倒圓角在產品設計中的實踐應用
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，正常或非正常使用時，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”。“內應力”強度跟材料壁厚、溫度、壓力成正比。“內應力”會造成零部件形變，崩裂等一系列質量缺陷。“內應力”是物理現象，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模化生產，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”。“內應力”會造成零件形狀變化和部分特征脆裂，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：
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[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.
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[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.
