结构与造型

第6章　工业产品造型的结构、材料及工艺设计

工业产品必须在满足其功能的前提下，根据技术和艺术法则进行设计，达到实用、经济、美观的目的。工业产品的造型美，是在保证实用、经济的基础上提出的。但结构的合理、材料的使用、加工过程等都将直接影响着产品的造型美，以致影响市场的经济价值。因此，结构、材料、工艺在工业产品造型设计中的地位和作用是相当重要的。

6．1　结构与造型

6．1．1　外观件结构对造型的影响

造型与结构是产品整体设计的两个重要内容，二者是相辅相成的。结构设计也是外观效果获得造型美的重要条件之一，因此在整个产品造型设计中，造型与结构、形式与内容应是统一的。

下面介绍通过改变局部结构来改善外观效果的实例。

如图6．1所示为上箱盖与下箱体两个部件接触处的结构图。其中，图6．1（a）是不宜采用的凸线装饰结构；而采用图6．1（b）的凸线装饰和图6．1（c）的凹线装饰结构形式较好，既起到线型装饰，又起到隐蔽缺陷的作用。

图6．1　箱盖与箱体接触处的结构

如图6．2所示为侧壁箱盖的结构图。图6．2（a）为一般机床常用的侧壁箱盖结构。由于外观感觉凸凹变化太多，影响外形美观。图6．2（b）的结构形式经改进后，外观效果略好，但箱体上的接合面加工困难。如果改进为图6．2（c）的结构形式，不仅整体性强，而且床壁线型统一，可获得好的外观效果。

图6．2　侧壁箱盖的结构

6．1．2　内部传动结构对造型的影响

工业产品的内部传动结构，虽然在内部，但它对外观造型的影响却是十分突出的。因为它影响着造型的比例尺度与整体的外观形态以及操纵手柄的多少和位置的布局。

如图6．3所示为B665型牛头刨床，采用的是曲柄连杆机构。这种传动结构使部分机构外露，特别是连杆的平面运动，对机床的操纵和外观造型都影响很大，并且烦琐、零乱。

图6．3　B665型牛头刨床

改进后为如图6．4所示BD6050A型牛头刨床。由于传动结构方式改为偏心轮—齿轮—齿条—超越离合器走刀系统的结构方案，克服了走刀机构外露的缺点，使机床外观整体性强并有安全感，外部线型风格协调一致，操作方便，可获得较好的造型效果。

现代机械产品的控制方式更趋先进，随着数控、数显、光控及微电子技术的应用，机控、手控相应减少，这种结构的变化必将深刻地影响着产品的外观造型。

图6．4　BD6050A型牛头刨床

6．1．3　避免“危险”的造型设计

这里重点讲述设计者往往只注意到性能、结构、造型的统一，而常常不知不觉地对操作者、消费者构成了一些危害，即不能完全符合前面谈到的人机工程学的要求，又可称为“危险设计”。图6．5（a）、（b）、（c）展示出了设计座椅的3个危险设计的例子。

图6．5　座椅设计中的“危险”例子

如图6．5（a）所示的座椅结构不应该露出尖角，尖的转角和边缘可能对使用者构成危害。如图6．5（b）所示的座椅应该考虑使用者能够可靠地靠在椅背上，不应使支承部分的滚轮在光滑的地板上打滑。显然4个支腿要比3个好一些。如图6．5（c）所示座椅由于基座超出该椅子的范围，而对人们构成了危险。

6．2　材料与造型

材料是产品造型的物质基础。当代工业产品的先进性不仅体现在它的功能与结构方面，同时也体现在新材料的应用和工艺水平之高低上。材料本身不仅制约着产品的结构形式和尺度大小，还体现材质美的装饰效果，因此，合理、科学地选用材料是造型设计极为重要的组成环节。

6．2．1　造型材料的特性

从材料的功能来讲，一般机械工程材料要具有足够的机械强度、刚度、冲击韧性等机械性能。而电气工程材料，除了机械性能外，还需具备导电性、传热性、绝缘性、磁性等特性。但从造型角度来讲，对造型材料就要求除了上述材料的物理、机械性能要符合产品功能要求外，还要具备以下特性：

（1）感觉物性

所谓感觉物性，是通过人的器官感觉到材料的性能。如冷暖感、质量感、柔软感、光泽纹理、色彩等。

目前所使用的材料品种繁多，一般分为两大类，即天然材料（木材、竹子、石块等）和人工材料（钢材、塑料等）。它们分别都有自身的质感和外观特征，给人的感受也不同。

木材：雅致、自然、轻松、舒适、温暖。

钢铁：深沉、坚硬、沉重、冰凉。

塑料：细腻、致密、光滑、优雅。

金银：光亮、辉煌、华贵。

呢绒：柔软、温暖、亲近。

铝材：白亮、轻快、明丽。

有机玻璃：明澈透亮、富丽。

以上这些特性，有的是材料本身固有的，有的是人心理上感应的，有的是人们生活习惯、印象所造成的，有的是人触觉到的，等等。造型设计对材质的选用是根据不同的产品特性和功用，相应地选用满意的造型材料，运用美学的法则科学地把它们组织在一起，使其各自的美感得以表现和深化，以求得外观造型的形、色、质的完美统一。

（2）化学稳定性（环境耐受性）

化学稳定性是指现代造型材料不因外界因素的影响而褪色、粉化、腐朽乃至破坏。外界因素多种多样，有室外和室内，水和大气，寒带和热带，高空和地上，白天和黑夜，等等。例如，室外使用的塑料制品，就不能选用易于老化的ABS树脂塑料，而应选用耐受性优良的聚碳酸酶塑料材料。

（3）加工成型性

产品的成型是通过多种加工而成的，材料的加工成型性是衡量一种选型材料优劣的重要标志之一。

例如，木材是一种优良的造型材料，主要是其加工成型性好。而钢铁之所以是现代工业生产中最重要的造型材料，同样也是因为其具有加工成型性好的特性。钢铁的加工成型方法较多，如铸造、锻压、焊接及各种切削加工（车、钻、铣、刨、磨等）。

目前，现代化大生产中，成型性能好的造型材料除钢铁外，还有塑料、玻璃、陶瓷等。

（4）表面工艺性

工业产品加工成型后，通常对基材进行表面处理。其目的是：改变表面特征，提高装饰效果；保护产品基材，延长其使用寿命，等等。

表面处理的方法很多，常用的有涂料、电镀、化学镀、钢的发蓝氧化、磷化处理、铝及铝合金的化学氧化和阳极氧化、金属着色等。

根据产品的使用功能和使用环境，正确地选用表面处理工艺和面饰材料是提高工业产品外观质量的重要因素。

6．2．2　造型材料对外观造型的影响

前面谈到，造型材料对产品外观质量有着极为重要的意义。例如，工程塑料产品与日俱增，很重要的原因之一是塑料的加工成型性能好。它几乎可铸塑成任何形状复杂的形体，为造型者构思产品的艺术形象提供了有利的条件。

目前一般电视机、电脑等的外壳都采用了工程塑料，既可使其外壳线型圆滑流畅，又能使内壁提供支撑点，生产率高，成本也低，外观造型效果也好。

由于塑料有铸塑性能好的特点，可变性大，并可电镀和染色，可获得各种鲜艳的色彩和美观的纹理。因此，照相机、录像机等的外壳，目前大都用塑料制作，其表面一般为黑色或灰色，给人以高贵、含蓄、典雅、亲切的感觉。

在产品的造型设计中，由于采用了新材料，使产品造型新颖、别致，从而提高了产品的外观质量，并占有市场。因此，造型设计者应及时掌握和熟悉各种新材料的特性，并根据具体条件大胆地用于产品，这一点尤为重要。

6．3　工艺与造型

工业产品的艺术造型不仅是纸面上新颖而美观的样式设计，更重要的是通过先进而合理的工艺手段，使它成为有实用功能的具体产品。否则，再美观的外形，也不过像一幅美丽的画一样，只能供人们欣赏。加工工艺是实现造型的关键。其中，先进的加工工艺则是工业造型设计时代感的重要标志。表面处理、装饰工艺则是完美造型的条件。它们互相结合、渗透和促进，使之达到工艺美的艺术效果。

6．3．1　加工工艺对外观造型的影响

不同的加工工艺可产生不同的工艺美感，不同的工艺美感则影响着产品的性格特征，因此采用不同的工艺方法，所获得的外观造型效果也不相同。

车削件有精细、严密、旋转纹理的特点。

铣、磨加工具有均匀、平顺、光洁致密的特点。

板材成型有棱、有圆，具有曲直匀称、丰厚的特点。

焊接型材组合件则由于棱角分明而给人以秀丽大方之感。

铸塑工艺有圆润的特点。

喷砂处理的铝材具有均匀坑痕，表面呈现亚光细腻的肌理，有含蓄的特点。

经皱纹处理的铝材具有精致、细腻和柔和的特点。

工艺对产品的外观质量影响很大，除了上述的加工方法影响因素之外，还有工艺水平之高低。在对产品的加工生产中，往往由于工艺水平很低，加工表面粗糙而不细腻造成外观质量低劣，应当引起高度注意。

当然，新工艺代替传统的或陈旧的工艺，是提高艺术造型效果的有力措施。因此，造型设计者必须不断地学习和掌握新工艺，利用新工艺和创造新工艺，才能设计出更新颖、更美观的产品。

6．3．2　造型中的表面处理工艺

表面处理工艺是造型完成前从质感、光泽、肌理、硬度及色彩等方面对产品外观进行最后的润饰。通常它可分为以下两大类：

①同一材料的最后加工。主要通过机械加工、热处理、研磨、抛光等方法，降低表面粗糙度，改善光泽、亮度、质感、手感和风格等。

②异种材料的组合或附着。这种方法有喷、镀、涂、饰、漆等。工艺手段十分丰富，如静电喷塑等，可给产品增加不少美感。

（1）机械精加工

除内部装配结构的需要外，机械精加工主要是对外露的金属表面施以精整加工。其目的是使表面光洁、明亮，达到高的表面质量要求。它包括精车、精刨、精铣、精磨、研磨、铲刮、抛光及各种无屑加工如滚压加工等。

（2）油漆、涂装工艺

油漆、涂装工艺是对各种金属和非金属材料表面进行装饰和保护的一种重要方法。油漆是一种流动性的物质，能够在产品表面展成连续的薄膜，经一定时间后，牢固地附着于产品表面上，形成一层坚实的外皮，从而起到保护与装饰产品的作用。下面介绍一些常用的涂料特性及外观效果，便于设计时合理选用。

表6．1为机电产品中常用装饰涂料的性能特点及外观效果。

表6．1　机电产品中常用装饰涂料的性能特点及外观效果

续表

续表

续表

表6．2　主要类别涂料的物理性能

续表

注：A—最好；B—好；C—次；D—差；E—最差。

表6．3为一般涂料与被涂装材料的适应性关系。

表6．3　一般涂料与被涂装材料的适应性关系

注：A—最好；B—好；C—次；D—差；E—最差。

表6．4为不同性质的塑料表面涂装所需的涂料性质和涂装前的处理工艺。

表6．4　不同性质的塑料表面涂装所需的涂料性质和涂装前的处理工艺

（3）电化学处理工艺

对产品外观局部表面进行电化学工艺处理，以提高表面光洁度，可增加表面镀层、保护膜及表面染色等，从而提高金属表面的外观质量。因此，这种工艺方法在工业造型设计中被广泛应用。

1）电抛光

电抛光是用电化学作用使金属零件表面平整光洁的一种表面处理工艺。它可得到镜面光亮表面，提高装饰性。

2）电镀

电镀是利用电化学作用把某种金属（如铬、锌等）覆盖在基础零件上，形成一层或多层薄膜，达到防锈、防蚀、装饰等作用，从而提高造型物的外观质量。

3）氧化处理

氧化处理是利用电化学作用在零件表面上形成一层薄而多孔并有良好吸附性能的膜，以提高外涂层的防护、装饰性。它主要用于铝及铝合金的表面处理，应用于飞机及电子仪器上。对钢铁零件经过发蓝氧化处理后，使零件表面生成一层很薄的黑色氧化膜，故常称为发黑。

金属着色是近年来发展很快的一种氧化处理工艺。由于经氧化后的零件可染成各种颜色，故可作为表面装饰和不同用途的标记使用。它的应用范围越来越广，主要用于轻工业及日用工业产品等的装饰。

4）磷化处理

磷化处理是指钢铁零件经过化学处理使零件表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜。磷化膜的颜色为灰色或暗灰色的结晶状态，其外观效果虽没有发黑那样光亮，但它的膜层比发黑厚，其抗蚀能力为发黑膜的210倍。另外，磷化膜与油漆有较高的结合力，可增强油漆外观的保持性。因此，在机电产品造型中为涂装前很重要的处理方法。