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          倒圓角在產品設計中的實踐應用

          發布日期:2022-9-26 11:26:05 來源:《廣東美術與設計》 作者:占守祥(廣東省機械技師學院) 瀏覽:

          摘要:在產品三維造型及產品結構設計過程中,倒圓角命令,經常性用到,是比較常見的一種操作。隨著國民經濟的不斷發展,工業產品的大量使用,以及人們對產品的要求越來越高,產品升級更新換代越來越快[1]。在產品同質,市場化敏銳的情況下,產品的細節設計尤為重要。倒圓角設計在產品設計與制造全流程中,是屬于產品細節設計的一部分。

          關鍵詞:產品設計;倒圓角;同質;產品結構設計。

           

          1、前言

           倒圓角設計在產品設計與制造全流程中無處不在,經常性用到。在產品設計過程中,倒圓角設計有多種形式和多種功能性作用[2]。有些是滿足外觀造型需要,有些是功能上需要,還有些可能是操作使用上的需要,倒圓角的尺寸也是大大小小的沒有統一。針對不同的產品,不管是外觀造型可見的,還是產品內部設計不可見的,林林總總的各類尺寸圓角,都有其規律或作用說明。了解分析倒圓角的一些基本作用,掌握倒圓角的一些基本技巧,提高產品綜合設計水平。

           

          2、倒圓角在造型設計上的重要作用

          隨著工業技術的發展,以及各類先進軟件的使用,大量同質產品面世。如今,消費者對產品外觀造型越來越挑剔,細節要求也越來越高[3]。一般外觀產品或零部件可見到的楞邊,都需要倒圓角。普通產品倒圓角尺寸太大,會給人圓潤、圓滑、可愛、靈動的感覺;尺寸太小,又會顯得機械、生硬、僵化。究竟多少合適?這個要看具體產品,以及產品所使用的環境等決定。

          筆者之前曾開發一款電磁爐,該產品左、右、后三邊邊緣都呈規則狀,邊緣倒角3毫米。設計師覺得造型沒有亮點,如是把該產品前端邊緣倒30毫米的大圓角。從效果圖及3D模型來看,沒有什么特別感覺。但是,當做出外觀模型板后,大家都覺得前面30毫米的倒圓角,有些怪異。倒圓角是全尺寸倒角,尤其是中間點位置,會顯得比較飽滿。該設計就像一個車頭,倒圓角后,中間造型部位顯得特別簡單,突兀。后來,改成橢圓狀,客戶才認可外觀造型,予以接受該產品。

          在設計音響,手提電腦等產品,都遇到類似“有爭議”問題,總結來說,一般體積不大的產品,大于5毫米的外觀倒圓角造型,都會影響到產品觀感和形態。設計師在做造型改良設計時,遇到本體或主體呈簡單結構、簡單形狀,亦要想辦法予以改變,做成橢圓、要形、拋物狀、雙曲面等,不能用“倒圓角”簡單處理。在這方面,有些公司的做法,可以借鑒參考一下。像小米公司的某一系列產品,它的倒圓角都有統一尺寸。包括美國最大的電器商APPLICA公司,沃爾瑪公司,在同一系列同時開發的數款產品中,如咖啡機、水壺、面包機,是同一系列同時開發的三款產品,其設計團隊就曾要求,三款產品中,所有外觀倒圓角處,不能大于5毫米。

          普通電子電器類產品,像手機、電腦、電視等產品,電子板及電子元件高度集成,產品都呈扁平狀,倒圓角處不多。

          交通工具、日用百貨及兒童玩具等產品,外觀造型設計涉及環境、使用性安全。在不影響功能使用時,外觀邊緣,則盡可能倒大圓角。如公共汽車上的塑料座椅,不管是椅面,還是靠背,都是倒大圓角設計;日常用的掃把、口杯、牙刷等產品的手柄,必須是圓潤的;幼兒圓、及嬰幼兒產品,少兒玩具等外觀產品,邊緣、夾角處都必須倒圓角處理;其它車站、碼頭、廣場、賓館等公共場所,所使用的凳椅、水碼、健身器材、指示牌等產品,不管是塑料還是五金的,其外觀裸露處的夾角或邊緣,必須要倒圓角,避免發生安全事故。

           

          3、倒圓角在產品結構設計上的重要作用

          在沒有犀牛、proe造型軟件之前,產品造型效果圖以ps、corlordraw平面設計為主,一般設計師不考慮外觀倒圓角,或者說倒圓角不是外觀造型者所考慮的。一般零部件外觀倒圓角后,會影響產品內部空間布局及結構裝配關系,因此倒圓角特征,更多的是從事產品結構相關技術人員所設計。

          產品結構設計是產品設計及制造全流程過程中,最為重要的一項工作。產品結構設計師根據外觀造型圖、效果圖、模型或實物,完成產品所有零部件建構工作,然后,將圖紙給到模具、研制、制造部門,完成模具制造等系列工作。

          產品結構設計的可靠性、先進性將直接關系到產品的成本、性能、可加工及可制造性等關鍵質量指標。

          3.1安全性倒圓角

          不管何類別產品,所有裸露特征,正?;蚍钦J褂脮r,涉及消費者人身、財產安全時,優先選擇倒圓角,且滿足使用,不影響功能時,圓角尺寸越大越好。

          3.2 五金工藝性倒圓角

          五金殼體、端蓋、軸承座、軸、法蘭、支架等機械零部件,在車、銑、刨、磨基本車削加工后,其端面、夾角及其它外露邊緣,都比較鋒利,裝配或使用過程中,都會造成安全隱患。此類零部件,行業通則,造型或建模過程中,默認狀態都會做倒斜角或圓角處理。

          五金箱體或殼體類結構零件,如發動機、機床齒輪箱等零部件,其加工工藝是采用翻砂鑄造或精密鑄造技術。加工時,通過熔爐,將塊狀金屬原材料(生鐵、生鋁),熔化成高溫液狀,在澆注入型腔后冷卻成型。金屬液在型腔流動過程中,要求腔體圓滑通暢[4]。因此,此類零部件設計通用要求,就是不能有利角,所有特征及過渡處,必須倒圓角。一般圓角尺寸不小于2毫米,實現平滑過渡。

          另一方面,高溫金屬液體充填型腔,冷卻成型后會收縮,在特征過渡處會產生不同強度的“內應力”?!皟葢Α睆姸雀牧媳诤?、溫度、壓力成正比?!皟葢Α睍斐闪悴考巫?,崩裂等一系列質量缺陷?!皟葢Α笔俏锢憩F象,暫無法克服。理論上,圓角越大,內應力越小,對產品的質量影響也越小[5]。

          五金鈑金類殼體零件,在模具沖壓成型時,是通過模具擠壓、拉伸鈑金原材料而加工成型,零件的夾角及邊緣角,倒圓角時必須滿足基本工藝成型要求。像碗、碟、盆等金屬容器,既是造型、功能使用上的要求,也是在產品結構設計時,模具加工工藝成型上的要求。理論上,在滿足功能情況下,倒圓角尺寸越大越有利于產品加工成型。

          3.3 塑料制品倒圓角

          塑料是工業產品主要原料之一,各種工業產品的殼體、箱體、本體、底座、支架等零部件,一般都由塑料所做成。由于塑料制品采用規?;a,有質輕、價廉、工藝先進等優點。在工業產品研制過程中,會優先選用相關塑料材料。常用塑料加工工藝有注塑、壓塑、擠塑、吹塑和吸塑等幾種加工工藝,其中注塑加工是使用最多的一種加工工藝。

          注塑加工工藝與五金鑄造加工原理基本一致。注塑加工工藝主要由塑料模具和注塑機組成。注塑模具安裝在注塑機上,模具由強度較高的數塊模具鋼組成,經過模具系列加工工藝后制作完成。模具號稱“工業之母”,一般模具可完成最少50萬次的開合,如果該零件是一模一穴的,意思是可以做50萬件。注塑機是塑料加工的基礎,其結構及工作原理,注塑機有基座、料斗、螺桿、套筒、模具夾持結構、推桿、動力裝置、控制裝置等組成。工作時,纏繞裝置發熱塊的套筒將套筒內的塑料原料融化,在注塑機螺桿的擠壓下,將熔融后的塑料注射進塑料模具。注塑機的規格有80T(噸),150T(噸)等不同規格。噸位數代表機器的鎖模力,或者叫機器注射時的壓力。注塑加工時,一般注塑機的壓力大于產品的重量[6]。如300克重的本體零件,會選用350噸的注塑機。也就是說,每一克熔融后的塑料,將被1噸的壓力注射進模具型腔。

          舉例來說,一般300克重的塑料殼體零件,設計壁厚2~3毫米,殼體上的筋、柱位壁厚0.8~1.5毫米。加工過程中,盡管注塑機壓力比較大、模具強度也可以承受,但是零件若是結構性設計不好,注塑時,殼體內外表面會產生、少膠、缺膠、燒膠、縮水等質量缺陷。因設計缺陷,流動性不通暢,有時候還會出現模具前端跑披鋒,后端缺膠現象,甚至出現極端的模具崩裂現象。隨著設計人員水平的普遍提高,三維軟件中流體力學、拔模分析等命令應用,目前較少出現極端情況。

          為了克服注塑缺陷,保證熔融后的塑料能夠順暢,塑料零件設計時,所有殼體或本體內部特征夾角、邊緣處,默認都需要倒圓角。一般開模的工程圖,在圖面上的技術要求處,一般會注明“未注圓角R0.5”。在模具裝配與調試過程中,會對澆口、筋、柱位、邊緣角、棱角等特征處省模、拋光,其目的也是為了改善塑料熔融后的流動性,保證零件注塑質量。

          注塑加工跟五金鑄造原理一樣,在特征過渡等處亦會產生“內應力”?!皟葢Α睍斐闪慵螤钭兓筒糠痔卣鞔嗔?,影響裝配和質量隱患。通過“倒圓角”操作,是改善“內應力”最有效的方法之一。

          按照ISO國際標準委員會要求,在產品結構設計過程中,一般要經過由模具、塑料加工、制造等各部門高階技術人員參加的產品結構工藝評審,確保設計及可加工技術的先進性。一般討論較多,爭議較大,最不易形成共識的,就是產品設計及加工時,“內應力”所帶來的形變及加工問題。

          4、結語

          總體而言,隨著工業制造現代化發展水平不斷提高,三維軟件及新進激光數控設備的使用,普通模具制造水平較高,基本滿足一般企業制造需要。“倒圓角”作為產品結構設計的一部分,其設計的內容、形式、大小,要根據不同的產品標準、設計要求,實時做出精準判斷。通過對“倒圓角”的相關研究,可以迅速提高產品設計方面的認知,提高設計師乃至企業設計群體水平和能力。

             

          參考文獻:

          [1] 周甘.我國機械產業模具技術的現狀及未來前景[J].中國電子商務,2014,(13):259.

          [2] 陳栩雪.Pro/E倒角功能在產品設計中的應用技巧[J].機電工程技術,2008,(6):23-25.

          [3] 李凡.產品外觀的造型意象設計技術要點分析[J].科技展望,2014,(14):44-44.

          [4] 劉小華.ZL204鋁合金半圓環鑄件鑄造工藝設計[J].鑄造,2012,(3):326-328.

          [5] 沈鐵成.轉爐煉鋼雙渣法操作探究[J].中國新技術新產品,2010,(1):141-142.

          [6] 胡琳.基于Pro/E的手機外殼造型及注塑模具的設計[J].機電工程技術,2005,(9):40-45.

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