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手机金属部件设计及制造工艺

1.1 序言
    金属部件在手机结构设计中发挥越来越大作用.一些手机翻盖上壳采取是铝合金冲压成形再进行阳极氧化制造工艺而翻盖下壳则是采取镁合金射铸工艺成型，因为金属强度较高，所以能够实现塑件无法实现结构。本章将介绍现在手机中常见金属部件结构设计及其制造工艺。

1.2 镁合金成型工艺
    在手机结构件中，镁合金因为其重量轻，强度高等特点已大量被采取。镁合金零件现在关键采取压铸(die-casting)和半固态射铸法(thixomolding)进行生产。本节关键介绍镁合金压铸工艺和半固态射铸工艺特点及设计注意事项。
    1.2.1 镁合金压铸工艺
    压铸机通常分为热室（hot-chamber）和冷室（cold-chamber）两类。前者优点是：模具中积流残料少，铸件表面平整，内部气孔、疏松少，但设备维护费较高。
镁合金熔体对钢浸蚀并不尤其严重，所以，除采取热室压铸机制造零部件外，也可选择冷室压铸机。通常，可依据零部件大小和铸件特征来选择压铸工艺。如铸造大和较大汽车零件；若压铸机压力较小，则只好用冷室压铸；若压铸机较多，大中小结构搭配合理，还是宜选择热室压铸法。而铸造轻薄3C（笔记本电脑，摄影机，摄像机）机壳零部件和自动控制阀细小零件，则可选热室压铸工艺，因其压铸速度快，成品率也较高（此处成品率＝铸件质量/所消耗熔体质量
    1.2.2 镁合金半固态射铸工艺
    半固态射铸是美国道化学企业(Dow chemical Co.0)开发一个高新技术，在工业发达国家是一项成熟工艺，在中国台湾省此项技术已趋于成熟。中国此项技术已经开始进入生产阶段，不过模具中国仍然无法自主设计和开发。它制造原理是将镁合金粒料吸入料管中，加热同时经过螺杆高速运转产生触变现象，射出时以层流方法充填模具，形成结构致密产品。图5-1所表示为镁合金半固态射铸系统示意图。

图5-1 镁合金半固态射铸系统示意图

    镁合金半固态射铸法优点是：
    1.零件表面质量高，低气孔率，高致密性，抗腐蚀性能优良；
    2.可铸造壁厚薄达0.7～0.8mm轻薄件，尺寸精度高，稳定性好；
    3.强度高，刚性好；
    4.不需要熔炼炉，不仅安全性高、劳动环境好而且不产生热公害；
    5.不使用对臭氧层有严重破坏作用六氟化硫气体，不会形成重金属残渣污染；
    6.铸件收缩量小；
    7.铸件表面良品率高，可达50％或更高些，此处所说良品是压铸工序无表面缺点。通常压铸工序良品率还不到35％，有一部分存在表面缺点次品还可在修补后转入下道工序。
    半固态射铸技术关键不足之处是：
    1.装备昂贵；
    2.维护较困难,机械和控制设备故障率较高，维修费用多，比压铸法高50％左右，产品成本较高；
    3.原料价格也较高，约比压铸法高20％，因压铸法用是镁锭，而半固态射铸法用是经过加工镁粒；
    4.铸件生产周期长，为一般压铸法2～3倍；
    5.产能方面，比如：一台220吨镁合金射铸机一模一穴30天能生产约60000pcs。
    通常镁合金件加工工艺以下：
    射出→冲切→抛光→一次检验→振动研磨→machining→机械加工→手工加工→一次加工检验→皮膜化成→涂装→涂装检验→最终检验→出货
    1.2.3 镁合金半固态射铸工艺设计注意事项
　　1、因为镁合金在成型时模具压力大，对模具强度要求高，所以镁合金在作为壳件设计时不要使用内抽芯。

    2、镁合金在作为外壳设计时，壳件厚度通常大于0.8mm，局部厚度能够在0.5mm，不能小于0.3mm。
    3、镁合金在作为翻盖设计时需要装配转轴，当转轴孔拨模角太大时和转轴配合不好，当转轴孔拨模角太小时，镁合金模具行位不易成型，采取下图设计方案比较理想，在转轴孔平行两侧加四个筋位，这种方案即可确保孔拨模角又可确保转轴配合松紧度。

    4、因为镁合金刚度比塑料大，不易变形，所以同是镁合金壳件不能使用卡扣连接，多使用螺钉连接。镁合金和塑胶壳之间能够使用卡扣连接，卡扣配合尺寸要比胶壳之间配合尺寸小，避免造成装配和拆卸困难和损坏。

1.3 钛及钛合金特征和用途
    纯钛是银白色金属，它含有很多优良性能。钛密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名轻金属镁稍重部分。机械强度却和钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K ，比钢高近500K。
    钛属于化学性质比较活泼金属。加热时能和O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄致密氧化物保护膜，能够抵御强酸甚至王水作用，表现出强抗腐蚀性。所以，通常金属在酸、碱、盐溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。
    液态钛几乎能溶解全部金属，所以能够和多个金属形成合金。钛加入钢中制得钛钢坚韧而富有弹性。钛和金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。
    钛合金制成飞机比其它金属制成一样重飞机多载旅客100多人。制成潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发觉，含有很好反监护作用。
    钒含有“亲生物”性。在人体内，能抵御分泌物腐蚀且无毒，对任何杀菌方法全部适应。所以被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体正常活动。
    钛在人体中分布广泛，正常人体中含量为每70kg体重不超出15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。
因为钛合金有很强金属感和很高强度，现在在手机上应用也越来越多。参见图T5-4、T5-5

T5-4

T5-5

1.4 金属屏蔽盖设计和制造工艺
    金属屏蔽盖薄型结构件通常全部采取箔材冲压成形。作为结构件，屏蔽盖必需确保含有一定外形尺寸精度要求，而且要根据薄壁冲压件特点进行设计。作为屏蔽件，它和电磁场及其频率相关，必需确保一定电磁性能要求。在SMT组装方面，屏蔽盖是作为一个器件（SMD）来完成焊接工作。在设计屏蔽盖时，必需同时考虑其结构工艺、电气性能和组装焊接性能等多方面技术问题。
    1.4.1 屏蔽盖材料

表5-1 常见屏蔽盖材料
材  料
特      点

镀锡铁皮（马口铁）
价廉，但切口处露铁，易生锈，且切口处难焊接

铁箔冲形后镀锡
价格较低，但增加电镀工序

镀锡黄铜
价格通常，较易焊接

锌合金（镍白铜）
价格较高，易焊接，不需表面处理

不锈钢
价格通常，外观光亮，但不可焊接，只可用作上盖
1.4.2 设计要求
    设计屏蔽盒时应注意以下几点：
    1.屏蔽盒孔关键用来散热和减轻重量。最大许可孔径和电磁波频率相关。按手机频率计算，孔径应小于φ3mm。
    2.屏蔽盒长、宽尺寸公差通常为±0.10；高度公差为±0.08；平面度误差0.10。大于35mm时公差值应再加0.05mm。
    3.材料厚度通常为0.13～0.2mm。
    4.SMT吸盘尺寸应大于6mm。
    5.二件式屏蔽盒上盖底面应高出下盖底面最少0.5mm，以免SMT焊接时将上盖也焊死。
    6.需焊接底面提议冲成锯齿形，齿间距小于3mm，以使能愈加好焊接。
    7.最小冲切缝隙为0.8～1mm。
    8.上盖尺寸应比下框单边大0.1mm。
    9.凹坑和凸起点作用：一是触点要导电接通；二是锁扣将二件扣住。其结合要确保既压紧又易取。跌落试验时，不得脱离。结协力通常为20～50N。
    10.最合理材料选择为：镍白铜底＋不锈钢盖。

    1.5 天线螺母设计关键点
    手机天线螺母因为结构加工工艺不一样，可分为：热压型螺母、挤压型材型螺母、金属压铸型螺母和薄板冲压型螺母等。
    1.5.1 热压型天线螺母
    热压天线螺母结构简单、性能可靠，应用较为普遍。这种螺母通常不进行表面处理，必需时可镀金（D•Ni4Au0.2）或镀镍D•Ni5。关键由自动车床完成切削加工。生产热压螺母厂家均可生产热压天线螺母。
    常见天线螺母规格有：M4、M5、M6等细牙螺纹；
    螺母材料：黄铜 H59 或CuZn38Pb2；
    塑胶压合量通常为0.6～0.7mm（塑胶孔径向差）；
    螺母抗拉力约为N。
    现在，科健企业没有制订相关热压天线螺母技术参数检测标准。相关技术参数确实定请参考P.S.M和BOLLHOFF设计指导文件。
    1.5.2 挤压形材型天线螺母
    将铜棒在拉模内拉出含有天线螺母外形铜条，然后在自动车床上完整天线螺母全部加工。因为结构工艺简单，轻易确保质量，这类型天线螺母应用很普遍。设计中相关技术数据以下：
    形材材料：黄铜H59
    配合尺寸公差：  （单位：mm）
    拧入端单面倒角：0.5×45°
    表面处理：D•Ni4 Au0.2
    配合表面粗糙度：3.2
    1.5.3 金属压铸型天线螺母
    金属压铸工艺适于大批量生产复杂形结构件。精密压铸模具价格较高。
    螺母材料：铸造锌合金
    表面处理：D•Ni5或D•Ni4 Au0.2
    1.5.4 冲压天线螺母
    用铜带冲压成形。螺纹部分由无切削挤压加工完成。冲挤成形工艺简单、成本低。
    螺母材料：黄铜H59
    表面处理：D•Ni4 Au0.2或化学钝化

1.6 弹片设计关键点
    手机中弹片关键有天线弹片、电池弹片、SIM卡弹片连接卡片等。
    1.6.1 冷轧碳素钢弹片 
    由冷轧取得弹性。弹性好、成本低，需表面镀覆。进行防锈处理。如镀锡、镉、锌。关键用于要求弹力大、不需导电结构件。
    1.6.2 不锈钢弹片     
    关键材料有SUS303、SUS304、1Cr18Ni9Ti等。弹性均由冷轧取得，不需表面处理。关键用于弹力要求不大，而对外观及防锈蚀要求较高弹性零件。
    1.6.3 磷青铜弹片     
    不能经过热处理来改善弹性，均采取冷轧磷青铜带制作弹片，表面可镀金、银、镍等成本较低，可用于导电弹片。
    1.6.4 铍青铜弹片     
    关键特点是可经过热处理提升硬度和弹性。材料在低弹性下成形，其形状和尺寸更为正确、精密。经回火（时效处理）后可取得较大弹性。表面可进行电镀金、银、镍、镉等处理。工艺复杂、价格较贵，常见于要求弹性较大而稳定天线弹片、电池弹片等处。

    1.7 螺钉、螺母及弹簧设计关键点
    1.7.1 螺钉
    手机常见螺钉关键有3种：M1.6、M1.4及自攻螺丝。
    螺钉生产自动化程度很高，通常工序以下：
    由盘状钢丝在自动机上冲螺钉头、切断→滚丝机上滚丝→热处理→表面处理→包装
    1.7.1.1 螺钉用材料
    手机常见螺钉材料以下：
    1.低碳钢：通常见于较大尺寸螺钉（M2以上），可不进行热处理。
    2.中碳钢：小螺钉需要有一定强度。通常采取中碳钢加热处理强化提升硬度（HRC40～45）。
    3.不锈钢：耐腐蚀、不需表面处理。但通常不锈钢均无磁性，不能用带磁性螺丝刀进行装配。
    1.7.1.2 螺钉表面处理
    钢制螺钉必需进行表面处理以防腐蚀，依据需要可能选择不一样颜色和不一样金属镀层。常见种类以下：
    1.黑色氧化：螺钉呈黑色。成本低，但易腐蚀、需油封。
    2.镀黑锌：D•Zn5 表面呈黑色。镀层厚度5μ 应用较普遍。
    3.镀黑镍：D•Ni5（黑）。常见于精密机械。
    4.镀镍：D•Ni5 表面呈银色。通常较多采取。
    5.镀彩锌：D•Zn5，彩色钝化。常见于较大螺钉。
    6.镀金：D•Ni4Au0.2，表面呈金色。用于高级机。
    1.7.1.3 超薄头螺钉
    在进行结构设计时，往往因为厚度原因需要薄头螺钉。通常小螺钉头厚度大约是0.6～0.8mm。最近由日本OSG企业开发研制超小型精密螺钉头部，厚度仅有0.2mm。现在，它在手机、手表、相机和PDA、VCD等很多领域中得到广泛应用。
    1.7.2 热压螺母
    1.7.2.1 螺母压入胶壳后强度指标
    科健企业提出相关M1.6螺母热压后固定强度指标是：
    拉力：125N
    扭矩：25N•cm
    1.7.2.2 螺母生产厂家
    BOLLHOFF：质量好、价格高。螺母材料：青铜 CuZn38Pb2
    P.S.M：质量较高、价格较低。材料：黄铜（B）
    中国厂家：中国生产厂家较多，但质量较差（关键是外圆滚花较差），价格低，多数扭矩指标低。螺母材料：黄铜H59。
    1.7.2.3 热压螺母工艺方法
    热压质量很好，已经有专用热压设备，设备价格低。不提议采取超声压接，超声压接设备很贵。
    1.7.3 弹簧
    1.7.3.1 螺旋弹簧加工工艺
    螺旋弹簧通常采取冷拉钢丝，在专用无心绕制设备上，经校直钢丝并调整好直径、螺距、圈数和拼扣等弹簧参数要求全自动化完成。
    依据材料状态不一样和对弹性性能要求不一样应有不一样工艺安排。假如弹簧材料选为软状态（如退火状态）时，必需在绕制后安排淬火及回火热处理工序。通常见大形或精密弹簧，如选择硬状态材料时，绕制后只需回火处理。通常见于小形或对力和变形关系要求不严格弹簧。淬火目标是提升硬度、增加弹性。回火目标是稳定尺寸、稳定弹性。
    螺旋弹簧加工全过程大致以下：
    弹簧绕制→清洗除油→（淬火）回火→表面处理→检测（包含外形尺寸和弹性性能参数测量）
    1.7.3.2 弹簧材料选择
    弹簧材料通常全部选择含有较高弹性极限弹簧钢材。如碳素弹簧钢丝、冷拉碳素弹簧钢丝、合金钢丝等。
    对于部分对弹性要求不是十分严格小形弹簧，为了既能防锈蚀又要避开易造成污染电镀工艺，常常选择冷拉不锈钢丝材料。
    1.7.3.3 手机用弹簧设计
    1.弹簧外形尺寸
    通常卡扣弹簧外形尺寸常常是由结构所限制被确定，如弹簧外径、工作长度等。而钢丝直径及弹簧圈数等参数则必需由设计者依据弹簧刚度性能要求进行计算（或试验）来确定。
    2.弹簧刚度
    装机时，弹簧在正常位置时是被预压。这个预紧力大小决定了手感好坏和卡住电池可靠性。预紧力大手感太硬，预紧力过小电池易脱落。
    K699预紧力选择较为适宜，大约在150gf左右；K269预紧力大约为180gf。钢丝直径为φ0.3mm。
    3.弹簧材料
    手机用弹簧材料关键有以下二种：
    冷拉不锈钢丝  SUS 304；
    冷拉碳素弹簧钢丝（琴钢丝）
    4.选择表面处理时应注意：
    不锈钢弹簧——如期望表面银亮时，则要求回火热处理前必需清洗洁净，不然表面将呈淡黄色。
    采取碳素弹簧钢丝时必需进行表面处理以防锈蚀。最常见方法是：黑色氧化和镀镍（D•Ni5）。其它镀层也有选择，但镀锌（易产生氢脆现象）；镀镉（易造成环境污染）。