高端水龍頭曲線設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的研究

劉 穎,李金平,周水軍

(1.宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 宜春 336000; 2.新余市長(zhǎng)城銅產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司,江西 新余 338000)

水龍頭是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)一種盥洗取水物品。高端水龍頭常見(jiàn)于中高端人群新房子的裝飾、高端賓館、酒店、會(huì)所及游樂(lè)設(shè)施場(chǎng)所盥洗間,使用中體現(xiàn)了一定的舒適性、便利性和美觀性。近年來(lái)我國(guó)高端水龍頭諸多品牌如九牧、箭牌等因注重采用美學(xué)理念進(jìn)行個(gè)性化外形設(shè)計(jì)正逐步走向國(guó)際市場(chǎng)。

1 高端水龍頭的特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)的科學(xué)性及新穎性

高端水龍頭設(shè)計(jì)的科學(xué)性,主要體現(xiàn)在水龍頭從原材料的選用到成品各個(gè)環(huán)節(jié)的流程;還要考慮水龍頭彎管曲率半徑的大小、出水口的形狀、出水口至安裝點(diǎn)的距離、水流速度的控制、水龍頭安裝的便利度、開(kāi)關(guān)形狀及位置的設(shè)計(jì)。

新穎性主要體現(xiàn)在用戶對(duì)產(chǎn)品的直觀感受,簡(jiǎn)潔美觀,讓人有一種耳目一新的感覺(jué)。但更多的是方便人們的日常生活,體現(xiàn)水龍頭實(shí)用的功能,給人一種高端大氣之感。

1.2 使用的便利舒適性

高端水龍頭,使用起來(lái)應(yīng)該是非常便利、非常舒適的,特別要考慮水龍頭安裝完畢后,出水口對(duì)水池側(cè)壁無(wú)干涉的影響。水流出水集中柔和而又力度,水花四濺不明顯,對(duì)四周環(huán)境無(wú)影響而產(chǎn)生違和之感。

1.3 效果節(jié)水性

高端水龍頭節(jié)水性體現(xiàn)在環(huán)保特性,水龍頭開(kāi)水后水流無(wú)滯留影響,節(jié)水效果基于快速感應(yīng)性。水龍頭封閉嚴(yán)密,感應(yīng)比較靈敏,關(guān)閉速度不到傳統(tǒng)老式水龍頭的五分之一。

1.4 智能化

自動(dòng)感應(yīng)出水控制,只需將手或其他洗滌物品放在水龍頭下紅外線感應(yīng)區(qū),水龍頭便會(huì)立即自動(dòng)出水,待離開(kāi)后,便自動(dòng)關(guān)閉,這樣大大提高了使用效率和節(jié)水效果。

2 高端水龍頭的工藝要求

2.1 材質(zhì)要求高

目前高端水龍頭從材質(zhì)方面而言主要使用環(huán)保無(wú)鉛銅合金材料,也有不銹鋼、陶瓷等材質(zhì)。而鐵質(zhì)水龍頭由于容易生銹,逐漸被淘汰。不銹鋼材質(zhì)價(jià)格比較昂貴,不銹鋼的硬度和韌性比銅合金等材料高得多,但加工難度大,成本更高。

2.2 表面處理要求高

高端水龍頭要根據(jù)本身的使用場(chǎng)合、使用年限等因素選擇合適的表面處理工藝。而要求較高的表面處理工藝可以根據(jù)產(chǎn)品表面的色彩、光澤、質(zhì)感等達(dá)到滿足美化外觀表面的需要,從而提高了產(chǎn)品的附加值。國(guó)外高端水龍頭普遍采用磁控濺射[1]技術(shù)鍍鉻、鋯等各種貴重金屬的表面濺射,以更好地滿足用戶對(duì)不同色澤的要求,并且經(jīng)該工藝表面處理后,由于其附著力強(qiáng),表面光潔度高,可保持產(chǎn)品長(zhǎng)久不變色。而國(guó)內(nèi)水龍頭生產(chǎn)廠家普遍采用電鍍工藝,因存在環(huán)保問(wèn)題,逐步被新工藝所取代。不論是銅材制品表面處理的電鍍鎳、電鍍鉻,還是不銹鋼材制品表面處理的仿金、鍍金,都要做到既耐腐、防銹,又要實(shí)用、無(wú)污染。

2.3 生產(chǎn)制造成本高

高端水龍頭生產(chǎn)制造需要經(jīng)過(guò)個(gè)性化曲線設(shè)計(jì)、高性能鈹青銅[2]模具加工、銅錠熔煉、低壓鑄造、機(jī)加工、表面拋光、電鍍或磁控濺射表面處理等多道工序,因此其生產(chǎn)制造成本相對(duì)較高。

3 高端水龍頭曲線設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究

潛在客戶在判斷產(chǎn)品物理性能之前會(huì)先通過(guò)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行評(píng)判,這清楚地表明了美學(xué)形狀對(duì)工業(yè)產(chǎn)品成功的重要性[3]。曲線是擁有無(wú)限生命力的線條,它也是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用最為廣泛的符號(hào)之一。曲線不同于直線給人的穩(wěn)定感,曲線可以給人帶來(lái)優(yōu)美的流暢感,讓人聯(lián)想到自然河流、地形等大自然元素,且流線型的曲線元素能夠打破直線的呆板和無(wú)趣,可以說(shuō)在人與自然相處的過(guò)程中,曲線已經(jīng)成為了一種意識(shí)形態(tài),不斷滲透和影響著人們對(duì)于美的認(rèn)知。本研究采用西方抽象派的美學(xué)理念,結(jié)合生活中的美學(xué)感受和國(guó)內(nèi)相關(guān)論文的研究[4-7],對(duì)高端水龍頭的曲線進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì),并充分考慮其生產(chǎn)制作工藝。科學(xué)合理地設(shè)計(jì)高端水龍頭的外觀曲線能夠確保制造工藝性好,出水效果集中穩(wěn)定,水流速度均勻而柔和;在外觀上,非常美觀,給人一種簡(jiǎn)潔清爽和大氣之感,符合大眾的審美觀點(diǎn)。

3.1 水龍頭曲線公式

為了使高端水龍頭外形曲線更美觀、更實(shí)用、更耐用,科學(xué)地設(shè)計(jì)外形曲線非常重要。本案例中高端水龍頭的曲線源于幾何中的橢圓曲線,其公式也源于解析幾何中橢圓的方程式X2/a2+Y2/b2=1,公式中a為橢圓長(zhǎng)半軸,b為橢圓短半軸。而在取值范圍中,a的取值在65～80 mm、b的取值在45～65 mm是較為合理的。

本案例中,高端水龍頭主體曲線由一段橢圓曲線組成,為了凸顯水龍頭橢圓曲線形狀的美觀,經(jīng)過(guò)比較和論證,設(shè)橢圓長(zhǎng)半軸a值為70 mm,設(shè)短半軸b值為50 mm,其曲線公式設(shè)計(jì)為:

X2/702+Y2/502=1。

該公式為高端水龍頭的外形曲線公式,也即橢圓的方程式,而在實(shí)際的曲線設(shè)計(jì)中,還包括一小段直線,并且橢圓與直線相切光滑過(guò)度。

3.2 水龍頭外形曲線

高端水龍頭的外形曲線輪廓直接影響到水流速度和出水效果,也影響到水龍頭的視覺(jué)審美效果。本案例設(shè)計(jì)的高端水龍頭曲線外形簡(jiǎn)便,外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要曲線形狀、尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 水龍頭曲線形狀及尺寸Fig.1 Faucet curve shape and dimensions

圖2 水龍頭曲線外形Fig.2 Faucet curve appearance

結(jié)合水龍頭曲線形狀,假如要設(shè)計(jì)水龍頭開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)位置如圖3所示。

3.3 曲線結(jié)構(gòu)分析

本案例設(shè)計(jì)的高端水龍頭,外形以橢圓輪廓曲線為主,并附加直線段。橢圓曲線與圓弧曲線相比,具有曲率半徑大的優(yōu)點(diǎn),這樣水流主要流經(jīng)的轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)較大,水流阻礙作用小、水流流暢;同時(shí)橢圓曲線在外觀上表現(xiàn)為美觀、簡(jiǎn)潔、大方,給人以美的視覺(jué)沖擊。

本案例中設(shè)計(jì)的水龍頭橢圓曲線,以整個(gè)橢圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°后,取橢圓的上半部分為輪廓的主要曲線,并取最右側(cè)點(diǎn)即右長(zhǎng)半軸終點(diǎn)為出水口點(diǎn),這樣出水口點(diǎn)稍微往上翹,并且出水口處不與左側(cè)曲線起點(diǎn)等高,出水的切線方向不與盆面垂直,出水水流產(chǎn)生一定大小的弧度。水龍頭進(jìn)水口直管與橢圓曲線輪廓相切,水流流入直管后直接進(jìn)入橢圓曲線,形成有效過(guò)渡和光滑銜接。這樣,進(jìn)水效果和出水效果都非常流暢而無(wú)滯水現(xiàn)象產(chǎn)生。該水龍頭曲線結(jié)構(gòu)效果如圖4所示。

圖4 水龍頭曲線結(jié)構(gòu)效果圖Fig.4 Effect diagram of faucet curve structure

為使高端水龍頭外形更加美觀,可以將水龍頭的橫截面形狀設(shè)計(jì)成扁圓形。如果水龍頭設(shè)計(jì)成紅外線自動(dòng)感應(yīng)式水龍頭,可以不設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān),這樣使水龍頭整體結(jié)構(gòu)更加精煉緊湊。如果要設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)位置可以設(shè)計(jì)在曲線輪廓的后面,采用擰開(kāi)式或提合式開(kāi)關(guān),這樣占據(jù)的空間位置比較少,使整個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)比較緊湊,其尺寸設(shè)置以使用時(shí)不產(chǎn)生干涉為宜,距離橢圓與直線連接點(diǎn)的距離約60 mm。

3.4 曲線加工制造程序設(shè)計(jì)

本案例中水龍頭的外形曲線輪廓由橢圓曲線和一段直線組成,而橢圓曲線是整個(gè)輪廓線型的重點(diǎn)。數(shù)控程序是加工的基礎(chǔ),也是加工時(shí)刀具走刀路線的基礎(chǔ)和依據(jù)。因此,設(shè)計(jì)好數(shù)控程序非常重要。根據(jù)曲線的形狀特點(diǎn),橢圓曲線采用變量編程為宜,運(yùn)用循環(huán)語(yǔ)句。設(shè)橢圓圓心在編程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(100,90)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)好的輪廓曲線,其數(shù)控程序設(shè)計(jì)(參考)如下:

O0001;

G54G90G17G21G40G49;

M03S1000;

T01M06;

G00X160.62Y125.04;

Z20.0;

M08;

G01Z-5.0F100;

#1=0;

#2=70.0;

#3=50.0;

N26#4=#2*COS[#1];

#5=#3*SIN[#1];

#10=#4*COS[30]-#5*SIN[30]+100.0;

#11=#4*SIN[30]+#5*COS[30]+90.0;

G01X[#10]Y[#11]F100;

#1=#1+1.0;

IF[#1LT165]GOTO26;

G01Y30.34F100;

G01Z20.0F80;

G40G01X0Y0;

G00Z100.0;

M09;

M05;

M30;

運(yùn)用該數(shù)控程序加工的效果如圖5所示。

圖5 NC程序加工效果圖Fig.5 NC program processing effect diagram

4 高端水龍頭的制造工藝

4.1 通用水龍頭工藝

通用水龍頭的生產(chǎn)制造工藝流程為:來(lái)樣模具加工→銅合金錠熔煉→重力澆鑄→鑄后清理→鑄品檢驗(yàn)→機(jī)械加工→公差檢驗(yàn)→試漏→表面拋光→表面檢驗(yàn)→電鍍→電鍍檢驗(yàn)→組裝試水試漏→成品檢驗(yàn)→包裝。

4.2 高端水龍頭工藝

高端水龍頭的生產(chǎn)制造工藝流程為:水龍頭外形曲線個(gè)性化設(shè)計(jì)→高性能鈹青銅模具加工→無(wú)鉛銅合金錠熔煉→低壓澆鑄→鑄后清理→鑄品檢驗(yàn)→機(jī)械加工→公差檢驗(yàn)→試漏→表面拋光→表面檢驗(yàn)→磁控濺射表面處理→美觀檢驗(yàn)→組裝試水試漏→成品檢驗(yàn)→包裝。

高端水龍頭和通用水龍頭生產(chǎn)過(guò)程有著本質(zhì)的區(qū)別。高端水龍頭強(qiáng)調(diào)個(gè)性化設(shè)計(jì),并且采用高性能鈹青銅模具低壓鑄造和磁控濺射表面處理工藝,使其產(chǎn)品耐水壓性更強(qiáng),產(chǎn)品外觀更加美觀,表面持久不變色,生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保。

5 結(jié)束語(yǔ)

高端水龍頭通過(guò)結(jié)合美學(xué)理念和生活美感進(jìn)行個(gè)性專業(yè)化的曲線輪廓設(shè)計(jì),是水龍頭設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)非常重要的工作。要從曲線結(jié)構(gòu)上統(tǒng)籌考慮,突出盥洗用水的實(shí)用效果,同時(shí)要考慮到水龍頭制造的工藝性、復(fù)雜程度。曲線的美觀度直接影響消費(fèi)者首視后對(duì)產(chǎn)品的接受程度。使其設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,通過(guò)采用高性能鈹青銅模具低壓鑄造和磁控濺射表面處理工藝,使其生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保,以確保產(chǎn)品的質(zhì)量、美觀和長(zhǎng)久不變色,將個(gè)性化的曲線美通過(guò)產(chǎn)品走向消費(fèi)者,并被市場(chǎng)所接受。