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ProeCreo产品结构设计进阶—蓝牙耳机结构设计「70页超

  塑料壳体的设计涉及的面比较广泛,实际中会碰到各种各样的形状和结构形式,涉及到知识有:塑料材料的选择;模具设计的知识;注塑过程和注塑引起的外观缺欠;材料力学里的刚度和强度的概念;壳体之间的配合;壳体之间的联接;为满足蓝牙耳机某一功能而设计的结构。

  对单个壳体来讲,主要考虑强度;刚度;模具制造的工艺性;注塑引起的外观缺欠等。强度是指在特定的温湿度环境下,壳体受到一定的外力而不至于被破坏的能力。刚度主要与壳体的变形有关,某一方向的刚度越大,在这个方向上壳体就越不容易变形,好的刚度的设计对蓝牙耳机壳体来说非常重要。刚度设计是目前我们设计中的弱项。关于模具和注塑方面的知识请参阅相关书籍,本书主要从设计的角度上探讨塑料壳体任何一个零件都要最终被装配到整机上,因此塑料壳体的连接和配合也是要考虑的大问题,这关系到整台蓝牙耳机的整体刚度。塑料壳体的配合主主要指卡口和反向限位筋的设计。连接主要指热熔螺母与螺钉联接;自攻钉联接;超声波焊接;热熔柱铆接;双面胶粘接;卡扣联接;铆钉连接(耳挂);胶粘连接与密封(耳塞、RCV 盖、麦克)。关于蓝牙耳机的整体刚度,一方面取决于单个壳体的刚度,同时也取决于壳体之间的联接刚度。这是一个非常重要的问题点,实际中常被忽视。整体刚度好的话,蓝牙耳机外观不易变形,各种缝隙容易保证,且对里面的电子器件能有效保护,PRT试验容易通过,同时因为壳体里面的泡棉的对外张力没有能使壳体变形,从而反过来泡棉也就起到了应有的作用。整机密封性能也就容易保证。

  塑胶壳体基本功能是:实现蓝牙耳机的基本使用性能(接听信息,传输信息,操作等功能)的载体,满足整机的外观特性(包括颜色,形状,大小等),保护电子元件(机芯和显示屏等)

  (1)对于壳体(Housing)而言,Housing一般选用的塑胶材料为 PC, PC+ABS 。对 PC 而言,常用的有:SAMSUNG( PC HF-1023IM)和 GE:( PC 1414);对于 PC+ABS 而言,常用的有:GE (PC+ABS C1200HF), SAMSUNG:( PC+ABS HI1001BN)。PC 制品同 PC+ABS 制品相比,其强度,刚度,塑性,硬度等机械性能要好,但是由于 PC 的流动性要差,所以注塑成型性能相对PC+ABS 要差些,对成型条件要求相对苛刻些,同时成型制品其表面质量相对较差。不过由于考虑到强度的关系,实际中使用 PC 的越来越多。

  (2)对于需要超声波的零部件而言,由于PC+ABS 的超声焊接性能比PC的要好,使用较普遍。因此使用时尽量的优先选用此种材料。

  (3)对于需要电镀的壳体:一般选用奇美 ABS 727,属于电镀级ABS

  ⏹ABS:高流动性,便宜,适用于对强度要求不太高的部件(不直接受到冲击,不承受可靠性测试中结构耐久性测试的部件),如蓝牙耳机内部的支撑架(Camera frame,Speaker frame) 等。还有就是普遍用在要电镀的部件上(如按钮,侧键,导航键,电镀装饰件等)。目前常用奇美 ABS 727(电镀级),ABS 757 等。

  ⏹PC+ABS:流动性好,强度不错,价格适中。适用于绝大多数的蓝牙耳机、蓝牙耳机

  ⏹PC:高强度,价格较高,流动性不好。适用于对强度要求较高的外壳(如翻盖蓝牙耳机中与转轴配合的两个壳体,不带标准滑轨模块的滑盖机中有滑轨和滑道的两个壳体等,目前指定必须用 PC 材料)。较常用 GE LEXAN EXL1414 和三星 HF-1023IM。

  ⏹PC+GF,目前 PC 加玻纤在蓝牙耳机壳体上的运用有增加的趋势,这种材料结合了玻纤的高模量强度高硬度高的特点,和 PC 的耐冲击性特点,使得其在抗弯抗扭强度要求较高的场合得到运用,但是其耐疲劳冲击强度(如翻盖测试)比 PC 差(由于添加了玻纤的缘故)。比较常用的有三菱Mitsubishi GS2010MPM PC+10GF(10%GF)。价高。

  ⏹PPA+GF,尼龙加玻纤(PPA+60%长纤),GE Verton系列的PDX-U-03320。模量是PC+ABS 的,但是抗冲击性比PC+ABS差。这种材料刚性极好,某些场合可以替代金属,可喷涂,表面光滑外观好,不翘曲不飞边。多用于超薄结构上,如 LG-KV5900 滑盖机主面。价高。

  ⏹PC+PET,GE 的 Xylex,透明,这是 GE 新开发的材料。综合了 PC 抗冲击和 PET 耐化学的特点,用于IMD LENS和要求高韧性的壳体,这种材料具有较低的加工温度(HDT

  260~280℃),可减少IMD工艺中对油墨 ink 的冲击,热变形温度90℃,冲击强度PCPMMA,可以设计结构特征;流动性PC,可以设计薄壁;高耐化学性。价高。

  ⏹避免一味减少强度风险,什么部件都用PC料或特种材料而导致成型困难和成本增加;

  ⏹在对强度没有完全把握的情况下,模具评审 Tooling Review 时应该明确告诉模具供应商,可能会先用PC +ABS生产T1的产品,但不排除当强度不够时后续会改用PC料的可能性。这样模具供应商会在模具的设计上考虑好收缩率及特殊部位的拔模角。但是对于加玻纤(GF30%以上)的材料,需要在模具设计阶段就按照该材料来设计。

  ⏹通常外壳都是由上下壳组成,理论上上下壳的外形可以重合,但实际上由于模具的制造精度、注塑工艺参数等因素的影响,造成上下外形尺寸大小不一致,,即面刮(面壳大于底壳)或底刮(底壳大于面壳)。可接受的面刮0.15mm,可接受底刮0.1mm。在无法保证零段差时,尽量使产品的面壳大于底壳。一般来说,面壳因有较多的按键孔,成型缩水较大,所以缩水率选择较大,一般选 0.5%。底壳成型缩水较小,所以缩水率选择较小,一般选 0.4%,即面壳的缩水率一般要比底壳大0.1%,即便是两个壳体选用相同的材料,也要提醒供应商在做模具时,后壳要取较小的缩水率。

  强度设计指壳体要满足各种跌落、扭曲和坐压等测试而不被破坏的能力。要满足强度要求,壳体厚度的设计是关键的决定性因素。实际中会碰到各种各样的形状的壳体,厚度也都不尽相同。很难用一个固定的标准衡量。本节主要从经验的角度总结一下各种情况下的壳体厚度如何确定。

  对于注塑成型的塑胶件来说,其壁厚和零件的尺寸、结构、塑胶原料、模具浇口位置、注塑工艺等因素有关,大致范围为0.5-4mm,太薄,零件强度不好,难以注塑成型;太厚,造成材料浪费,成型周期长,易缩水,表面质量不好。ABS、PC材料的最小平均壁厚为0.8mm,局部最小壁厚为0.4mm。蓝牙耳机的壳体为了保证外观质量,局部最小壁厚建议在0.7mm以上。

  耳机面壳的壁厚一般在1.0-1.2mm之间,最薄为0.7mm,Carkit的面壳壁厚比耳机面壳要厚一点,在1.5-2mm之间。

  在设计蓝牙耳机时,一般来讲,在采用 PC 材料的情况下,主壳体的正面壁厚选择范围为1.0-1.2mm,目前常用的厚度为1.0mm(如果产品较大应选用1.2mm,如手机类。),需要具体问题具体分析。在没有侧面装饰条的情况下,主壳体的侧壁厚度为 1.2。在采用侧面装饰条的情况下,侧壁可取 0.8-1.0mm,装饰条可取 0.7-1.0mm,但此时的装饰条应该用双面胶带大面积粘在主壳体侧壁上,这样是为了获得主壳体侧壁有一个更好的强度。也可以用超声波或热汤柱的方案,如GBH909等机型。如果装饰条采用热烫固定,主壳体侧壁厚度应取大些,建议 1.0-1.2mm,热烫柱子应尽可能多些,这样可使整体侧壁强度提高。如果装饰条采用活性的卡装方式,主壳体侧壁厚度应为1.2mm。因为这种情况下装饰条对侧壁强度没有贡献,如WEP350。

  另外,面壳的壁厚和耳机音质有关,面壳太薄,容易产生回音,厚一点音质较好。

  壁厚设计时要尽量保持均匀,要避免急剧变化,壁厚不均,易造成缩水、应力、变形等缺陷。在遇到产品壁厚有突变时,可以通过以下方案进行设计改善:

  壳体刚度包括抗弯刚度和抗扭刚度,与壁厚基本关系不大,主要取决于壳体的形状。总的来说,壳体设计的越立体化,即加强筋越多越高,整个壳体的刚度就越好。若要在某个方向上增加刚度,就要在沿着这个方向上增加筋位。一般在壳体的x和y方向都需要考虑如何布置加强筋。一般来讲,壳体越平坦或者说高度方向尺寸越小,刚度越差(抗弯模量与高度方向尺寸的 3 次方成正比关系)。所以不考虑长宽尺寸,高度方向尺寸决定壳体的刚度。尽管从壳体外表看上去某个壳体是扁平的,但为了保证刚度,设计时会故意做一些高筋,只是装配后从外面看不见而已。见下图 1,2。刚度好的壳体不易变形,装配后整机刚性也好,外观的缝隙容易保证。刚度设计对壳体来说非常重要。

  壳体配合包含的内容较多,这里主要讨论大件壳体之间的配合。配合指壳体之间为了保持相对固定的位置而设计的限位筋,碰零基准面,止口和裙边等结构。同时要求壳体之间的配合要有较好的密封性能,达到防水防潮防尘的目的,同时能提高抗静电能力。另外需要注意的是,壳体上尽可能少开孔,尤其是和电池配合的后壳,取掉电池后尽可能少看见里面的PCB 上的器件,一是难看,给人感觉设计粗糙低档,二是不利于抗静电和防水性能。大件壳体在 x 和 y 方向主要有两种比较好的配合形式。下面举两个例子说明:第一种,卡扣和限位筋交错排列。好处:结合紧密,不松动,装配后整体刚度好,节省空间。参考下图 3,4,5,6。

  第二种,限位筋双层排列。好处:由于局部厚度增大,壳体强度更强。缺点:侧壁厚度增加一层筋厚,空间紧张情况下无法采用。参考图 7,8,9。

  加强筋是一种经济实用的加强壳体强度(Strength)和刚度(Stiffness)的特征,加强筋还起到对装配中元器件定位的作用;对相互配合的部件起对齐的作用;对机构起止位和导向的作用。图10表示要达到 2 倍的刚性,通过设计加强筋仅需增加 7%的材料,而通过加厚壁厚却需要增加25%的材料

  加强筋的设计涉及到厚度(Thickness),高度(Height),位置(Location),数量(Quantity),成型(Moldability)等五个方面。厚度(rib thickness)很关键,太厚会引起对面的表面上有缩水(Sink)和外观(Cosmetic)的问题。

  为常用材料加强筋厚度设计通用参考(加强筋厚度=壳体壁厚的%),图 11加强筋设计时几个主要尺寸之间的关系。

  壁厚=1.5mm的薄壁零件允许加强筋的厚度比上表略厚一点,但应小于壳体壁厚的75%;

  较多的加强筋会增强部件的强度和防止破裂,但实际上也可能会降低部件吸收冲击的能力。根据模具上加筋比去除筋容易的原则,对加强筋的应用应该本着需要的原则来设计。

  通常我们还会设计一些角撑来加强螺柱,壳体折弯等部分。设计角撑的原则和加强筋是一样的, 但要注意方形的角撑在尖角处容易形成气包。图 21 告诉我们如何来设计角撑。

  太小的圆角或没有圆角会导致应力集中,相反,太大的圆角会导致壳体表面缩水。图 22 所示为 圆角和壳体壁厚的比例 R/h 与应力集中之间的对应关系。圆角与壳体壁厚的比例 R/h 为 0.15 时, 补强效果(对于小的或中度冲击)和外观质量可以得到一个比较好的折衷。

  由于塑料壳体的成型特性,我们要对所设计的塑料件加上拔模特征(这项工作尽量在所有特征都 建完之后再做),见图 23。设计拔模特征时注意:

  要对所有平行于模具上钢铁分开(Steel separation )的方向的面进行拔模;

  除外壳面外,壳体其余特征的拔模角度以 1 度为标准拔模角度。特别的也可按照 下面原

  1、PCB板装到下面壳上,由3到4个柱子或筋支撑、定位,柱子分布要均匀,防止按键时发生翻转变形,顶按键附近最好有柱子支撑。柱子和PCB板孔的单边间隙为0.05mm。上面壳要有3到4个柱子或筋压到PCB板上面,要零间隙,且分布均匀。PCB板和面壳侧壁的间隙不小于0.2mm,设计面壳时要考虑PCB板上元器件的最大尺寸,并留出一定的间隙。

  2、电池一般用双面胶粘到PCB板下面,胶厚0.1-0.2mm,用下面壳的筋来支撑,电池的厚度一般不均,要考虑其最大厚度。

  3、设计面壳时,一定要留出USB插座的安放空间,保证USB插头的安装插拔顺利。

  塑胶件常用的装配方式有5种:螺钉、卡扣、热融、粘胶、超声焊接。因为螺钉影响产品外观,且耳机的尺寸很小,一般很少用螺钉联接;卡扣因为直接成型在面壳上,装配时不需要别的零件,且可以拆卸,装配成本低,易减轻产品重量,被广泛采用,歌尔公司的90%的塑胶零件用卡扣来装配;热融也是常用的一种装配方法,耳机上的顶按键一般都用热融的方法装配到面壳上;粘胶也是常用的装配方式,有时为了加快开发进度,减少模具的制作难度,经常采用粘胶的方式装配,但是装配后不可拆卸,有时(如空间不够时)会用到粘胶和卡扣相结合的装配方式;超声焊接也是常用的装配方式,尤其在没有装配空间时会采用超声焊接,超声也是不可逆的装配工艺。

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