艺与实例一一对应，明确肯定。 现有的工业设计领域的研究尚未涉及到或存在的不足是： ( 1 ) 工艺所对应的造型特征研究不够完善、系统，造型特征描述尚不够明 晰。 ( 2 ) 未涉及到两种或多种不同工艺的组合运用。有些造型无法只用一个工 艺完成，而是需要几个工艺组合运用 ( 3 ) 未涉及“对于特定的产品造型，可采取哪些与其对应的制造工艺问 题”。 四川大学硕士学位论文 ( 4 ) 相应的应用实例较少。工艺本身、工艺对造型的影响、造型所对应的 工艺等，如果只取其片断，离开了具体产品，不能形成完整的工业设计的知识 和经验。 本课题所要研究的正在于此。 1 5 课题的主要内容 ( 1 ) 明确工艺和产品造型的内涵，材料工艺发展的简要历程。 ( 2 ) 工艺对实现产品造型的重要性，以及工艺对产品外观设计效果影响的 因素的研究。 ( 3 ) 金属材料的典型工艺对产品造型的影响研究。 主要研究这些典型工艺所成型产品的外观造型的特征，这些特征除文字 描述外，还将展示丰富的产品实例图片。 ( 4 ) 塑料的典型工艺对产品造型的影响研究。 ( 5 ) 工艺组合对产品造型的影响研究。 在实际设计制造实践中，更多的情况是不同工艺的组合运用，因此，研 究工艺组合运用有着极为重要的意义。 ( 6 ) 成本、表面处理等因素对产品最终造型的影响研究。 这些因素对产品造型的影晌相对而言不那么直接，不过有时也起着决定 性的作用。 ( 7 ) 特定风格产品造型的材料工艺的选择研究。 ( 8 ) 在上述研究的基础上，构建工艺与产品造型之间关系的知识系统。并 建立一个知识系统网站，供企业或设计师查询使用。 1 。6 课题的研究方法及技术路线 1 6 1 课题的研究方法 ( 1 ) 有代表性的典型材料及工艺选取 6 四川大学硕士学位论文 由于材料及具体加工工艺颇为复杂，所以要在一篇硕士论文中穷尽所有 材料及其加工工艺并不现实。本文将在材料学、制造工艺学的基础上，选取与 工业设计紧密相关的部分内容。只选择金属和塑料这两类在工业设计中应用最 广的造型材料进行研究，而且，仅拿金属和塑料这两类材料来说，其成型加工 工艺也很多，所以只能选择其中一些常用而且对产品造型影响具有典型代表性 的工艺进行分析归纳。 产品外观三要素包括形态、色彩、质感。其中，色彩和质感要素主要由 涂料、喷塑、染料( 或着色剂) 、模具表面处理或材料本身决定，受成型工艺 影响较小。而形态要素则直接由成型加工工艺决定，受工艺的影响最大最直接， 所以本课题将选择最重要的形态要素进行研究，本文中的“产品造型”在大多 数情况下可认为就是产品的“形态”。 ( 2 ) 通过归类、对比等方法提取材料工艺与产品造型关系的知识 由于本文所涉及的技术以及技术与造型的关系比较复杂，所以将这些技 术以及关系等进行分类是必要的。如论述加工工艺对产品造型的影响时将加工 工艺按不同材料进行分类，在同种材料的加工工艺中又按工艺性质进行归类， 拿金属的铸造工艺来说，一次铸性型与永久铸型对产品造型的影响的区别明 显，因而将其归类为一次铸型和永久铸型两种情况，将其进行对比研究。而在 详述一次铸型或永久铸型中的每类具体铸造工艺时，仍将这些具体工艺进行对 比描述，这样就很清晰明了，也便于知识系统的使用者进行选择。 ( 3 ) 丰富实例对知识的注释 本课题将搜集尽可能丰富的有典型代表性的现有产品( 其中包括作者自 2 0 0 3 年9 月进入研究生学习阶段以来为企业所设计并被投产的作品) 。在最 终所建立的知识系统中，每种工艺或工艺组合都配上尽可能多的与其对应的产 品造型图片，使用者只浏览知识系统就能自己悟出其中的规律。 1 6 2 课题实现的技术路线 在通过上述方法获得产品设计的材料和工艺的选择知识后，建立知识系 统。利用d r e a m w a v e r 等软件建立展示该知识系统的网站，通过浏览网页实现 知识的学习。可以从造型材料着手，查询其可能的产品外观造型结果案例；也 四j i i 大学硕士学位论文 可以选择中意的外观工艺的表现效果，逆过程查询工艺方法及其他资料。实现 造型和材料工艺的双向对应。最后，该知识系统是开放式的，所有有兴趣的同 行专家均可发挥自己的智慧对其进行补充或修改，以利于其不断发展完善。 1 _ 7 本章小节 本章介绍了课题研究的背景、研究的意义以及国内外此方向研究的方法和 成果，提出了课题的研究目标，研究的主要内容和研究方法，以及课题实现的 技术路线。 8 四川大学硕士学位论文 第二章工艺的内涵及其对产品造型的重要。眭概述 要阐述工艺与产品造型的对应关系，首先应该了解工艺、工艺性以及产品 造型的基本概念，了解材料与工艺的发展简史，了解在本文中这些概念的所指， 并指出与产品造型相关的常用材料的工艺，本章还将阐述工艺对产品造型的重 要性。 2 1 工艺的相关概念 2 1 1 工艺和工艺性的概念 ( 1 ) 工艺的概念 。工艺”一词在现代汉语词典中是这样解释的：“将原材料或半成 品加工成产品的工作、方法、技术等。”在工业设计中，工艺通常包括成型 工艺、加工工艺、表面装饰工艺等。现代汉语词典中“工艺”还有另一个 解释，那就是“手工艺”。但手工艺并不属于工业设计范畴，因而本课题所研 究的“工艺”不包括手工艺。 本文中还常用到“成型工艺”和的概念。 “成型”指的是工件、产品经过加工，达到所需要的形状。“成型工艺” 是指工件、产品经过加工，达到所需要的形状的工作、方法、技术等。例如， 液态金属材料可采用铸造成型工艺而得到金属产品，金属钣金材料可采用折 弯、切割、焊接等成型工艺而获得金属制品；塑料原料可采用注塑、吹塑等成 型工艺而获得有一定空间形态的塑料产品；液态玻璃可通过压制、吹制、拉制 等成型工艺而制成各种各种造型的玻璃制品等等。 ( 2 ) 工艺性的概念 材料的工艺性是指材料适应各种工艺处理要求的能力“。它是材料固有特 性的综合反应，是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，它直接 关系到加工效率、产品质量和生产成本等。例如，金属铜的成型加工工艺基本 9 四川大学硕士学位论文 上只能铸造和锻造，而金属铁除了铸和锻以外，还可以进行各种切削加工，因 而我们可以说金属铁比铜的工艺性更好，更容易被制造成各类工业品，加上铁 的产量高，这就可以解释为什么大工业时代是从铁器时代开始而不是青铜器时 代。 材料的工艺性包括材料的成型工艺性、加工工艺性和表面处理工艺性。 材料通过工艺过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征的工业产品，将 设计方案转变为具有使用和审美价值的实体“。 2 1 2 产品造型的概念 本文所研究的产品造型非传统意义的“制造砂型”，而是指“产品的形 象”，是个名词。产品的形象或产品造型包含三个要素，即形态、色彩、质感。 形态是指产品的三维空间形状。质感也称为材质感，它包含两个不同层 次的概念，一是由物面的几何细部特征造成的形式要素肌理，二是由物面的理 化类别特征造成的内容要素质地。质感同时具有两个基本属性：一是生理属性， 即材料表面作用于人的触觉和视觉感觉系统的刺激性信息，如坚硬与柔软、粗 犷与细腻、温暖与寒冷、粗糙与光滑、干燥与湿润等；二是物理属性，即材料 表面传达给人知觉系统的意义信息，也就是物体材质的类别、价值、性质、机 能、功能等。 在产品造型的三要素中，与工艺关系最密切，受工艺影响最大的是形态 要素，质感要素次之，色彩要素在一般情况下与产品成型工艺无直接关系。本 文所指的产品造型在多数时候其所指就是产品的形态。 2 2 造型材料及其工艺发展的简要历程 2 2 1 造型材料发展的简要历程 一定程度上可以说人类的文明史就是材料的发展史，人类的设计史就是 对材料的使用史。所以人们通常以不同特征的材料来划分不同历史时期。 1 0 四川大学硕士学位论文 大体来说，造型材料的发展经历了石器时代、陶器时代、青铜器时代、 铁器时代、高分子材料时代以及复合材料时代，现代设计诞生于铁器时代以后。 ( 1 ) 石器时代( 约2 5 0 万年前约l 万年前) ( 2 ) 陶器时代( 约1 万年前约8 0 0 0 年前) ( 3 ) 青铜器时代( 约8 0 0 0 年前一公元前1 4 0 0 年) 以上三个时代可以认为属于手工艺时代，因为人类并未将此三类材料进 行工业化大生产。不过陶器时代与青铜器时代的一些工艺对今天的工艺有直接 的影响。 ( 4 ) 铁器时代( 公元前1 4 0 0 年一- 2 0 世纪初) 炼铁技术和制造技术的发展，开创了人类文明的新时代。推动了现代工 业革命的进程，同时也使人类经历了四次技术革命。这个时期的末期，诞生了 基于工业化大生产的工业设计。 ( 5 ) 高分子材料时代( 始于1 9 0 9 年) 尤其在2 0 世纪三四十年代，合成塑脂技术的迅速发展，彻底颠覆了传统 产品的呆板单调枯燥乏味的方盒子形象，产品造型得到了极大地丰富。因此， 在继钢铁材料以后，高分子材料已经成为今天最重要的产品造型设计材料。 ( 6 ) 复合材料时代( 2 0 世纪4 0 年代至今) 复合材料是由高分子材料、无机非金属材料或金属材料等几类不同的材 料通过复合工艺组合而成的新型材料，经过设计可以使各组分的性能互相补充 并彼此关联，从而获得新的优越性能啪。4 0 年代，因航空工业的需要，发展了 玻璃纤维增强塑料( 俗称玻璃钢) 的雷达罩，从此出现了复合材料这一名称。 随着时代的发展，均一材质的材料往往已无法满足高新技术的发展要 求，复合材料应运而生。 由于绝对强度尤其是比强度非常高，复合材料己被广泛运用到各类工业 产品之中。 2 ，2 _ 2 工艺发展的简要历程 我国的加工工艺发展史可远溯至史前。 四川大学硕士学位论文 原始人类在实践中对材料的特性及其加工工艺做了大量研究，积累了一 定的材料与工艺知识，尽量针对不同的材料予以不同的形态设计。例如在古希 腊时期，人们就知道采用天然石材制作石椅子，由于石材承受的压力远远高于 承受拉力且不易加工装配，通常整体落地，因而形成一个基座式椅子的造型风 格”。我国封建时期灿烂辉煌的手工艺也是充分利用了各类材料的性能及其工 艺性。明式家具就是经典案例。他们甚至对表面工艺也有一定的研究。 明朝宋应星所著天工开物一书介绍了冶铁、铸钟、缎铁、淬火等各 种金属的加工方法，是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一，这些加 工方法对现代加工技术具有重要影响。嘲 从古代人类开始青铜的铸造工艺一直到现代，工艺的发展经历了一个漫 长的过程，直到到今天，现代的成型加工手段已十分丰富和先进。总的来说， 可以认为其间按顺序大致经历了从传统工艺到现代工艺的发展演变。 传统工艺主要利用普通刀具的机械能来实现。主要有净尺寸成型( 包括 铸造、锻压、冲压、注塑、粉末冶金等) 和去除成型( 包括切削、磨削、切割、 钻孔等) 等。 二战后，特别是进入2 0 世纪5 0 年代以来随着生产的发展和科学实验 的需要，许多工业部门，尤其是国防工业部门要求尖端的科学技术产品向高精 度、高速度、高温、高压、大功率、微型化等方向发展。它们所使用的材料大 多是坚硬而难加工的，零件的形状越来越复杂，精度要求高，表面粗糙度低。 因此，如果加工工艺技术没有相应的改进，对上述零件的加工靠单纯提高强度 的方法使总的加工成本增加，而有时根本无法加工。于是人们开始探索采用除 机械能进行机械加工以至外的电能、化学能、声能、光能、磁能等进行加工。 这些加工方法，在某种意义上说，即不使用普通刀具来切削工件材料，而是直 接利用能量进行加工，为区别现有的金属切削加工，称之为。现代加工方法” 或“特种加工方法”。这些现代工艺对产品造型同样有着非常重要的影响。 除了上述特种工艺以外，一些传统工艺在经过改良以后，也可认为其已经 成为现代工艺。例如，铸造本是一种最古老的金属工艺，但今天的精密铸造却 可认为是一种现代工艺。同样，切削加工也是传统工艺，但精密切削和超精密 切削却可认为是现代工艺。 j 2 四川大学硕士学位论文 由去除成型发展而来的现代去除成型可以由三维c a d c a m 软件进行产 品造型，生成数控代码，然后通过数控设备加工出所需要的零件。 传统去除成型工艺对于加工形状不规则切内部构造较复杂的零件是十分 困难的，有时甚至不可能，现在，添加成型( 如快速原形) 很好地解决了这一 问题。 表2 1 常用现代( 特种) 加工类型“ 加工方法加工能量应用范围 电火花加工电能穿孔、型腔加工、切割、强化等 电解加工电化学能 型腔加工、抛光、去毛刺、刻印等 电解磨削电化学机械能平面、内外圆、成形加工等 超声加工 声能型腔加工，穿孔、抛光等 金属、非金属材料、微孔、切割、热处理、焊 激光加工光能 接、表面图形刻制等 化学加工化学能金属材料蚀刻图形。薄板加工等 电子束加工电能金属、非金属、微孔切割焊接等 离子柬加工电能注入、银覆、微孔、蚀刻去毛刺、切割等 喷射加工机械能去毛刺、切割等 2 3 工艺对实现产品造型的重要性 不同的成型工艺，由于具有不同的成型条件和成型范围，对产品的造 型结构会有不同的特殊要求，所得到的产品造型就会有差别甚至迥异。比如铸 件产品的造型设计要有适宜的脱模斜度、合理的结构和壁厚，以便于脱模和减 少模具制作的困难、降低成本；切削加工件的造型在设计上要方便刀具的正常 出入；模压产品设计要有一个合理的分型面，为了使材料充满模腔，外形应力 求简单、平直，并尽可能避免多孔、深孔、拉伸度过长的产品造型。因此，产 四川大学硕士学位论文 品的适型设计必须适应和满足生产工艺的要求，必须与生产设备、技术水平和 成型方式相适应“。因此，在产品造型设计中，恰当的工艺技术是实现产品造 型最佳效果的前提和保障。一个好的设计者必须在构思上针对不同材质和不同 工艺送行综合的全面考虑，必须通过工艺技术将其制作成产品。倘若不了解材 料所特有的材质属性、工艺程序和技术要求，再好的外观造型都很可能无法在 生产中实现或者导致生产成本很高，所谓的设计也只能是纸上谈兵。因此产品 造型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”。 美观的造型设计，必须通过各种工艺手段将其制作成为物质产品，此外， 即使是同一种款式的造型设计，采用相同的材料。由于工艺方法与水平的差 异也会产生相差十分悬殊的质量效果。 因此，在造型设计中实现造型的工艺手段是重要因素。工业产品造型设 计必须有一定的工艺技术采保证。造型设计应该依据切实可行的工艺条件、工 艺方法来进行造型设计构思。同时要熟悉所选用材料的性能和各种工艺方法的 特点，掌握影响造型因素的关系与规律，经反复实践，才能较好的完成造型设 计。” 2 4 工艺的分类及工艺对产品外观设计效果影响的因素 2 。4 i 工艺的分类 这里的工艺仅指工业设计中所应用的成型工艺。 工业设计中的成型工艺可以分为三种，即： 去除成型( d i s l o g cf o r m i n g ) 添加成型( s t a c k i n gf o r m i n g ) 1 4 四川大学硕士学位论文 净尺寸成型( f o r e df o r m i n g ) 图2 1 工业设计中的三种类型的成型工艺“” 去除成型是指从材料中除去某些部分而达到设计要求的零部件的形状和 尺寸，如车削、铣削、刨削、磨削、切割、钻孔等。现代的电火花加工、激光 切割、激光打孔等加工方法也是去除成型。去除成型最早实现了数字化控制， 是目前金属材料产品主要的成型方式之一。 添加成型又称堆积成型，是通过逐步连接原材料颗粒、丝条、层板等， 或者通过流体( 熔体、液体或气体) 在指定位置凝固定型达到目的，如涂层、 固化等，其最大特点是不受零件复杂程度的限制。现代的快速原形也是属于添 加成型。 净尺寸成型又称受迫成型，是利用材料的可成型性( 如塑性等) ，在特 定外围约束( 边界约束或外力约束) 下，将半固化的流体挤压成型后再硬化、 定型，或挤压固体材料而达到要求，如浇注、锻压、冲压、注塑和粉末冶金等， 多用于毛坯成型、特种材料或特种结构成型，也可直接用于最终部件成型。是 塑料制品的主要成型方式。 这三种成型方式中，去除成型和净尺寸成型属于传统成型方式，添加成 型工艺出现较晚，属于现代成型方式。 表2 2 工业设计中工艺的分类 上乙啊净尺寸成型 铸造 1 分类 ( 受迫成型)锻压 鬣 洼塑 四川大学硕士学位论文 其他 切削 切割 去除成型 钻孔 其他 添加成型 快速原形 手糊成型 i ( 堆积成型) 其他 2 1 4 2 工艺对产品造型效果影响的因素 成型加工工艺对产品造型效果的影响因素较多，主要有工艺方法、工艺 水平、新工艺的采用以及工艺方法的综合运用几个方面。 ( 1 ) 工艺方法 不同的材料有不同的成型加工方法。钢铁材料的成型加工工艺性能优良， 而目成型方法很多，可采用铸造、锻压、焊接、切削加工( 如车、钻、镗、磨、 铣、刨等) 等方法制造出许多机械设备和日用产品；木材至今仍然是一种优良 的造型材料，用途极广。这是由于木材具有易 锯、易刨、易打孔、易组合等加工成型特性， 加之木材表面的纹理能给人以纯朴、自然、舒 适的感觉；塑料制品的品种和数量日益增多， 这不仅是由于塑料的原料易得、性能优良( 如重 量轻、绝缘性好、耐腐蚀、耐药品、有绝热性 等) 、表面富有装饰效果和不同质感，还因为塑 料的可塑性特别强，几乎可以采用任何方法自 由加工成型，塑造出几何形体非常复杂的产品， 因而容易体现出设计者的构思要求、已成为当图2 - 2 可燃气体报警器”。( 设 代设计中不可缺少的重要设计材料。】 计：郑仁华、袁品均2 0 0 5 ) 1 6 四j i i 大学硕士学位论文 相同的材料和结构方式，采用不同的工艺方法所获得的外观效果差异 较大。例如，图2 - 2 为2 0 0 5 年作者与袁品均合作为成都安可信电子公司设计 的可燃气体报警器，其材料为钢板，若采用折弯加焊接的工艺，产品上部的转 折处将很难折弯，而且折弯后还需要焊接，所以就算勉强成功，产品将显得很 粗糙，工艺感差，零部件( 如盖子) 互换性差，制造成本也相应提高。但若改 为冲压工艺，由于使用了模具，产品表面质量很好，精度也大大提高，零部件 的互换性也提高了。只要生产批量达到2 0 0 台以上，成本就比前一种工艺方法 低得多。 ( 2 ) 工艺水平 材料、结构和工艺方法均相同，但由于工艺水平不同。所获得的产品质 量也不同。 例如：2 0 世纪9 0 年代国内有一个叫做高 路华的彩电品牌，曾在1 9 9 7 年一度辉煌过， 但后来却走向了衰败，公司内部的人事争斗固 然是其直接原因，但其产品策略的失误责任难 逃，虽然其在外观造型上基本都是模仿其他国 际名牌产品，但过分追求低价格使其产品工艺 性太差，表面十分粗糙，分模面处的毛刺都还 图2 - 3 高路华彩电( 图片出 清晰可见，笔者还真在重庆的商场看见过该品 处：盐城消费网) 牌彩电与其模仿对象被摆放在了一起，即使将 两者的商标隐藏起来，消费者也能- - i i l a 辨出哪是高路华彩电，哪是被模仿者。 因而不可能有好的“卖相”。 ( 3 ) 新工艺的采用 新工艺代替传统工艺 是提高产品造型效果的有效 途径。随着科学技术的深入 发展，先进工艺和新技术不 断涌现，如精密铸造、精密 图2 - 4 变频器( 设计：郑仁华2 0 0 4 ) 锻造、精密冲压、挤压、模 1 7 四川大学硕士学位论文 锻、轧制和粉末冶金工艺等使毛坯趋于成品。在加工中电火花、电解、激光、 电子束和超声加工等工艺的发展，使难加工材料、复杂形面、精密微孔等的加 工变得较为容易和方便。为了提高质重，提高产品造型艺术效果，提高效率， 造型设计人员要不断的学习、应用和创造新工艺，才能设计和制造出更新颖、 更美观的产品。例如，图2 - 4 为作者在2 0 0 4 年9 月为成都万发视通公司所做 的一款变频器的造型设计，其前面板所用材料为5 m m 厚的铝合金型材，面板 中央偏左的凹陷处为显示屏，这个凹陷处可采用传统的冲压工艺，但凹陷的四 周会受连带作用跟着往里有微弱的塌陷，肉眼即清晰可见，所以效果较差。若 采用电火花或数控加工，精度就要提高许多。 ( 4 ) 工艺方法的综合运用 运用多种工艺方法，是增加造型的外观变化，丰富造型艺术效果的有效 方法。造型设计中，不必局限于传统的材料与工艺，不必局限于某种工艺技术 形成的造型特点和风格，要灵活运用多种加工工艺手段，使造型充分表现材料 本身的质地美，或使相同的材料达到不同的质感效果，这样才能使造型的外观 更富于变化。 图2 5 为本文作者与袁品均合作为成都埃森普特焊接设备有限公司设计 的一款电焊机外观造型，已经投放市场。该产品的外覆盖件为钢板，公司以前 的老产品采用的 工艺是折弯加切 割和焊接，所以 整个产品都是由 直面构成，显得 比较生硬、呆板 而缺少变化。我 们所设计的新方 案在前面板处采 图2 5 电焊机( 2 0 0 5 年，设计：图2 6 改良前的电焊 用了局部的冲压郑仁华袁品均)机“” 工艺，形成了体 1 8 四川大学硕士学位论文 感的变化，而且所得到的曲面对整个产品硬朗的风格是个很好的调剂，形成了 硬中有软的局面，产品不再显得生硬而单调。 设计师虽然不直接动手参与材料的加工成型，但是必须了解所设计的产 品是否有可能采用某种技术来加工成型。如果现有技术无法实现时，是否有新 技术可供应用，或者有必要开发新的技术；甚至是否有必要改变材料规划，选 用其他合适的材料来加工成型，或者改变设计的形式以适应材料的成型加工 性。所以，设计师必须充分了解各种材料的特性与适合该材料的各种成型技术。 【1 帕 有关工艺方法的综合运用将在第五章中进一步讨论。 2 5 与产品造型相关的工艺总表 并不是所有工艺都会影响到产品的外观造型。即使这样，与产品造型相 关的工艺仍然十分复杂，这里列出常用材料的与产品造型有着重要影响的部分 具体的典型成型加工工艺。其中，复合材料的情况较复杂，这里只选取了塑脂 基纤维增强复合材料作为代表。 表中所列工艺与课题最终所构建的知识系统中的工艺基本相同。 表2 - 3 工业设计中与产品造型相关的工艺总表 + ，州 ， 成型工艺 。 ? 1 才一金砂型铸造 料属熔模( 失蜡) 铸造 种 一次铸型石膏型铸造 石膏型铸造 。类 陶瓷犁铸造 液态成型 石墨型铸造 金属型铸造 永久铸型 压力铸造( 工具钢) 金属压铸 塑性成型拉深 冲压 折弯 轧制冷轧 1 9 四川大学硕士学位论文 热轧 锤锻 落锤模锻 锻造压力锻造 镦锻 模锻 直接挤压 挤压 冲挤 、 电火花加工 电解加工 电解磨削 超声加工 特种加工 激光加工 化学加工 一 # 电子束加工 ， 离子束加工 t 喷射加工 ， 车削 铣削 有屑切削 刨削 切削加工 镗削 喷水切削 无屑切削其他：特种加工 z ( 见以上特种加i - - 栏) 塑注射成型( 适用于热塑性、热固性塑料) 料 浇注成型( 适用于热塑性、熟固性塑料) 旋转成型( 适用于热塑性、热固性塑料) 压铸成型( 适甩于熟塑性、热固性塑料) ， 液态成型体积成型 传递模塑法( 适用于热塑性、热固性塑料) 泡沫成型( 适用于热固性塑料) 接点成型( 适用于热固性塑料) 反应注塑成型( 适用于热固性塑料) 吹塑成型 挤出吹塑( 适用于热塑性塑科) 塑性成型 注射吹塑( 适用于热塑性塑料) 真空成型( 适用于热塑性塑料) 热成型 压力成型( 适用于热塑性塑料) 2 0 四川大学硕士学位论文 激光加工 特种加工 电子束加工 工 液态成型( 灌浆铸造) 程挤压成型 陶 塑性成型 注射成型 瓷 滚压成型 拖曳法 液态成型滚压法 玻 浮动法 璃 畋制法 塑性成型 压力成型 旋转法( 离心铸造) 手糊法成型 复合 缠绕法成型 材料 喷射法成型 ( 塑脂 基纤维 增强) 其他与塑料材料相同 说明：表中明度最高的底色方格中的工艺为最终具体成型工艺。 2 6 本章小结 本章讨论明确了产品造型以及工艺的相关概念，阐述了材料与工艺的发 展的简要历程及发展趋势，分析了工艺对产品造型的重要性，总结了工艺对产 品造型的影响因素，为后续的研究做了概念上的铺垫。最后对与产品造型有关 的各类常用材料如金属、塑料、陶瓷、玻璃等的典型工艺进行了总结提炼，汇 编成一个总表。 四j i i 大学硕士学位论文 第三章金属的典型成型工艺及其对产品造型的影响 金属是最常用的产品造型材料之一，因此，研究金属工艺及其对产品造 型的影响具有十分重要的意义。 3 1 金属材料在产品设计制造中的应用概述 金属材料是金属及其合金的总称。金属材质以其天然的无可比拟的坚固 性，永久地保留下人类驾驭自然、改造自然的能力和创造造型美的才华。 人类利用金属的历史已有两千年之久，但只是到了1 8 世纪中叶以后，才 开始对金属进行科学研究。在日常生活中，经常谈到或使用金属材料。因为它 们在国民经济中具有重要意义。它是现代工业的支柱，人们常把金属材料的生 产和应用作为衡量一个国家工业水平的标志。金属材料也是最重要，应用最广 泛的工业造型材料之一。因此、产品造型设计师应该掌握常用金属的基本知识， 以便正确选用金属材料，使工业产品的造型设计满足实用、经济和美观的基本 要求。 在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金属材料以其优良的力学性能、 加工性能和独特的表面特性，成为现代产品设计中的一大主流材质。 3 2 金属材料的分类 金属材料种类繁多，按照不同的要求又有许多分类方法。工业上常把金 属材料分为两大类：黑色金属：有色金属。这种分法一方面是按各种金属的外 观颜色，只一方面是按矿的颜色。有色金属大多呈现五光十色的漂亮色彩。“” 黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金，如纯铁、碳钢合金钢、铸 铁、铁合金、铁基粉末合金等，简称钢铁材料。钢铁材料资源丰富，冶炼加工 方便，生产率高，成本低，力学性能优良，在工程应用上最为广泛。 四川大学硕士学位论文 ，譬厂按化学成分分t 合金钢 黑 r 铁一 。五” r 一璺 钢 l 按用途分：结构钢工具钢建筑钢特殊钢 暑 。铸铁：自口铸铁球墨铸铁可锻铸铁 l虿f 铜及铜合金：纯铜黄铜青铜白铜等 i尝j 铝及铝合金：工业纯铝防锈铝合金硬铝合金铸铝合金锻铝合金等 、蘑i 其他合金：镁合金钛合金锌合金锡合金等 有色金属材科包括除铁以外的金属及其合金。有色金属材料品种繁多，性 能各异，用途广泛。但资源较分散。提炼困难生产率低，成本高，目前尚不 能大量使用。常用的有色金属材料有铝及铝台金、铜及铜台金、钛及钛合金、 轴承合金等。随着科学技术的进步，有色金属材料的需求和供应量必有较大辆 度的增长，常用金属材料分类如图3 1 。 3 。3 金属材料的特性 金属材料具有以下一些特性： 金属材料几乎都是具有晶格结构的固体，由金属键结合而成。 金属材料是电与热的良导体。 金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。 金属材料具有良好的展延性。 金属可以制成金属间化合物，可以与其他金属或氢、硼、碳、氢、氧、 磷与硫等非金属元素在熔融态下形成合金，以改善金属的性能。合金可根据添 加元素的多少，分为二元合金、三元台金等。 四川大学硕上学位论文 除贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼易于氧化而生 锈，产生腐蚀。” 3 4 金属材料的典型工艺及其对产品造型的影响 金属材料的成型加工工艺比较复杂，以下选择与产品外观造型直接相关的 工艺做探讨。金属材料的成型工艺可分为两大类型：液态成型和塑性成型，每 类工艺又可细分，详见表3 1 。 除了上述两种成型工艺 外，金属的切削加工中的某些 加工工艺对其最终制品的造 型也会形成一定影响，但由于 金属切削加工情况非常复杂， 所以本文不做详细讨论。下面 具体分析每个类型的详细工 艺。 表3 - 1 金属的几种典型成型工艺 一次铸型 砂型铸造 液态成型 熔模铸造( 失蜡铸造) (