高端水龍頭曲線設計和制造技術的研究

劉 穎,李金平,周水軍

(1.宜春職業技術學院,江西 宜春 336000; 2.新余市長城銅產品開發有限公司,江西 新余 338000)

水龍頭是人們日常生活中常見一種盥洗取水物品。高端水龍頭常見于中高端人群新房子的裝飾、高端賓館、酒店、會所及游樂設施場所盥洗間,使用中體現了一定的舒適性、便利性和美觀性。近年來我國高端水龍頭諸多品牌如九牧、箭牌等因注重采用美學理念進行個性化外形設計正逐步走向國際市場。

1 高端水龍頭的特點

1.1 設計的科學性及新穎性

高端水龍頭設計的科學性,主要體現在水龍頭從原材料的選用到成品各個環節的流程;還要考慮水龍頭彎管曲率半徑的大小、出水口的形狀、出水口至安裝點的距離、水流速度的控制、水龍頭安裝的便利度、開關形狀及位置的設計。

新穎性主要體現在用戶對產品的直觀感受,簡潔美觀,讓人有一種耳目一新的感覺。但更多的是方便人們的日常生活,體現水龍頭實用的功能,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,使用起來應該是非常便利、非常舒適的,特別要考慮水龍頭安裝完畢后,出水口對水池側壁無干涉的影響。水流出水集中柔和而又力度,水花四濺不明顯,對四周環境無影響而產生違和之感。

1.3 效果節水性

高端水龍頭節水性體現在環保特性,水龍頭開水后水流無滯留影響,節水效果基于快速感應性。水龍頭封閉嚴密,感應比較靈敏,關閉速度不到傳統老式水龍頭的五分之一。

1.4 智能化

自動感應出水控制,只需將手或其他洗滌物品放在水龍頭下紅外線感應區,水龍頭便會立即自動出水,待離開后,便自動關閉,這樣大大提高了使用效率和節水效果。

2 高端水龍頭的工藝要求

2.1 材質要求高

目前高端水龍頭從材質方面而言主要使用環保無鉛銅合金材料,也有不銹鋼、陶瓷等材質。而鐵質水龍頭由于容易生銹,逐漸被淘汰。不銹鋼材質價格比較昂貴,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

高端水龍頭要根據本身的使用場合、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產品表面的色彩、光澤、質感等達到滿足美化外觀表面的需要,從而提高了產品的附加值。國外高端水龍頭普遍采用磁控濺射[1]技術鍍鉻、鋯等各種貴重金屬的表面濺射,以更好地滿足用戶對不同色澤的要求,并且經該工藝表面處理后,由于其附著力強,表面光潔度高,可保持產品長久不變色。而國內水龍頭生產廠家普遍采用電鍍工藝,因存在環保問題,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,又要實用、無污染。

2.3 生產制造成本高

高端水龍頭生產制造需要經過個性化曲線設計、高性能鈹青銅[2]模具加工、銅錠熔煉、低壓鑄造、機加工、表面拋光、電鍍或磁控濺射表面處理等多道工序,因此其生產制造成本相對較高。

3 高端水龍頭曲線設計和制造技術研究

潛在客戶在判斷產品物理性能之前會先通過產品的外觀進行評判,這清楚地表明了美學形狀對工業產品成功的重要性[3]。曲線是擁有無限生命力的線條,它也是在產品設計中運用最為廣泛的符號之一。曲線不同于直線給人的穩定感,曲線可以給人帶來優美的流暢感,讓人聯想到自然河流、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趣,可以說在人與自然相處的過程中,曲線已經成為了一種意識形態,不斷滲透和影響著人們對于美的認知。本研究采用西方抽象派的美學理念,結合生活中的美學感受和國內相關論文的研究[4-7],對高端水龍頭的曲線進行專業設計,并充分考慮其生產制作工藝。科學合理地設計高端水龍頭的外觀曲線能夠確保制造工藝性好,出水效果集中穩定,水流速度均勻而柔和;在外觀上,非常美觀,給人一種簡潔清爽和大氣之感,符合大眾的審美觀點。

3.1 水龍頭曲線公式

為了使高端水龍頭外形曲線更美觀、更實用、更耐用,科學地設計外形曲線非常重要。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,經過比較和論證,設橢圓長半軸a值為70 mm,設短半軸b值為50 mm,其曲線公式設計為:

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,而在實際的曲線設計中,還包括一小段直線,并且橢圓與直線相切光滑過度。

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審美效果。本案例設計的高端水龍頭曲線外形簡便,外部結構簡單,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

結合水龍頭曲線形狀,假如要設計水龍頭開關,開關位置如圖3所示。

3.3 曲線結構分析

本案例設計的高端水龍頭,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點,這樣水流主要流經的轉彎半徑相對較大,水流阻礙作用小、水流流暢;同時橢圓曲線在外觀上表現為美觀、簡潔、大方,給人以美的視覺沖擊。

本案例中設計的水龍頭橢圓曲線,以整個橢圓逆時針旋轉30°后,取橢圓的上半部分為輪廓的主要曲線,并取最右側點即右長半軸終點為出水口點,這樣出水口點稍微往上翹,并且出水口處不與左側曲線起點等高,出水的切線方向不與盆面垂直,出水水流產生一定大小的弧度。水龍頭進水口直管與橢圓曲線輪廓相切,水流流入直管后直接進入橢圓曲線,形成有效過渡和光滑銜接。這樣,進水效果和出水效果都非常流暢而無滯水現象產生。該水龍頭曲線結構效果如圖4所示。

圖4 水龍頭曲線結構效果圖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計成扁圓形。如果水龍頭設計成紅外線自動感應式水龍頭,可以不設計開關,這樣使水龍頭整體結構更加精煉緊湊。如果要設計開關,開關位置可以設計在曲線輪廓的后面,采用擰開式或提合式開關,這樣占據的空間位置比較少,使整個設計相對比較緊湊,其尺寸設置以使用時不產生干涉為宜,距離橢圓與直線連接點的距離約60 mm。

3.4 曲線加工制造程序設計

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,而橢圓曲線是整個輪廓線型的重點。數控程序是加工的基礎,也是加工時刀具走刀路線的基礎和依據。因此,設計好數控程序非常重要。根據曲線的形狀特點,橢圓曲線采用變量編程為宜,運用循環語句。設橢圓圓心在編程坐標系中的坐標為(100,90)。根據上述設計好的輪廓曲線,其數控程序設計(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;

運用該數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

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

4.2 高端水龍頭工藝

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

高端水龍頭和通用水龍頭生產過程有著本質的區別。高端水龍頭強調個性化設計,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,使其產品耐水壓性更強,產品外觀更加美觀,表面持久不變色,生產過程更加環保。

5 結束語

高端水龍頭通過結合美學理念和生活美感進行個性專業化的曲線輪廓設計,是水龍頭設計中的一項非常重要的工作。要從曲線結構上統籌考慮,突出盥洗用水的實用效果,同時要考慮到水龍頭制造的工藝性、復雜程度。曲線的美觀度直接影響消費者首視后對產品的接受程度。使其設計理念實現產品化,通過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,使其生產過程更加環保,以確保產品的質量、美觀和長久不變色,將個性化的曲線美通過產品走向消費者,并被市場所接受。